[发明专利]一种基于石墨烯阵列结构的中红外分子振动谱传感方法

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯阵列结构的中红外分子振动谱传感方法。

背景技术

中红外分子振动谱广泛应用于化合物分子结构的测定、未知物鉴定以及混合成分分析，是传感识别物质性质和特征的重要参数，也被称为分子振动指纹。目前，采用红外光谱仪可以获得分子振动谱，但是红外光谱仪复杂、价格昂贵。

发明内容

针对红外光谱仪复杂、价格昂贵的问题，本发明提供一种成本低且易于实施的基于石墨烯阵列结构的中红外分子振动谱传感方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于石墨烯阵列结构的中红外分子振动谱传感方法，包括以下步骤：

A.提供中红外频段场与物质相互作用的石墨烯阵列结构，由石墨烯周期阵列附着于基底介质层上构成，被中红外平行波束垂直照射；

B1.对于液态化学物质的检测，在石墨烯阵列结构上覆盖一层待测样品；

B2.对于气态化学物质的检测，将石墨烯阵列结构放置于一个封闭的腔体中，通入待测气体；

C.波长可调的中红外光源通过透镜变换为平行波束，垂直照射激励石墨烯阵列结构，采用检测阵列检测，得到表征待测样品分子振动特征的传输谱，以此获得分子振动谱。

进一步地，步骤A中，通过调节化学势所述的石墨烯阵列结构传输系数具有宽带的传输谱，覆盖特定待测样品在中红外频段范围内的分子振动谱，并与中红外频段分子振动形成耦合共振增强。采用石墨烯的原因是在红外和太赫兹频段，石墨烯的介电常数为负值，能够形成表面等离子谐振模，并且通过调节化学势可平滑的改变谐振频率，从而有选择性的增强场与物质的相互作用；将石墨烯带排列为阵列结构的目的是增强透射。

进一步地，步骤B2中，所述封闭的腔体不吸收电磁波，由石英等透波材料构成，起到封闭气体的作用，但不影响电磁波的透射。

本发明利用附着于石墨烯阵列结构的待测样品与局域场相互作用，引起石墨烯阵列结构宽带传输谱与待测样品分子振动谱形成耦合共振增强，从而实现分子振动谱检测，有利于发展简易、实时的分子振动谱测量仪器。

附图说明

图1为检测模型示意图；

图2为检测模型横截面；

图3为石墨烯介电常数与波长的关系；

图4为中红外频段乙酸酐液体分子振动谱；

图5为在有/无样品覆盖的情况下模拟检测阵列得到的测量结果；

图6为样品覆盖厚度对检测结果的影响。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于石墨烯阵列结构的中红外分子振动谱传感方法，包括以下步骤：

A.提供中红外频段场与物质相互作用的石墨烯阵列结构，如图1和图2所示，由石墨烯周期阵列1附着于基底介质层2上构成，被中红外平行波束垂直照射；基底材料为二氧化硅，折射率为n＝1.45；石墨烯带厚度为t＝1nm，宽度w＝0.25μm，周期p＝0.5μm；石墨烯带的介电常数为ε＝1+iσ/ε₀ωt，其中σ＝σ_intra+σ_inter为电导率，σ_intra和σ_inter分别带间和带内的贡献；根据Kubo公式：

式中，T为温度，Γ载流子迁移率，μ为化学势，为普朗克常数；取温度为室温，设置T＝300×k_B，k_B为玻尔兹曼常数，Γ＝0.1meV，μ＝0.3eV，得到石墨烯介电常数与频率的关系如图3所示。可以看出，在中红外3-50μm,其介电常数实部为负，而虚部(损耗)较小。

B1.对于液态化学物质的检测，待测样品3为乙酸酐液体，覆盖于石墨烯阵列结构上，用厚度来表示覆盖量，取厚度h＝1μm，中红外频段乙酸酐分子吸收系数与频率的关系如图4所示，源于分子振动，也被称为分子振动谱；

B2.对于气态化学物质的检测，将石墨烯阵列结构放置于一个封闭的腔体4中，通入待测气体，所述封闭的腔体4不吸收电磁波；