一种用于检测乙醇蒸汽的光学微纳结构的制备方法及其应用

本发明涉及分子检测，更具体地，涉及一种用于检测乙醇蒸汽的光学微纳结构的制备方法及其应用。

背景技术：

1、挥发性有机物，包括乙醇蒸汽，是在室温室压下极易转化为气态的化合物总称。这类化合物往往源于人们的工业生产和日常生活，因此它们可以作为标记物来监测这些活动或人体健康状况。所以，快速且高灵敏度的挥发性有机物传感器在自然环境保护、工业安全生产和健康检测等领域中具有重要价值。

2、传统的挥发性有机物传感器依赖于气相色谱和质谱联用仪器，虽然其灵敏度高、探测范围广，但这类仪器价格昂贵，体型庞大，使得它们不适合现场即时检测。基于电信号或电化学信号的传感器虽然发展迅速并被广泛应用，但它们通常需要在较高的运行温度下工作，在检测易燃的挥发性有机物时会增加火灾风险，因此需要额外的加热和隔热设备，这又与传感器小型化、集成化的需求背道而驰。

3、美国专利：us09329154b1 devices and methods to detect and quantify trace gases提出一种检测和定量痕量气体的便携式装置，但是所述便携式装置检测的选择性不高，且检测的气体浓度最低仅可到400ppm，灵敏度不佳。光学挥发性有机物传感器成为了一种具有广阔应用前景的解决方案。这种传感器可以分为两类：一类是利用挥发性有机物的分子光谱来检测，例如表面增强拉曼光谱技术，这类传感器通过测量分子特有的振动光谱来检测有机物分子的存在及其浓度，虽然分子信号较弱，但金属纳米结构可以增强信号，然而，这类传感器装置较为复杂，且信号容易受到外界干扰，不利于现场检测；另一种方法是利用光学透射测量方法，此类方法装置简单，但探测灵敏度较低。

4、因此，设计一种基于光学透射测量方法的成本低、灵敏度高、反应快和选择性高的挥发性有机物传感器成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有挥发性有机物传感器制备成本高、灵敏度低和选择性不高的问题，提供一种用于检测乙醇蒸汽的光学微纳结构的制备方法及其应用。

2、本发明的第一个目的是提供一种用于乙醇蒸汽传感的光学微纳结构的制备方法。

3、本发明的第二个目的是提供一种光学微纳结构。

4、本发明的第三个目的是提供一套检测乙醇蒸汽的系统。

5、本发明的第四个目的是提供一种检测乙醇蒸汽中乙醇浓度的方法。

6、为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：

7、一种用于乙醇蒸汽传感的光学微纳结构的制备方法，包括以下步骤：

8、s1.聚苯乙烯微球通过气液面自组装法，在芯片基板上自组装形成阵列层后，去除液体，得到带有聚苯乙烯微球阵列层的芯片基板，所述芯片基板为平整透明玻璃；

9、s2.带有聚苯乙烯微球阵列层的芯片基板，依次进行反应离子刻蚀和金沉积之后，去除聚苯乙烯微球，制备得到金纳米孔阵列芯片；

10、s3.制得的金纳米孔阵列芯片置于zif-8生长液中，充分反应使金纳米孔上方覆盖zif-8材料后洗涤，所述zif-8生长液中含有摩尔比为1～2:1～4的2-甲基咪唑与二价锌；

11、s4.重复步骤s3两到三次，制备得到光学微纳结构。

12、优选地，步骤s1中所述芯片基板为硅酸盐玻璃、石英玻璃、氧化铝玻璃或氧化铟锡导电玻璃中的一种。

13、优选地，步骤s1中所述芯片基板的前处理方式为：将芯片基板置于氨水、过氧化氢和去离子水的混合溶液中加热处理10～20分钟。

14、更优选地，所述氨水、过氧化氢和去离子水的混合体积比为1:0.5～1.5:4～6。

15、最优选地，所述氨水、过氧化氢和去离子水的混合体积比为1:1:5。

16、进一步最优选地，所述过氧化氢为体积分数为30％的过氧化氢水溶液。

17、进一步更优选地，所述加热处理的温度为70～80℃。

18、最优选地，所述芯片基板的前处理方式还包括对加热处理后的芯片基板进行氮气吹干处理。

19、优选地，步骤s1中，所述气液面自组装法的具体步骤为：将聚苯乙烯微球、乙醇和去离子水混匀，制得含聚苯乙烯微球的混合液，在芯片基板上旋涂所述混合液或将芯片基板倾斜放入所述混合液中。

