专利名称：一种有机气体传感方法
技术领域：
本发明涉及光学传感器技术领域，特别涉及一种适用于环境监测领域的气体传感器。
背景技术：
随着社会的飞速发展和科技的突飞猛进，环境污染日趋严重，化工生产和装修装饰材料 中经常使用和产生一些有毒有害气体，严重威胁人们的生活和健康。因此研究这些用于环境 监测的气体传感器以及探索新的气体传感方法，成为人们日益关心的问题。
表面等离子体共振(SPR)是一种表面物理光学现象。当入射光波在金属膜界面处产生全反 射，且入射光波的频率与金属膜表面自由电子共振频率相同时，便产生表面等离子体共振现 象。共振角度或共振波长对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感，因而可以用于对生 物或化学分子的探测。但是利用现有的基于表面等离子体共振(SPR)的传感有机气体的方法己 经暴露出一系列的问题。首先，有机气体分子为化学小分子，现有的SPR传感有机气体方法 灵敏度较低；其次，表面等离子体共振检测以角度调制为主，精确控制入射角度是操作上的 一个难点；再次，表面等离子体共振具有复杂的起振系统，它包括光源系统、激发光路系统、 耦合系统等；最后，表面等离子体共振方法检测气体装置复杂，不利于便携化。总之，正是 由于实现的困难，表面等离子体共振检测气体的方法成本较高，不利于商用化。
随着等离子体光学研究的深入及纳米结构加工技术的进步，金属纳米结构的局域表面等
离子体共振(LSPR)近几年来得到了应用。它的原理是金属纳米颗粒或结构对光的局域表面等 离子体共振吸收和散射现象，与金属薄膜的表面等离子体共振有所不同。LSPR谱对环境介质 十分敏感，主要应用一般表现在对生物分子的探测和分析、表面等离子体共振成像等方面。 在利用金属纳米颗粒局域表面等离子体共振(LSPR)对化学气体小分子传感方面，只是有人 初步提出了利用化学合成法制作的金属纳米球进行传感，但灵敏度非常低，完全无法满足目 前对气体传感的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出了一种新的检测有机气体的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种有机气体传感方法，其特征在于包含步骤如下
(1) 根据透射波长的需要选择合适型号的传感芯片基底，对基底进行清洗、干燥；
(2) 在基底上制作金属纳米结构阵列，即得到传感芯片；
(3) 根据所要检测的气体种类，在上述传感芯片的金属纳米结构阵列上结合一层气体敏
感膜；
(4) 将步骤(3)所得的传感芯片置于含有待测有机气体的空气中，然后利用光源照射 传感芯片，再用光谱测试仪探测透射光得到消光光谱；
(5) 分析消光光谱，获得待测有机气体的浓度信息。 所述步骤(l)中选择的传感芯片的基底材料为可见光材料玻璃或石英，或者红外材料硅。 所述步骤(2)中的金属纳米结构阵列中金属为金、或银、或铝、或铜；纳米颗粒的形状为
三角形、或菱形、或立方体形、或棒形、或球形、或线形，特征尺寸在20nm到500nm之间； 制作方法包括金属纳米结构自组装、纳米球光刻、聚焦离子束光刻、电子束光刻、纳米压印。
所述步骤(3)中的气体包含垸类、醇类、苯类中的某一种有机气体。
所述步骤(4)中的光源为氖灯、卤钨灯、氙灯。
所述步骤(4)中的光谱测试仪为可见光谱仪或红外光谱仪。
本发明与现有的技术相比具有以下优点
(1) 本发明采用金属纳米结构的局域表面等离子体共振效应，在实现上无需控制光的入 射角度，也无需光路耦合，只需要对气体吸附前后的消光谱进行测量和分析即能得出气体浓 度信息；因此实现方便，成本低；
(2) 本发明可以利用光谱测试仪实时记录透射光的消光信息，其响应速度仅仅依赖于光 路系统，因此能够快速实时记录气体浓度信息；
(3) 本发明是采用可以与小分子大小相媲美的金属纳米结构，因此在检测小分子方面， 尤其是有机气体分子方面其有独特的优势。
图1是气体吸附于传感芯片上的过程示意图2是实例1中利用的三角形金属纳米结构的扫描电镜照片。
图3是光谱测量系统示意图4是实例1中利用图2所示的光谱测量系统测量不同浓度丁醇气体所得到的消光效率 与波长的关系图5是实例1气体浓度与消光峰值波长关系图6是实例2中利用图2所示的光谱测量系统测量不同浓度二甲苯气体所得到的消光效率与波长的关系图7是实例2气体浓度与消光峰值波长关系图。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实 例，应包含权利要求书中的全部内容。
实施例1，利用本发明的传感方法完成对丁醇气体的检测。
(1) 选择尺寸为10mmx20mmx2mm的K9玻璃作为传感芯片基底，对基底进行清洗、干
燥；
(2) 在上述选择的玻璃基底上利用纳米球光刻法制作一层三角形银纳米阵列，如图1(A) 中的第一个结构,三角形边长为127nm，周期为400nm，图2为对应的扫描电镜照片；
(3) 将由步骤(2)得到的含有三角形银纳米结构的传感芯片浸没在浓度为2.5xlO""M的霉 酚酸(MPA)溶液(溶剂为乙醇)中三分钟，形成一层对丁醇气体较为敏感的分子膜，如图1(B) 所示；
