一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪及其检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪及其检测方法，包括气体输入通道、响应腔体、紫外二极管、MoTe2敏感层、微型金属电极、金线、显示屏、电流采样芯片和气体输出通道，MoTe2敏感层在紫外二极管激励下，产生电子‑空穴对，当有机气体丙酮吸附时，电子空穴对分离，大量的电子转移到丙酮分子上，导致电流大幅上升；其他有机气体吸附，只有少量空穴转移到有机气体分子上，引起的电流变化基本可以忽略，本发明专利技术对丙酮的高灵敏度，特异性选择，实现了丙酮在混合有机气体中的特异性检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪及其检测方法
本专利技术属于检测方法领域，特别是涉及一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪及其检测方法。
技术介绍
丙酮气体是肺癌，糖尿病，慢性肝病患者人体呼出气的生物检测分子，实现丙酮在人体呼出气中的定性、定量检测，在医学诊断方面具有重要的应用价值。目前临床使用的人体呼出气检测仪器均采用气相色谱法(GC)，该方法采用先分离后检测的分析方法，灵敏度高，选择性好，高效能，定性和定量精度高，但是由于该检测手段存在价格昂贵、仪器体积大和难以便携的缺点，限制了其应用前景。作为改进，出现了基于光电离子(PID)检测的便携式有机气体检测仪，其具有携带方便，灵敏度高的特点，但其检测极限很难达到人体呼出气ppm量级，而且不能实现对特定有机气体的选择性检测，很难应用于临床疾病的人体呼出气检测及预防。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪及其检测方法，该实现了对酮类气体，尤其是对丙酮气体的选择性、高灵敏度、稳定性检测。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，包括响应腔体，该响应腔体由腔室和位于腔室上方的上盖组成；在响应腔体上还设置有气体输入通道和气体输出通道；在响应腔体内部设置有紫外二极管、MoTe2敏感层和微型金属电极；微型金属电极设置在MoTe2敏感层的两端，并与电流采样芯片相连。所述的MoTe2敏感层采用化学气相沉积法在硅基底上原位生长，或者通过对MoTe2矿石机械剥离后，转移到硅基底上。所述的硅基底为p型单抛硅片，晶向为<100>，电阻率为9-10Ω·cm，厚度为490-510μm。所述的紫外二极管均匀设置在上盖的下表面上或者均匀设置在腔室四周的内壁上。所述的微型金属电极与电流采样芯片通过金线连接。所述的电流采样芯片上连接有显示屏。所述的微型金属电极采用离子溅射蒸镀法蒸镀在MoTe2敏感层上，该微型金属电极的材质为钛金合金或者金，厚度分别为20-40nm和50-70nm。所述的MoTe2敏感层的面积为(2-4)*(2-4)μm，厚度为5*-10nm。本专利技术的基于电荷转移的丙酮气体检测仪的检测方法：开启紫外二极管，电流采样芯片与MoTe2敏感层表面的微型金属电极连接，采样MoTe2敏感层基线电流的变化，并将数值显示在显示屏上，待基线电流稳定后，通入样品气体，样品气体通过气体输入通道运送到响应腔，实时检测获取电流变化值，将电流变化值与数据库数据进行对比后，选择出对应的样品气体的浓度值，显示在显示屏上，从而实现对样品气体中丙酮浓度的检测，检测完成后样品气体由气体输出通道排出，检测过程全程在紫外光照射下进行。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术利用二维材料MoTe2在紫外线照射下对丙酮敏感的特性，实现了丙酮在混合有机气体中的特异性检测；2、本专利技术的基于电荷转移的丙酮气体检测仪结合新型二维MoTe2纳米材料和微电子技术，实现了系统级芯片的集成，从而实现对丙酮气体的选择性、高灵敏度、稳定性检测；3、本专利技术的基于电荷转移的丙酮气体检测仪结构简单，灵敏度高，并设置有电子显示终端，将检测结果可视化，方便读取分析结果。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术响应腔体的腔室的内部结构示意图；图3为本专利技术响应腔体的上盖的内部结构示意图；图4为丙酮气体检测原理图；图5为检测芯片丙酮气体选择性检测达成图；图6为检测芯片在不同湿度条件下丙酮气体检测达成图；图7为MoTe2敏感层的透射电子显微镜照片；其中：1、气体输入通道；2、响应腔体；2-1、腔室；2-2、上盖；3、紫外二极管；4、MoTe2敏感层；5、微型金属电极；6、金线；7、电流采样芯片；8、显示屏；9、气体输出通道。具体实施方式下面结合附图与具体的实施方式对本专利技术作进一步详细描述。需要说明的是：下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本专利技术的保护范围。MoTe2材料从南京先丰纳米材料科技有限公司购入。