基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置及檢測方法

基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置及檢測方法。本發明的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流-電壓信號采集模塊；電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底電連接的納米陣列。其有益效果是：利用納米線陣列的尖端放電，電離激發氣態物質，并通過檢測放電輻射的光譜或放電的電流-電壓關系，從而獲知氣態物質中的微量元素。具有結構簡單、易于制備、安全、體積小和易于集成的優勢。
【專利說明】
基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置及檢測方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種檢測氣態或液態物質中微量元素的方法，具體涉及一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置及檢測方法。可應用于生化分析和環境監測等領域。
【背景技術】
[0002]目前，檢測微量元素的常用方法是原子吸收光譜儀和質譜儀(EnvironmentalMonitoring and Assessment，107 (2005) 101-114)。原子吸收光譜儀有兩種檢測模式:(I)原子發射，是利用高溫火焰或等離子體，將待測原子從低能級激發到高能級，然后通過檢測高能級原子輻射的特征光譜，從而判別待測原子的種類和含量；(2)原子吸收，是利用含有特定物質的空心陰極燈，產生與待測物質的特征吸收譜線相匹配的光波，通過檢測待測物質對該光波的吸收系數，從而判斷待測物質的元素組分。目前的原子吸收光譜儀，結構復雜、體積龐大、價格昂貴。質譜儀則是根據帶電原子在磁場中的偏轉，測試原子的電荷/質量比，從而判斷待測物質的元素組分。因此，質譜儀也具有結構復雜、體積大和價格昂貴的缺點。
[0003]與此同時，檢測氣體的便攜式儀器，通常采用半導體氣體傳感器和電化學傳感器。其中，半導體氣體傳感器，具有體積小、價格便宜的優勢，但是穩定性差、響應時間長、選擇性差(即無法區分不同的氣體)。電化學傳感器的靈敏度和穩定性較低。并且，這兩種傳感器無法對原子含量進行檢測。
[0004]因此，如何實現結構簡單、體積小、便攜式的微量元素檢測儀，是本發明的創研動機。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種結構簡單、體積小、便攜式的微量元素檢測裝置及其檢測方法。所述檢測裝置是基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置。
[0006]本發明提供的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其技術方案是:
[0007]—種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流-電壓信號采集模塊；電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底電連接的納米陣列。
[0008]本發明提供的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，還可以包括以下附屬技術方案:
[0009]其中，檢測裝置還包括控制模塊，控制模塊可以調節第一電極與第二電極之間空間間隙的大小。
[0010]其中，電源組件是輸出電壓大小可以調節的電源組件。
[0011]其中，納米陣列是含有多根納米線或者納米管的陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。
[0012]其中，納米線包括錐形納米線、圓柱形納米線或梯形納米線中的一種或任幾種。
[0013]其中，光譜信號采集模塊是含有分光器件和光電檢測器件的光譜測試儀；電流-電壓信號采集模塊是電流-電壓記錄儀。分光器件可以將不同波長的光束分開(如棱鏡和光柵)。
[0014]其中，檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結果的計算機；電離組件還包括檢測室和采樣處理室，檢測室排氣口和采樣處理室的進氣口設置有微型栗O
[0015]其中，帶有導電外殼的光纖是在光纖的側壁鍍導電材料或套上導電外殼制成的；導電外殼的材料是金屬材料、碳纖維或石墨烯材料。光纖包含單模光纖、多模光纖、以及光子晶體光纖。
