[发明专利]基于PCF和CNTs-AgNPs复合结构的气体传感器及气体浓度检测方法

说明书

本发明公开了一种基于PCF和CNTs‑AgNPs复合结构的气体传感器及气体浓度检测方法，气体传感器包括中空光子晶体光纤和设置于中空光子晶体光纤内壁的碳纳米管‑银纳米粒子复合层，所述中空光子晶体光纤的内腔作为待测气体的容纳腔且中空光子晶体光纤一端同时作为激励光的输入端和拉曼光的输出端；能够对拉曼散射信号收集效率的提高和信号强度的增强；并且机构简单紧凑，使用携带方便，检测精度高；同时，碳纳米管作为天然内标物，实现对气体浓度的自标定。

技术领域

本发明涉及气体检测领域，具体涉及一种基于PCF和CNTs-AgNPs复合结构的气体传感器及气体浓度检测方法。

背景技术

现有的气体传感技术主要有电化学法、色谱法、吸收光谱法和散射光谱法等几个大类。其中电化学传感方法用气敏化学材料制成传感元件、加上电极，通过测量回路中的电压、电流或电阻值获取被测气体信息。该方法最大优点是价格便宜，但是它具有很多缺点：①探测的气体浓度范围小；②准确性受到温度和压强变化的影响；③每种传感测量种类单一、灵敏度不高；④响应速度慢(通常在30-60s数量级)；⑤寿命短，需要经常更换。气相色谱仪可实现高精度的气体分析，但它是实验室专用分析仪器，测量特别耗时，无法用于在线监测，且检测不同气体需要准备专用洗脱柱。这些缺点使它们不适合长期在线大气污染监测。吸收光谱法是气体传感领域的研究重点，也是国标推荐的主要方法。大气污染物的吸收光谱覆盖了紫外-可见-近红外-红外等区域，有些大分子的VOCs(挥发性有机物)污染物的指纹谱线甚至位于太赫兹波段，对这些污染物进行多组分检测的难度很大。激光拉曼散射光谱法是一种有可能实现痕量、多种类、快速气体检测的方法；但现有拉曼光谱仪多数不是为现场气体监测设计，有如下两个缺点：①拉曼散射截面小、散射信号极其微弱(为瑞利散射的10^-6倍)；此外，气体的体积摩尔浓度很低，参与散射的分子少；同时，气体拉曼散射光分散在4π空间、收集非常困难；这些因素导致气体拉曼散射测量的光能利用效率低、探测灵敏度低，检测限达不到大气污染监测的要求。②大型拉曼光谱仪体积大、有光栅转动部件、使用环境要求高不适合现场监测；常见的小型拉曼光谱仪受光栅色散性能和探测器像元数量的限制，单光栅只能做到2000cm^-1以内的探测范围，不覆盖大气污染监测所需要的0-4000cm^-1测量范围。

而针对拉曼散射信号微弱的问题，通常可以从提高激励光强度、提高拉曼光收集效率和增强拉曼散射信号三个环节入手。但提高激光器功率的同时，体积、能耗、价格均相应增加，功率过大的激光还有可能烧坏被测气体有机物分子，影响测量准确性。

因此，为解决以上问题，需要一种基于PCF和CNTs-AgNPs复合结构的气体传感器及气体浓度检测方法，能够对拉曼散射信号收集效率的提高和信号强度的增强；并且机构简单紧凑，使用携带方便，检测精度高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于PCF和CNTs-AgNPs复合结构的气体传感器及气体浓度检测方法，能够对拉曼散射信号收集效率的提高和信号强度的增强；并且结构简单紧凑，使用携带方便，检测精度高。

本发明的基于PCF和CNTs-AgNPs复合结构的气体传感器包括中空光子晶体光纤和设置于中空光子晶体光纤内壁的碳纳米管-银纳米粒子复合层，所述中空光子晶体光纤的内腔作为待测气体的容纳腔且中空光子晶体光纤一端同时作为激励光的输入端和拉曼光的输出端。

进一步，所述碳纳米管-银纳米粒子复合层通过下列方法设置于中空光子晶体光纤的内壁：

(1)采用化学还原法制备CNTs-AgNPs混合液；

(2)用带正电荷的聚烯丙胺盐酸盐溶液对自带负表面电荷的中空光子晶体光纤内壁进行官能化，使被吸附在中空光子晶体光纤内壁的聚烯丙胺盐酸盐形成银纳米颗粒的自组装位点；

(3)采用被动负压的方法将步骤(1)中的CNTs-AgNPs混合液填充到中空光子晶体光纤。