CN106840415B - 利用红外激发分子的脱附现象来实现红外探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用红外激发分子的脱附现象来实现红外探测的方法，包括以下步骤：在微纳米结构表面吸附化学分子；外加红外信号于微纳米结构表面，使微纳米结构表面所吸附的化学分子在红外信号的激发下从微纳米结构表面脱附；微纳米结构由于分子脱附而产生物理性能的变化，通过仪器检测微纳米结构物理性能的变化，从而实现对外加红外信号的检测。由于在外加红外信号作用下，吸附于微纳米结构表面的化学分子因吸收红外信号导致温度升高而从微纳米结构表面脱附，造成该微纳米结构的光、电、磁等物理性能发生改变，从而利用该现象可实现对红外信号的探测。与现有的红外探测技术相比，本发明具有灵敏度高，反馈信号容易分析等优点。

Description

利用红外激发分子的脱附现象来实现红外探测的方法

技术领域

本发明属于传感探测领域，尤其是涉及一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法。

背景技术

红外线是波长介于可见光和微波之间的电磁波。所有温度高于绝对零度的物体都会发射出红外光，由于红外探测技术的非破坏性以及其所揭示的独特信息，决定了这一技术在工业生产过程的监督、医疗诊断以及军事上的重要性和广泛应用。

红外探测技术一般分为两种：制冷型以及非制冷型红外探测技术。制冷型红外探测一般基于光电以及光伏技术，但需要额外的制冷，所以其价格都比较高且外形笨重，这大大限制了它的广泛应用。非制冷型红外探测技术不需要低温冷却，一般原理是：当探测材料吸收红外光后，会引起探测材料温度升高从而诱导该材料产生一些容易检测的物理变化实现对红外光的探测。近些年来，在非制冷型红外探测领域提出了很多设计，其中包括测辐射热计、红外热释电探测器、热电堆探测器、光机械微悬臂梁探测器等。虽然非制冷型红外探测技术已经有了突飞猛进的提升，但仍然在空间分辨率以及响应时间方面与制冷型探测器相去甚远。

寻求新的高效非制冷型红外探测机制及材料迫在眉睫。众所周知，很多化学分子由于自身的化学键构成在红外波段有很强的吸收，故红外信号可以使吸附的化学分子由于温度升高从微纳米结构表面发生脱附。这种表面脱附现象会造成该微纳米结构所具有的光、电、磁性能发生相应改变，从而可以将红外信号转化为其它容易测量的信号，实现对其的探测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用红外激发分子的脱附现象来实现红外探测的方法。

本发明利用表面吸附有化学分子的微纳米结构在红外信号的激发下发生分子脱附，导致微纳米结构的物理性能发生变化从而实现对红外信号的探测。该方法具有灵敏度高、反馈信号容易分析等优点，可在红外信号探测以及成像等领域进行广泛应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，该方法包括以下步骤：

(1)在微纳米结构表面吸附化学分子；

(2)当没有外加红外信号时，化学分子会保持在微纳米结构上的吸附状态，而当外加红外信号时，所吸附的化学分子由于温度升高而从微纳米结构表面脱附，通过外加红外信号于微纳米结构表面，使微纳米结构表面所吸附的化学分子在红外信号的激发下从微纳米结构表面脱附；

(3)微纳米结构由于分子脱附而产生物理性能的变化，通过仪器检测微纳米结构物理性能的变化，从而实现对外加红外信号的检测。

所述的微纳米结构包括人工方法得到的微纳米结构和自然得到的微纳米结构。

所述的微纳米结构为具有微纳米尺寸的结构，包括点阵结构、多层膜结构或三维多级复合结构等。

所述的微纳米结构包括一维微纳米结构、二维微纳米结构以及三维微纳米结构。

所述吸附包括表面化学吸附以及表面物理吸附。

对于表面化学吸附，所采用的微纳米结构表面应有与化学分子反应的位点。当微纳米结构处于含有化学分子的气氛中或溶液中时，表面位点与化学分子两者会形成化学键，从而形成表面化学吸附；对于表面物理吸附，是由材料表面与化学分子之间的分子间作用力即范德华力所造成的。该力存在于任意的两种分子之间，所以物理吸附可以发生在任意的固体表面。当微纳米结构处于含有化学分子的环境中时，其表面或多或少的都会对化学分子产生物理吸附。