[0016]其中，納米陣列的材料是具有高恪點的GaN納米材料、媽金屬納米線材料或SiC納米材料。
[0017]本發明還提供了一種基于納米陣列電離放電效應的氣體檢測方法，其技術方案是:
[0018]—種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測方法，包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，第一電極是與導電襯底電連接的納米陣列，第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底電連接的納米陣列；然后將氣態待測物流經納米陣列，調整第一電極和第二電極之間空間間隙的距離；并在第一電極和第二電極之間施加電壓，使得納米陣列頂部區域的氣體電離放電；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區域的元素組分。
[0019]本發明的檢測原理是利用納米線陣列的尖端放電效應，由于納米線的尖端可以細到納米量級，在低電壓下納米線尖端可以產生電離放電，從而電離激發尖端附近的氣態物質，并通過檢測電離放電的輻射光譜或放電的電流-電壓關系，可以獲知氣態物質中的微量元素。
[0020]本發明的實施包括以下技術效果:
[0021 ] 綜上所述，本發明提供的基于納米線電離放電效應的元素檢測方法，利用納米線陣列的尖端放電，電離激發氣態物質，并通過檢測放電輻射的光譜或放電的電流-電壓關系，從而獲知氣態物質中的微量元素。具有結構簡單、易于制備、安全、體積小和易于集成的優勢。
[0022]與原子吸收光譜儀相比，本專利采用納米線電離放電方法，具有易于制備(簡單的化學氣相沉積就可以生長納米線)，安全(低電壓可以實現電離放電)，結構簡單、體積小、易于集成的優勢。
[0023]與現有的氣體傳感器相比，本專利通過檢測氣體電離放電所輻射的特征譜線來鑒別元素組分，可以區分不同類型的氣體，精確度高，具有好的選擇性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置示意圖。
[0025]圖2為本發明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置的另一種實施方式的原理示意圖。
[0026]圖3為本發明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置的金屬針與納米線之間放電檢測的原理示意圖。
[0027]圖4為本發明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置的帶有導電外殼的光纖與納米線之間放電檢測的原理示意圖。
[0028]圖5為本發明實施例的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置的光纖伸出(圖5a)和縮進(圖5b)導電外殼的不意圖。
[0029]101、電源組件；102、光譜信號采集模塊；103、電流-電壓信號采集模塊；104、透鏡；1、導電襯底；2、納米陣列；20、圓柱形納米線；21、錐形納米線；3、絕緣襯底；4、金屬針；
5、光纖；50、導電外殼；51、放電福射的光波。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合實施例以及附圖對本發明加以詳細說明，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0031]參見圖1至圖5，本實施例提供的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，包括與電源組件101連接的電離組件、光譜信號采集模塊102和/或電流-電壓信號采集模塊103 ;電源組件101是輸出電壓大小可以調節的電源組件，光譜信號采集模塊102是光譜測試儀；電流-電壓信號采集模塊103是電流-電壓記錄儀。本實施例中，電離組件包括第一電極和第二電極，第一電極與第二電極之間具有空間間隙；第一電極包括至少一組與導電襯底I電連接的納米陣列2，第二電極是金屬針4、帶有導電外殼50的光纖5或者與導電襯底I電連接的納米陣列2。納米陣列2是多個納米線陣列或者多個納米管陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。納米線陣列包括錐形納米線21、圓柱形納米線20或梯形納米線中的一種或任幾種，其中錐形納米線的頂部更尖銳(頂部直徑約5?500納米)，易于實現電離放電；并且納米線陣列的頂部間距L(圖1)可以縮短到微米甚至納米量級，因此在低電壓下即可實現電離放電。利用納米線陣列的尖端放電效應，由于納米線的尖端可以細到納米量級，在低電壓下納米線尖端可以產生電離放電，從而電離激發尖端附近的氣態物質，并通過檢測電離放電的輻射光譜或放電的電流-電壓關系，可以獲知氣態物質中的微量元素。