参见图1至图7所示的本专利技术一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪的具体实施例，可以看出，本专利技术包括气体输入通道1、响应腔体2、紫外二极管3、MoTe2敏感层4、微型金属电极5、金线6、显示屏7、电流采样芯片8和气体输出通道9。所述的响应腔体2中空的长方体结构，由腔室2-1和位于腔室2-1上方的上盖2-2组成，该响应腔体2内部设置有紫外二极管3、MoTe2敏感层4和微型金属电极5，所述的微型金属电极5对称分布于所述MoTe2敏感层4的横向两侧，所述的气体输入通道1和气体输出通道9设置在响应腔体2上，所述的微型金属电极5通过所述的金线6与所述的电流采样芯片7一端连接，所述的电流采样芯片7的另一端连接有显示屏8。所述的紫外二极管3(即紫外发光二极管，紫外光电二极管)均匀设置在上盖2-2的下表面上，如两行，每行3个；或者均匀设置在腔室四周的内壁上。所述的微型金属电极5采用离子溅射蒸镀法蒸镀在MoTe2敏感层4上，微型金属电极5的材质为钛金合金或者金，厚度分别为30nm和60nm。所述的MoTe2敏感层4可以采用化学气相沉积(CVD)法在硅基底上原位生长，具体参见2017年1月19日发表于《ADVANCEDFUNCTIONALMATERIALS》第27卷第3期名为“RoleofMolecularSievesintheCVDSynthesisofLarge-Area2DMoTe2”的文章，如将MoO3前体和Te粉末置于Al2O3熔炉中，通入Ar气后在500℃加热10min；然后升温到650℃，通入氢气，保持15分钟。或者将购入MoTe2矿石机械剥离后，转移到硅基底上。。所述的MoTe2敏感层4的面积为3*3μm。所述的硅基底为p型单抛硅片，晶向为<100>，电阻率为10Ω·cm，厚度为500μm。参见图4所示的本专利技术检测丙酮气体的工作原理：MoTe2敏感层在紫外二极管发出的紫外光的激励下，产生电子-空穴对，当有机气体丙酮吸附时，电子空穴对分离，大量的电子转移到丙酮分子上，由于MoTe2材料空穴为主要载流子，从而导致空穴浓度增大，导致电流大幅上升；其他气体吸附时，只有少量空穴转移到其他有机气体上，导致空穴浓度减小，但减小的程度相对于丙酮，可以忽略不计，实现了丙酮分子的特异性检测。参见图5所示的检测芯片丙酮气体选择性检测达成图：该气体传感测试均是在连续UV下照射下进行的，由图3可以看出通入丙酮气体，响应为正向响应，且灵敏度很大，达50％以上；其他气体通入时，响应为负向响应，相对于丙酮灵敏度小。本专利技术对丙酮的高灵敏度，特异性选择，实现了丙酮在混合有机气体中的特异性检测。参见图6所示的检测芯片在不同湿度条件下丙酮气体检测达成图：人体呼出气相对湿度为90％，不同湿度条件下，丙酮的响应基本保持一致，实现了不同湿度条件下丙酮气体的稳定检测。下面结合附图对本专利技术的基于电荷转移的丙酮气体检测仪的使用方法进行详细说明：电流采样芯片7与MoTe2敏感层4表面的微型金属电极5连接，采样MoTe2敏感层4基线电流的变化，并将数值显示在显示屏8上，待基线电流稳定后，通入样品气体(人体呼出气)，样品气体通过气体输入通道1运送到响应腔2，实时检测获取电流变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：包括响应腔体，该响应腔体由腔室和位于腔室上方的上盖组成；在响应腔体上还设置有气体输入通道和气体输出通道；在响应腔体内部设置有紫外二极管、MoTe2敏感层和微型金属电极；微型金属电极设置在MoTe2敏感层的两端，并与电流采样芯片相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：包括响应腔体，该响应腔体由腔室和位于腔室上方的上盖组成；在响应腔体上还设置有气体输入通道和气体输出通道；在响应腔体内部设置有紫外二极管、MoTe2敏感层和微型金属电极；微型金属电极设置在MoTe2敏感层的两端，并与电流采样芯片相连。2.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：所述的MoTe2敏感层采用化学气相沉积法在硅基底上原位生长，或者通过对MoTe2矿石机械剥离后，转移到基底上。3.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：所述的紫外二极管均匀设置在上盖的下表面上或者均匀设置在腔室四周的内壁上。4.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：所述的微型金属电极与电流采样芯片通过金线连接。5.根据权利要求1所述的一种基于电荷转移的丙酮气体检测仪，其特征在于：所述的电流采样芯片上连接有显示屏。6.根据权利要求1所述的一种基于电荷转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张代化，武恩秀，解媛，郑世俊，冯志宏，陈建翠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12