所述的化学分子包括无机分子、有机分子以及生物大分子；

无机分子可以选择水、二氧化碳、氨气、及氢气等；有机分子可以选择甲醇、乙醇、丙醇等醇类，也可以选择酚类，醛类等；生物大分子可以选择蛋白质、多肽、糖类、核酸等。

对外加红外信号的检测包括对外加红外信号的检测以及外加红外信号的成像。

微纳米结构物理性能的变化包括光、电、磁等性能以及体积或形状的变化。

微纳米结构在化学分子脱附时所产生的变化与微纳米结构和化学分子的具体选择有关。对于体积或形状的变化，这里举一具体事例，譬如选择由吸湿材料构成的微纳米结构，水分子作为化学分子，当吸湿材料吸收水分后，其体积或者形状就会发生变化，该现象有很多文献报道过。当水分子在外加红外信号作用下从这类微纳米结构上脱附时，该结构的体积或形状就会回复到没吸水之前的状态，从而产生体积或形状的变化。

微纳米结构的光性能变化为光信号强度变化或光波波长位移变化，其中光信号指反射光信号、吸收光信号或透射光信号，光信号范围包括紫外光、可见光、红外光或微波。

本发明所选取的微纳米结构可以为具有光子带隙结构的光子晶体材料，当结构表面吸附化学分子后，所吸附的化学分子会影响原结构与光的相互作用，当吸附分子在外加红外信号作用下从微纳米结构上脱附后，该结构的光学性能会发生变化回复到原来的性能。

配合本发明技术方案，常用的光信号检测仪器为光谱仪，可以检测物质或材料从紫外到红外波段的反射、透射、及吸收光谱。此外，对于拉曼及荧光光谱也可用相应的拉曼光谱仪或荧光光谱仪进行检测。

微纳米结构的电性能变化为电压、电流、电阻或电容的变化。

微纳米结构物理性能的变化与微纳米结构和化学分子的具体选择有关。比如半导体材料随着分子的吸附或者脱附而产生能级的变化从而导致其电阻发生改变。由于电压、电流和电阻三者彼此相关，取决于测量方式，当外加红外信号产生化学分子脱附，所引起的材料电阻变化也可以以电流及电压信号的变化表现出来。同样对于电容变化，如果将微纳米材料作为电容器，当化学分子从微纳米结构上脱附时，等效于在电容器内部的电介质发生改变，这必定会改变电容器的电容。

对于电压测量可以使用电压表，对于电流测量可以使用电流表，对于电阻测量可以使用电阻测试仪。对于电容测量，也有很多方法，譬如利用万用表的电容档就可以对其进行测量。

微纳米结构的磁性能变化为磁场强度或方向的改变。

微纳米结构物理性能的变化与微纳米结构和化学分子的具体选择有关。如果微纳米结构为由吸湿材料与具有磁性的材料所复合而成的材料，当吸湿材料吸附水时发生形状变化，这必定会影响材料整体形状发生改变，从而改变其磁性能，取决于材料设计，该磁性能的变化可以为磁场强度或方向的改变。

测量磁场强度或方向的仪器可以为磁通计、磁强计以及磁位计等。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)与已报导的非制冷型红外探测机制相比，本发明为红外探测灵敏度以及响应速度的提高提供了可能。

(2)通过微纳米结构的使用为进一步提高红外探测体系的空间分辨率提供了可能。由于微纳米结构与普通结构相比，具有更大的表面积、更多的吸附位点，这就为更多的化学分子吸附、脱附提供了可能。在化学分子脱附时，更多的化学分子脱附能产生更大的信号变化，因而相较于普通结构，微纳米结构在红外探测的灵敏度方面具有很大优势。此外，微纳米结构的特性也为提高红外探测的响应速率和空间分辨率提供了可能，尺寸越小，响应速率越快，空间分辨率越高。

(3)本发明可以通过调控吸附分子的种类以及数量，优化体系传感与探测性能。本发明通过吸附分子与红外光的相互作用发生表面脱附的现象来实现对红外光的探测。如果选择的吸附分子与红外光没有相互作用或者很弱，则在红外光照射下，吸附分子的脱附较弱，则红外探测的灵敏度也较弱；如果吸附分子可以很好的吸收红外能量并脱附，则有利于红外探测。另外，较多的分子从微纳米材料表面的吸附、脱附也会产生较强的信号变化，影响探测灵敏度。但是过多的分子在表面上的吸脱附则涉及到复杂的物理化学现象，导致信号分析复杂化，因而对于不同的体系可以通过调控吸附分子的种类以及数量来优化体系传感与探测性能。