[0032]作為本實施例的優選，檢測裝置還可以包括控制模塊，控制模塊可以調節第一電極與第二電極之間空間間隙的大小。檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結果的計算機；電離組件還包括檢測室和采樣處理室，檢測室排氣口和采樣處理室的進氣口設置有微型栗，便于氣體的流通檢測。帶有導電外殼50的光纖是在普通光纖5的側壁鍍導電材料或套上導電外殼50制成的；導電外殼50的材料是高熔點金屬材料。納米陣列2的材料是高恪點材料，優選GaN納米線、金屬媽納米線或SiC納米線等高恪點材料。
[0033]參見圖1，本實施例的納米線陣列，可以是先在導電襯底I上生長或刻蝕出納米線陣列，該納米線可以導電、且呈錐形或圓柱形；然后將兩個導電襯底I面對面放置，使得納米線陣列的頂端相互靠近，其頂端間距為L(圖1);然后將氣態待測物流經納米線陣列，并在兩個襯底上施加電壓，使得納米線陣列頂部區域的氣體電離放電(放電區域寬度為L);通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，可以獲知放電區域的元素組分。放電輻射的光波經過透鏡104聚焦后，輸入光譜信號采集模塊102。
[0034]參見圖2，本實施例的納米線陣列，也可以采用刻蝕凹槽的方法，在同一襯底上生長制備(如圖2所示)。該方法是將導電薄層(如半導體薄層)生長或附著在絕緣襯底3上，然后在導電薄層上刻蝕出凹坑結構，最后在凹坑側壁生長納米線陣列。
[0035]參見圖3為金屬針4與納米線之間放電檢測的原理圖，采用金屬針4代替一側的納米線(如圖3);當金屬針4靠近納米線時，金屬針尖與納米線頂端之間發生電離放電(金屬針尖與納米線頂端的距離為L)，通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，從而獲知放電區域的元素組分。該金屬針可以是單根的，也可以是多根金屬針組成的陣列。
[0036]參見圖4帶有導電外殼50的光纖與納米線之間放電檢測的原理圖，采用帶有導電外殼的光纖取代一側的納米線(如圖4);當光纖5靠近納米線時，光纖5—端與納米線頂端之間發生電離放電(光纖5端面與納米線頂端的距離為L)，通過檢測電離放電所輻射的特征光譜，從而獲知放電區域的元素組分。其中，帶有導電外殼的光纖，是在普通光纖5 (或錐形光纖5，或光子晶體光纖5)的側壁鍍上(或套上)導電外殼50 ;導電外殼50用于與納米線產生放電，光纖5用于收集和傳輸放電輻射的光波51。因此，放電輻射的光波51可以耦合到光纖5內，并經過光纖5傳輸到光譜信號采集模塊102。這種光纖5耦合方式，具有結構簡單、體積小、效率高的特點。并且，可以調節光纖5在導電外殼50內的位置，使得光纖5伸出或縮進外殼(圖5)，從而調節光波的收集效率，同時避免放電產生的高溫損壞光纖5的光纖導電外殼50，其材質優選自高熔點金屬材料、碳纖維、或石墨烯等。
[0037]本實施例的電離放電是將納米線頂部放電區域內的氣態物質電離，將氣態物質的原子激發到高能級狀態。由于原子會從高能級狀態返回低能級狀態，從而釋放出具有特征譜線的光波。通過檢測光波的特征譜線，即可獲知氣態物質所含的原子種類和數量。
[0038]本實施例的檢測裝置，也可用來檢測液態或固態物質。將液態或固態物質揮發或蒸發出來的分子，通過載氣傳輸到納米線頂部的放電區域，從而對蒸發物質進行檢測。的檢測裝置，對于不同的氣態物質，其電離電壓會有差異；因此，還可以通過檢測電離放電時所施加的電壓與電流，來獲知待測物質。本實施例中，可以選用納米管代替納米線，例如碳納米管材料。
[0039]本實施例還提供了一種基于納米陣列電離放電效應的氣體檢測方法，包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，第一電極是與導電襯底I電連接的納米陣列2，第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底I電連接的納米陣列2 ;調整第一電極和第二電極之間空間間隙的大小；然后將氣態待測物流經納米陣列2，并在第一電極和第二電極之間施加電壓，使得納米線陣列頂部區域的氣體電離放電；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區域的元素組分。
[0040]下述為本實施例的兩種【具體實施方式】:
[0041]實施例1
[0042]首先，利用化學氣相沉積的方法，在兩個η型硅襯底上生長碳納米管。
[0043]其次，將這兩個硅襯底面對面放置，使得納米管的頂部相互靠近(如圖1納米管頂部間距為L);然后在兩個襯底上施加電壓，由于襯底和納米管可以導電，所施加電壓主要集中在間距為L的空隙上、并導致該空隙中的氣體電離。
