基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統及其應用該系統的檢測方法
2023-06-01 14:54:21 3
專利名稱：基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統及其應用該系統的檢測方法
技術領域：
本發明涉及氣體分子檢測方法，尤其是基於石墨烯和衰減全反射來確定待測環境是否存在待測氣體分子的方法。
背景技術：
石墨烯(graphene)是由碳原子構成的二維晶體，是其它碳材料同素異形體的基本構成單元。2004年,曼徹斯特大學Andre Geim教授領導的研究小組最先發現了石墨烯並立即引起了科學和工業界的廣泛關注，石墨烯的發現者更於2010年獲得了諾貝爾物理學獎。由於石墨烯具有極高的比表面積(2630m2/g)，因此對(氣體分子)具有非常好的吸附作用。
衰減全反射(ATR Attenuated Total Reflection)是一種物理光學現象。如圖I 所示，當入射光在稜鏡與金屬的界面上發生全反射時，會形成迅逝波進入金屬內部。當金屬和介質的界面滿足表面等離子波存在的條件時，由全反射耦合進金屬內部的迅逝波可以在金屬和介質的界面上激勵表面等離子波的傳輸，入射光大部分能量將耦合到表面等離子波中。這時，反射光強將急劇下降，形成一個吸收峰，非常靈敏而且易於觀測。
目前，基於石墨烯的氣體分子檢測方法已經見諸報導。具有代表性的方法是利用石墨烯在吸附氣體分子前後電導率/電阻的變化來判定是否有氣體分子附著在石墨烯表面。該方法靈敏度不高，而且需要在石墨烯薄膜上製作導電電極，工藝複雜，難以實現規模化生產。發明內容
為了克服現有方法靈敏度不高、工藝複雜的問題，本發明提出一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測方法，其工藝簡單，檢測的靈敏度明顯提高。
為達到以上目的，本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統，採用稜鏡、金屬薄膜、石墨烯薄膜構建衰減全反射系統，在稜鏡反射面上鍍金屬薄膜，然後在金屬薄膜上覆蓋石墨烯薄膜，該系統檢測方法具有如下步驟Ca)構建一個衰減全反射系統；(b)獲得該系統的工作曲線；(C)設置該系統的工作點；(d)將該系統置於待測環境；(e)觀測該系統的反射率是否發生改變，若改變則存在待測氣體分子，反之亦然。
本發明所述衰減全反射系統，能夠激勵表面等離子波在石墨烯薄膜與金屬薄膜的界面上傳輸；所述工作曲線是指反射光強與入射角度的關係曲線。
由於該衰減全發射系統的工作曲線下降沿具有線性好、斜率大的特點，因此，工作點選取於工作曲線下降沿最高點附近對應的位置時，當石墨烯薄膜吸附氣體分子後，石墨烯薄膜的介電常數變化將引起工作曲線的偏移，而任何微小的偏移都會產生反射率的明顯變化。利用這一方法，可實現氣體分子的檢測。
採用以上技術方案後，本發明的有益效果是工藝簡單，可提高檢測氣體分子的可靠性和靈敏度。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖I為本發明衰減全發射系統的結構示意圖。
圖2為圖I放大圖。
圖3為本發明該系統的檢測方法步驟圖。
圖4為本發明工作曲線示意圖。
圖3中I.石墨烯吸附氣體分子前工作曲線、2.石墨烯吸附氣體分子後工作曲線、3.石墨烯吸附氣體分子前工作點位置、4.石墨烯吸附氣體分子後工作點位置。
具體實施方式
根據圖I、圖2所示，本發明一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統， 採用稜鏡3、金屬薄膜2、石墨烯薄膜I構建衰減全反射系統，在稜鏡3反射面上鍍金屬薄膜 2，然後在金屬薄膜2上覆蓋石墨烯薄膜I。
根據圖3所示，該系統檢測方法具有如下步驟(a)構建一個衰減全反射系統採用稜鏡3、金屬薄膜2、石墨烯薄膜I構建衰減全反射系統，在稜鏡3反射面上鍍金屬薄膜2，然後在金屬薄膜2上覆蓋石墨烯薄膜I。
(b)獲取該衰減全反射系統石墨烯吸附氣體分子前的工作曲線I :即反射光強與入射角度的關係曲線。
(c)設置該系統的工作點選取該衰減全反射系統石墨烯吸附氣體分子前的工作點位置2，該工作點位於工作曲線I下降沿的最高點。該工作點對應一個工作點入射角，入射角以Qw表示。
(d)將該衰減全反射系統置於待測環境待測環境中含有待測氣體分子，待測分子附著在石墨烯薄膜I上，改變了石墨烯薄膜I的介電常數。
(e)觀測該衰減全反射系統的反射率。由於該衰減全反射系統放入待測環境後吸附了待測氣體分子，改變了石墨烯薄膜I的介電常數，從而引起工作曲線的偏移，成為石墨烯吸附氣體分子後工作曲線3，得到石墨烯吸附氣體分子後工作點位置4。可以觀測到，在相同的工作點入射角9￥處，由於工作曲線下降沿非常陡峭，工作點反射率的變化十分明顯。據此，可推斷待測環境含有待側氣體分子。觀測該系統的反射率是否發生改變，若改變則存在待測氣體分子，反之亦然。
本發明所述衰減全反射系統，能夠激勵表面等離子波在石墨烯薄膜I與金屬薄膜 2的界面上傳輸。
根據圖4所示，所述工作曲線是指反射光強與入射角度的關係曲線。所述工作點位於工作曲線的下降沿的某點。所述下降沿的某點，須滿足該點斜率的一階導數絕對值較4大，且二階導數絕對值較小的區域，一般取下降沿的最高點或下降沿的中部某點。
權利要求
1.一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統，其特徵在於採用稜鏡(3)、金屬薄膜(2)、石墨烯薄膜(I)構建衰減全反射系統，在稜鏡(3)反射面上鍍金屬薄膜(2)，然後在金屬薄膜(2)上覆蓋石墨烯薄膜(I)。
2.一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統及其應用該系統的檢測方法，其特徵在於該系統檢測方法具有如下步驟Ca)構建一個衰減全反射系統；(b)獲得該系統的工作曲線；(c)設置該系統的工作點；(d)將該系統置於待測環境；(e)觀測該系統的反射率是否發生改變，若改變則存在待測氣體分子，反之亦然。
3.根據權利要求I所述的一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測方法，其特徵在於所述衰減全反射系統，能夠激勵表面等離子波在石墨烯薄膜(I)與金屬薄膜(2)的界面上傳輸。
4.根據權利要求I所述的一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測方法，其特徵在於所述工作曲線是指反射光強與入射角度的關係曲線。
全文摘要
本發明涉及一種基於石墨烯和衰減全反射的氣體分子檢測系統及其應用該系統的檢測方法，其步驟是(a)構建一個衰減全反射系統；(b)獲得該系統的工作曲線；(c)設置該系統的工作點；(d)將該系統置於待測環境；(e)觀測該系統的反射率是否發生改變，若改變則存在待測氣體分子，反之亦然。該方法工藝簡單，檢測氣體分子的可靠性強和靈敏度高。
文檔編號G01N21/55GK102937582SQ201210435860
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者梁錚, 丁榮, 義理林, 倪振華 申請人:泰州巨納新能源有限公司