20、更优选地，所述混合液中乙醇和去离子水的体积比为1～2:1～2。

21、最优选地，所述混合液中乙醇和去离子水的体积比为1:1。

22、具体地，所述混合液中聚苯乙烯微球直径约为800nm。

23、优选地，步骤s2中所述的金沉积厚度为50～90nm。

24、更优选地，步骤s2中所述的金沉积厚度为70nm。

25、优选地，步骤s2中先进行金属铬或金属钛沉积，再进行金沉积，所述金属铬或金属钛沉积的厚度为1～3nm。

26、更优选地，所述金属铬或金属钛沉积的厚度为3nm。

27、优选地，步骤s2中，依次进行反应离子刻蚀和金沉积之后，在乙醇中超声处理，去除聚苯乙烯微球。

28、更优选地，在乙醇中超声处理3～5min。

29、优选地，步骤s2中制备得到的金纳米孔阵列芯片中的金纳米孔阵列的周期为400～900nm，孔径为300～800nm，厚度为50～90nm。

30、更优选地，步骤s2中制备得到的金纳米孔阵列芯片中的金纳米孔阵列的周期为800nm。

31、更优选地，步骤s2中制备得到的金纳米孔阵列芯片中的金纳米孔阵列的孔径为625nm。

32、更优选地，步骤s2中制备得到的金纳米孔阵列芯片中的金纳米孔阵列的厚度为70nm。

33、具体地，步骤s1中，所述聚苯乙烯微球的直径为800nm，步骤s2中，反应离子刻蚀的参数为氧气流量为10sccm，腔室压力为376mtorr，刻蚀功率为100w，时间为17～28分钟。

34、更优选地，步骤s2中所述反应离子刻蚀的时间为21分钟。

35、优选地，步骤s3中，所述zif-8生长液中2-甲基咪唑与二价锌的摩尔比为1:2。

36、更优选地，步骤s3中，所述zif-8生长液为2-甲基咪唑溶液与硝酸锌溶液的混合液。

37、最优选地，步骤s3中，所述2-甲基咪唑溶液与硝酸锌溶液的溶剂都为甲醇。

38、优选地，步骤s3中，充分反应使金纳米孔上方覆盖zif-8材料后使用甲醇洗涤。

39、更优选地，步骤s3中，充分反应使金纳米孔上方覆盖zif-8材料后使用甲醇洗涤1～2min。

40、优选地，步骤s4中，重复步骤s3三次，制备得到光学微纳结构。

41、一种光学微纳结构，所述光学微纳结构是根据所述的制备方法制备得到的。

42、所述光学微纳结构在检测乙醇蒸汽中的应用也应在本发明的保护范围之内。

43、一套检测乙醇蒸汽的系统，所述系统包括：连通有待测乙醇蒸汽的密闭检测室，所述密闭检测室还连接有光纤1和光纤2，并设置所述的光学微纳结构和光信号采集装置，光纤1提供光源，所述光源照射所述光学微纳结构上的zif-8材料，光纤2收集所述光学微纳结构的透射光并连接光信号采集装置，所述光信号采集装置采集透射光的透射光谱。

44、优选地，所述光源为白光宽带光源。

45、优选地，所述光信号采集装置为基于电荷耦合原件的光谱仪。

46、一种检测乙醇蒸汽中乙醇浓度的方法，包括以下步骤：

47、将所述的光学微纳结构置于含乙醇蒸汽的密闭环境内，白光宽带光源照射所述的光学微纳结构上的zif-8材料，采集所述光学微纳结构的透射光的透射光谱，定量检测乙醇蒸汽中乙醇浓度；所述定量检测为，根据所述透射光谱计算得到波长红移量，以标准浓度乙醇蒸汽进行初始标定获得标准曲线，根据所述标准曲线和波长红移量计算乙醇蒸汽中乙醇浓度。

48、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

49、用胶体自组装方法制备金纳米孔阵列是一个低成本且高效的策略，在金纳米孔阵列上通过原位生长金属有机框架材料zif-8，能有机集合金纳米孔的增强近场特性，zif-8薄膜还支持泄漏导波模式，进一步增强了电场近场强度。这种增强效应与zif-8对乙醇分子的富集作用相结合，使得更多的乙醇分子聚集在增强的电场近场中，从而显著提高了传感器的灵敏度，结合zif-8薄膜对乙醇蒸汽的选择性吸附和富集，带来基于金纳米孔阵列-zif-8的光学微纳结构的高灵敏度和高选择性。

50、与传统的传感器相比，本发明具有高灵敏度、高选择性和低成本的优点，而且能快速反应，具有良好的选择性，不与其他挥发性有机物如甲醇蒸汽或异丙醇蒸汽反应。这些特点使得本发明制备得到的光学微纳结构，以及基于所述光学微纳结构的检测系统和/或检测方法，在自然环境保护、工业安全生产和健康检测等领域具有广阔的应用前景。