[0044]最后，將待測氣體流經納米管頂部的空隙區域，產生電離放電；通過檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，從而獲知待測氣體的元素組分。
[0045]實施例2
[0046]首先，在絕緣的藍寶石襯底上生長η型GaN薄膜，然后將GaN薄膜刻蝕出凹槽(該凹坑穿透薄膜)，并在凹槽側壁生長η型GaN納米線(如圖2所示納米線頂部間距為L)。
[0047]其次，在凹槽兩邊的GaN薄膜上施加電壓，由于薄膜和納米線可以導電，所施加電壓主要集中在間距為L的空隙上、并導致該空隙中的氣體電離。
[0048]最后，將待測氣體流經納米線頂部的空隙區域，該氣體電離放電、并輻射出含有特征譜線的光波，通過檢測光波的譜線可以獲知該氣體的元素組分。
[0049]最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。
【主權項】
1.一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:包括與電源組件連接的電離組件、光譜信號采集模塊和/或電流一電壓信號采集模塊；所述電離組件包括第一電極和第二電極，所述第一電極與所述第二電極之間具有空間間隙；所述第一電極包括至少一組與導電襯底電連接的納米陣列，所述第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底電連接的納米陣列。2.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置還包括控制模塊，所述控制模塊可以調節所述第一電極與所述第二電極之間空間間隙的大小。3.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述電源組件的輸出電壓可以調節。4.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米陣列是含有多根納米線或者納米管的陣列，納米線或者納米管的尖端的直徑在幾個納米至幾百個納米之間。5.根據權利要求4所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米線陣列包括錐形納米線、圓柱形納米線或梯形納米線中的一種或任幾種。6.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述光譜信號采集模塊是包含分光器件和光電探測器件的光譜儀；所述電流一電壓信號采集模塊是電流一電壓記錄儀。7.根據權利要求1?6任一所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述檢測裝置還包括用于對檢測信號進行分析處理并顯示分析結果的計算機。8.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述帶有導電外殼的光纖是在光纖的側壁鍍導電材料或套上導電外殼制成的；所述導電外殼的材料是金屬材料、碳纖維或石墨烯材料。9.根據權利要求1所述的一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測裝置，其特征在于:所述納米陣列的材料是具有高恪點的GaN納米材料、媽金屬材料或SiC納米材料。10.一種基于納米陣列電離放電效應的元素檢測方法，其特征在于包括以下步驟:將電離組件的第一電極與第二電極面對面放置，所述第一電極是與導電襯底電連接的納米陣列，所述第二電極是金屬針、帶有導電外殼的光纖或者與導電襯底電連接的納米陣列；然后將氣態待測物流經納米陣列，調整所述第一電極和所述第二電極之間空間間隙的大小；并在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓，使得納米陣列頂部區域的氣體電離放電；放電輻射的光波經過光學透鏡或光纖，進入光譜信號采集模塊；通過檢測電離放電所輻射的特征光譜或者檢測氣體電離放電所需的電壓和電流，可以獲知放電區域的元素組分。
【文檔編號】G01N21/67GK106066321SQ201510445809
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年7月27日 公開號201510445809.X, CN 106066321 A, CN 106066321A, CN 201510445809, CN-A-106066321, CN106066321 A, CN106066321A, CN201510445809, CN201510445809.X
【發明人】黃輝, 渠波, 趙丹娜, 宗楊, 呂瑞
【申請人】黃輝, 渠波, 趙丹娜