[发明专利]一种光波导气敏器件、其制备方法、测量系统和化学气体检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量系统和气体检测方法，特别是涉及一种基于光波导气敏器件的测量系统和气体检测方法。

背景技术

气体传感器在日常生活中的各行各业有着重要的作用，能够广泛的用于环境监测、生产过程监控、气体成份分析及气体泄漏报警等领域。目前常用的气体传感器按原理主要分为电学类、光学类、电化学类等几大类。其中光纤传感器是上世纪80年代后期发展起来的、目前比较成熟的一项光学检测技术，这项技术利用光纤中光的强度、相位、偏振等性质随着外界的一系列物理量诸如温度、压力、浓度的变化而改变的特性来实现检测的目的。这项技术具有灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、抗腐蚀性强等优点，已经在科研、工业、环境、医疗、军事等很多方面得到了重要的应用。

中国专利公开号为1396445A、名称为“双面金属波导测量方法及其装置”的文献中公开了一种检测装置，其利用双面包覆波导作为传感元件来实现对导波层介质成分的测量。这种波导检测装置通过棱镜等耦合器件，将激光从外面耦合进入传感器探测腔，利用金属包覆层的优良性质实现探测。但是，由于采用了棱镜结构，使得器件的小型化变得困难。同时，这类传感器一般采用分布反馈式(DFB)激光器作为激发源，价格昂贵，系统成本高。而且这类检测器的探测原理通常为导波层介质折射率的变化，这使得测量对样品不具有选择性，不能作为气体分析仪器使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于聚合物或有机小分子的新型有机光波导气敏器件。有机纳米材料拥有良好的掺杂性质、高的反应活性、易于加工性、发光量子产率高等优点，这些优点使得聚合物或有机小分子光波导气敏器件在化学气体传感方面有着明显的优势；同时，这类光波导材料激发时无需耦合器件，入射光可在任意角度处入射到纳米材料上，从而利用波导高阶模灵敏度高的优良特性，实现对样品的选择性探测，进一步降低成本、同时提高仪器的灵敏度。

本发明的另一个目的在于提供上述光波导气敏器件的制备方法。

本发明的再一个目的在于提供包含上述光波导气敏器件的测量系统。

本发明的再一个目的在于提供使用上述测量系统的检测挥发性有机气体的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于自由空间耦合的光波导气敏器件，其特征在于，所述器件包括带有两个小孔的上层光学玻璃片(两个小孔分别用作进气口和出气口)、气室壁、气体敏感层(材料或结构)、下层光学玻璃片，其中，上层光学玻璃片、气室壁和下层光学玻璃片形成气室。

根据本发明，所述气室壁垂直于上层玻璃片和下层玻璃片。

根据本发明，所述光波导气敏器件为长方体或正方体结构。其中有4面为气室壁。

根据本发明，所述气体敏感层至于下层光学玻璃片上。

根据本发明，所述器件还包括平台，下层光学玻璃片、气体敏感层、气室壁和上层光学玻璃片从下向上依次顺序放置在平台上。

根据本发明，所述气体敏感层和气室构成波导器件。

根据本发明，所述气体敏感层又可以称之为气体敏感材料或者气体敏感结构或者气体敏感的波导结构。

根据本发明，所述气体敏感层通过用光纤或透镜耦合光束至纳米光波导材料或纳米光波导复合材料制得。

根据本发明，所述纳米光波导材料为核壳纳米线，所述纳米线以有机小分子或聚合物作为反应前驱体，在溶液条件下用不同方法如溶液滴铸法、电纺丝法、再沉淀法、溶胶-凝胶法等进行反应制备得到。

根据本发明，所述纳米光波导复合材料为核壳纳米线，所述纳米线以有机小分子或聚合物作为反应前驱体，再掺杂对待检测物质敏感的材料(例如对过氧化氢敏感的双(2,4,5–三氯水杨酸正代酯)草酸酯(CPPO)材料)，在溶液条件下用不同方法如溶液滴铸法、电纺丝法、再沉淀法、溶胶-凝胶法等进行反应制备得到。

本发明还提供如下技术方案：

一种制备上述的光波导气敏器件的方法，其中，包括如下制备所述气体敏感层的步骤：

a.纳米光波导材料的制备：以有机小分子或聚合物作为反应前驱体，在溶液条件下用不同方法如溶液滴铸法、电纺丝法、再沉淀法、溶胶-凝胶法等进行反应制备波导材料；或者在上述的制备过程中掺杂对待检测物质敏感的材料(例如对过氧化氢敏感的双(2,4,5–三氯水杨酸正代酯)草酸酯(CPPO)材料)制备复合波导材料，该复合波导材料能够对待检测物质产生特异性响应，从而具有选择性气体传感的功能；