(4)本发明通过选择不同微纳米结构，利用吸附分子的红外脱附现象，将不可见的红外信号转换为其它光、电或磁等容易测量的信号，实现探测***的简化。

附图说明

图1为红外激发分子脱附的原理图；

图2(a)为红外探测的示意图，以自然界获得的具有微纳米结构的闪蝶翅膀为例；(b)原始蝶翅的光学图片；(c)蝶翅横截面的扫描电镜图；

图3为表面吸附有水分子(a)以及无吸附分子(b)的蝶翅的红外响应图；

具体实施方式

一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)在微纳米结构表面吸附化学分子；

(2)外加红外信号于微纳米结构表面，使微纳米结构表面所吸附的化学分子在红外信号的激发下从微纳米结构表面脱附；

(3)微纳米结构由于分子脱附而产生物理性能的变化，通过仪器检测微纳米结构物理性能的变化，从而实现对外加红外信号的检测。

所述的微纳米结构包括人工方法得到的微纳米结构和自然得到的微纳米结构。所述的微纳米结构为具有微纳米尺寸的结构，包括点阵结构、多层膜结构或三维多级复合结构等。所述的微纳米结构包括一维微纳米结构、二维微纳米结构以及三维微纳米结构。

所述吸附包括表面化学吸附以及表面物理吸附。所述的化学分子包括无机分子、有机分子以及生物大分子。

对外加红外信号的检测包括对外加红外信号的检测以及外加红外信号的成像。

微纳米结构物理性能的变化包括光、电、磁等性能以及体积或形状的变化。微纳米结构的光性能变化为光信号强度变化或光波波长位移变化，其中光信号指反射光信号、吸收光信号或透射光信号，光信号范围包括紫外光、可见光、红外光或微波。微纳米结构的电性能变化为电压、电流、电阻或电容的变化。微纳米结构的磁性能变化为磁场强度或方向的改变。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

由于闪蝶蝶翅具有绚丽的结构色，而该结构色是由其精细的三维微纳米结构所造成的。如图2(a)将原始蝶翅贴在容器的底部，容器的底部材料为氟化钙，水蒸气从蝶翅上方内流过并吸附于蝶翅微纳米结构表面。外加红外信号通过容器底部照射到蝶翅背部，由于外加的红外信号与吸附的水分子相互作用，使水分子温度升高而从蝶翅表面脱附，使得蝶翅的反射光谱发生改变，从而将不可见的红外信号转化为可见光信号，利用紫外-可见光谱仪来观察蝶翅反射光谱的变化，实现对红外信号的灵敏探测。响应结果如图3(a)所示，其反射光强度在红外信号作用下剧烈上升。

比较例1

选取在氮气气氛下闪蝶翅膀作为比较例，同样进行红外信号探测实验，响应结果如图3(b)所示，由于蝶翅表面对氮气吸附很少，因而其反射光在红外信号作用下只有稍微的强度下降。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)在微纳米结构表面吸附化学分子；

(2)外加红外信号于微纳米结构表面，使微纳米结构表面所吸附的化学分子在红外信号的激发下从微纳米结构表面脱附；

(3)微纳米结构由于表面分子脱附而产生物理性能的变化，通过仪器检测微纳米结构物理性能的变化，从而实现对外加红外信号的检测；

所述吸附为表面化学吸附或表面物理吸附；

微纳米结构物理性能的变化为光性能变化、电性能变化、磁性能变化、体积变化或形状变化。

2.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，所述的微纳米结构为人工方法得到的微纳米结构或自然得到的微纳米结构。

3.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，所述的微纳米结构为具有微纳米尺寸的结构，包括点阵结构、多层膜结构或三维多级复合结构。

4.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，所述的微纳米结构为一维微纳米结构、二维微纳米结构或三维微纳米结构。

5.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，所述的化学分子为无机分子、有机分子或生物大分子。

6.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，微纳米结构的光性能变化为光信号强度变化或光波波长位移变化，其中光信号指反射光信号、吸收光信号或透射光信号，光信号范围包括紫外光、可见光、红外光或微波。

7.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，微纳米结构的电性能变化为电压、电流、电阻或电容的变化。

8.根据权利要求1所述的一种利用红外激发分子从微纳米结构表面的脱附现象来实现红外探测的方法，其特征在于，微纳米结构的磁性能变化为磁场强度或方向的改变。