(4) 将步骤(3)所得结构置于含有丁醇分子的空气中，结构表层的分子膜吸收空气中的 丁醇分子，如图l(C)所示；
(5) 如图3所示，为丁醇气体检测系统框图。传感器系统由可见光源卤钨灯l、传光光纤 2、准直透镜3、气室4、传感芯片5、聚焦透镜6、传光光纤7、光谱仪8、数据线9、计算 机10组成。卤钩灯1发出的光由传光光纤2传输，经过准直透镜3照射到放置气室4中的传 感芯片5上；透射光由聚焦透镜6耦合进入光纤7，进入光谱仪8进行探测。光谱仪探测到 的光谱由数据线9与计算机10相连，其中计算机安装有相关的信息处理软件，进行数据处理；
(6) 由步骤(5)数据处理后，可得到消光效率与波长的关系，如图4所示；当空气中的 丁醇气体浓度分别为0、 1000ppm、 2000ppm和4000ppm时，测量传感芯片的消光谱，峰值 分别处于619nm、 642nm、 667腦、718nmnm处；
(7) 由步骤(6)所得到数据，可以得知丁醇气体浓度与峰值波长位置的关系如图5所示； 巳知传感芯片消光谱波长信息便可得知丁醇气体浓度信息。
实施例2，利用本发明的传感方法完成对二甲苯气体的检测。
(1) 选择尺寸为10mmx20mmx2mm的K9玻璃作为传感芯片基底，对基底进行清洗、干
燥；
(2) 利用电子束光刻法在上述选择的基底上制作菱形金纳米结构，如图l(A)中的第四个 结构，底边边长为120nm，两边夹角60。，纵向高50nm，周期400nm;
(3) 将由步骤(2)得到菱形金纳米结构浸没在浓度为5xlO—4M的苯硫酚(BT)溶液(溶剂为乙醇)中三分钟，形成一层对二甲苯气体较为敏感的分子膜，如图l(B)所示；
(4) 将步骤(3)所得结构置于含有二甲苯的空气中，结构表层的分子膜吸收空气中的二 甲苯分子，如图l(C)示意；
(5) 如图3所示，为二甲苯气体检测系统框图。传感器系统由可见光源卤钨灯l、传光光 纤2、准直透镜3、气室4、传感芯片5、聚焦透镜6、传光光纤7、光谱仪8、数据线9、计 算机I0组成。卤锌灯1发出的光由光纤2传输，经过准直透镜照射到放置气室4中的传感芯 片5上。透射光由聚焦透镜6耦合进入光纤7，进入光谱仪8进行探测；光谱仪探测到的光 谱由数据线9与计算机10相连，其中计算机安装有相关的信息处理软件，进行数据处理；
(6) 由步骤(5)数据处理后，可得到消光效率与波长的关系，如图6所示；当空气中的 二甲苯气体浓度分别为O、 1000ppm、 2000ppm和4000ppm时，测量传感芯片的消光谱，峰 值分别处于569nm、 601nm、 619nm、 678nm处；
(7) 由步骤(6)所得到数据，可以得知二甲苯气体浓度与峰值波长位置的关系如图7所 示，已知传感芯片消光谱波长信息便可得知二甲苯气体浓度信息。
权利要求
1、一种有机气体传感方法，其特征在于包含步骤如下(1)根据透射波长的需要选择合适型号的传感芯片基底，对基底进行清洗、干燥；(2)在基底上制作金属纳米结构阵列，即得到传感芯片；(3)根据所要检测的气体种类，在上述传感芯片的金属纳米结构阵列上结合一层气体敏感膜；(4)将步骤(3)所得的传感芯片置于含有待测有机气体的空气中，然后利用光源照射传感芯片，再用光谱测试仪探测透射光得到消光光谱；(5)分析消光光谱，获得待测有机气体的浓度信息。
2、 根据权利要求1所述的一种有机气体传感方法，其特征在于所述步骤(l)中选择的 传感芯片的基底材料为可见光材料玻璃或石英，或者红外材料硅。
3、 根据权利要求1所述的一种有机气体传感方法，其特征在于所述步骤(2)中的金属 纳米结构阵列中金属为金、或银、或铝、或铜；纳米结构的形状为三角形、或菱形、或立方体形、或棒形、或球形、或线形，特征尺寸在20nm到500nm之间；制作方法包括金属纳米 结构，组装、纳米球光刻、聚焦离子束光刻、电子束光刻、纳米压印。
4、 根据权利要求1所述的一种有机气体传感方法，其特征在于所述步骤(3)中的气体 包含烷类、醇类、苯类中的某一种有机气体。
5、 根据权利要求1所述的一种有机气体传感方法，其特征在于所述步骤(4)中的光源 为氖灯、卤钨灯、氙灯。
6、 根据权利要求1所述的一种有机气体传感方法，其特征在于所述步骤(4)中的光谱测试仪为可见光谱仪或红外光谱仪。
全文摘要
本发明公开了一种有机气体传感方法，其特征在于包含步骤如下根据透射波长的需要选择合适型号的传感芯片基底，对基底进行清洗、干燥；在基底上制作金属纳米结构阵列，即得到传感芯片；根据所要检测的气体种类，在上述金属纳米结构阵列上结合一层气体敏感膜；吸附某种有机气体以后，利用光源照射传感芯片，再用光谱测试仪探测透射光得到消光光谱；分析消光光谱，获得气体的浓度信息。本发明的有机气体的传感方法具有方便易行、响应速度快、成本低等优点。可以用于环境检测、爆炸物检测、食品安全等方面。
文档编号G01N21/31GK101504360SQ20091007880
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者刘娟意, 军 姚, 飞 李, 欢 杨, 马文英 申请人:中国科学院光电技术研究所