本發(fā)明涉及多氣體檢測(cè)光源、半導(dǎo)體光源領(lǐng)域，具體涉及一種基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：隨著環(huán)保意識(shí)及醫(yī)學(xué)保健知識(shí)的普及，人們認(rèn)識(shí)到對(duì)于環(huán)境空氣中所含的可燃和有毒有害氣體的檢測(cè)和定量的重要性。同時(shí)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)、煤礦安全、汽車尾氣等領(lǐng)域中的氣體檢測(cè)也尤為重要。而以上所述工業(yè)生產(chǎn)和日常生活環(huán)境中多含有多種氣體，例如甲烷(CH4)、氨氣(NH3)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等。目前許多技術(shù)被應(yīng)用于氣體檢測(cè)，例如光譜學(xué)、電化學(xué)、光聲學(xué)等。由于光學(xué)方法具有遙感能力、無化學(xué)污染、便于取樣、無創(chuàng)性測(cè)量、靈敏度高、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。然而，基于光學(xué)方法制成的檢測(cè)裝置不僅體積較大、靈敏度低、選擇性差、穩(wěn)定性差，而且檢測(cè)光源只能發(fā)射單一波長，或者通過濾光片過濾出需要光源的波長只能實(shí)現(xiàn)對(duì)單一氣體的檢測(cè)，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中的需求。隨著納米科學(xué)技術(shù)的日新月異，其半導(dǎo)體量子點(diǎn)技術(shù)被廣泛的研究及應(yīng)用，由于其具有熒光量子高產(chǎn)率和尺寸可調(diào)的發(fā)射光譜等獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，可作為新型的光轉(zhuǎn)換材料。而硒化鉛(PbSe)量子點(diǎn)在近紅外區(qū)域具有很強(qiáng)的量子限域和高量子產(chǎn)率(>85％)。因此，在近紅外多發(fā)射波長的氣體檢測(cè)領(lǐng)域，PbSe量子點(diǎn)作為一種新型檢測(cè)材料顯示出巨大的潛力?；谏鲜鰡栴}，研制新型的體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、實(shí)現(xiàn)多氣體檢測(cè)的器件，有助于推動(dòng)氣體檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)查找，基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外二極管(Light-EmittingDiode，簡寫LED)的制作方法，并將其作為激發(fā)光源應(yīng)用于多種氣體檢測(cè)的方法未見國內(nèi)外有相關(guān)報(bào)道。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有氣體檢測(cè)系統(tǒng)及技術(shù)存在的體積較大、靈敏度低、選擇性差、穩(wěn)定性差、無法進(jìn)行多氣體檢測(cè)等問題，本發(fā)明提出基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)方法，根據(jù)近紅外氣體吸收檢測(cè)的原理，使用PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED作為檢測(cè)光源，其發(fā)射光譜與被測(cè)氣體近紅外吸收光譜相吻合，實(shí)現(xiàn)多氣體的種類鑒別和含量檢測(cè)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合附圖說明如下：1、基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的制備方法，其特征在于，作為氣體檢測(cè)光源，基于PbSe量子點(diǎn)的近紅外LED制備方法如下：第一步、計(jì)算PbSe量子點(diǎn)的尺寸：選取900nm～1600nm波長范圍內(nèi)的一種或多種波長作為多波長近紅外LED的發(fā)射波長，應(yīng)用公式1計(jì)算出PbSe量子點(diǎn)的尺寸，其中λ為多波長近紅外LED的發(fā)射波長，單位nm，D為PbSe量子點(diǎn)的尺寸，單位nm，選擇的波長及波長數(shù)量依據(jù)實(shí)際要求決定；第二步、制備PbSe量子點(diǎn)：根據(jù)第一步的計(jì)算結(jié)果，制備出與之對(duì)應(yīng)尺寸及數(shù)量的PbSe量子點(diǎn)，將制備好的PbSe量子點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，使其與被測(cè)氣體吸收光譜相一致；第三步、制備PbSe量子點(diǎn)與無影膠即UV膠的混合溶液：將制備好的PbSe量子點(diǎn)分別溶解到氯仿溶液中，分別將溶解后的PbSe和氯仿混合溶液與UV膠相混合，通過渦旋混合和超聲處理后，使其變?yōu)榫鶆蚧旌衔铮⒃谡婵帐抑谐セ旌衔镏械穆确?；第四步、沉積混合溶液，制備多波長近紅外LED1：將第三步得到的混合溶液，依據(jù)混合溶液中PbSe量子點(diǎn)由大尺寸至小尺寸的原則依次進(jìn)行沉積，使用氮化鎵即GaN芯片作為激發(fā)光源，將制備最大尺寸的PbSe量子點(diǎn)與UV膠混合溶液沉積在GaN芯片表面作為第一層，根據(jù)實(shí)際需要將其拋光為適當(dāng)?shù)暮穸?；然后將尺寸為第二的PbSe量子點(diǎn)與UV膠混合溶液沉積在作為第一層PbSe量子點(diǎn)層上，根據(jù)實(shí)際需要將其拋光為適當(dāng)?shù)暮穸?；可根?jù)具體需要對(duì)上述第一至四步過程重復(fù)操作，完成多波長近紅外LED1的制備。2、基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)方法，其特征在于，基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)方法為：第一步、制備近紅外多波長LED1；第二步、將所要檢測(cè)的氣體填充進(jìn)氣室3中；第三步、檢測(cè)光源即近紅外多波長LED1接通電源后發(fā)出光線，透過凸透鏡2后，通過氣室3的平行光束透過凸透鏡4由紅外光譜儀5接收；第四步、對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行標(biāo)定：分別將實(shí)驗(yàn)室中已知濃度的氣體樣品放入到檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，首先將一種樣品氣體放入到氣室3中，選取多組濃度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)輸出的濃度信號(hào)進(jìn)行數(shù)值擬合，得出該種樣品氣體的濃度公式；再將另一種樣品氣體入到氣室3中，選取多組濃度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)輸出的濃度信號(hào)進(jìn)行數(shù)值擬合，得出第二種樣品氣體的濃度公式；依次實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的標(biāo)定；第五步、利用上述標(biāo)定后的系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的測(cè)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明所述的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，所采用的檢測(cè)光源為分立的單色光、多發(fā)射波長、制作成本低廉；2、本發(fā)明所述的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種氣體的同時(shí)檢測(cè)；3、本發(fā)明所述的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈敏度高、穩(wěn)定性好；4、本發(fā)明所述的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的氣體檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法，所采用的價(jià)格低廉、熒光產(chǎn)率高。附圖說明圖1是本發(fā)明的多發(fā)射波長的近紅外LED制備示意圖；圖2是本發(fā)明的4.6nmPbSe量子點(diǎn)的吸收光譜圖以及電子顯微鏡圖；圖3是本發(fā)明的4.6nmPbSe量子點(diǎn)發(fā)光光譜圖以及C2H2近紅外吸收光譜圖；圖4是本發(fā)明的6.1nmPbSe量子點(diǎn)的吸收光譜圖以及電子顯微鏡圖；圖5是本發(fā)明的6.1nmPbSe量子點(diǎn)發(fā)光光譜圖以及C2H2近紅外吸收光譜圖；圖6是本發(fā)明的檢測(cè)裝置示意圖；圖7是本發(fā)明的C2H2濃度與面積積分關(guān)系圖以及配比濃度與實(shí)際測(cè)量濃度關(guān)系圖；圖8是本發(fā)明的NH3濃度與面積積分關(guān)系圖以及配比濃度與實(shí)際測(cè)量濃度關(guān)系圖；圖9是使用本發(fā)明方法檢測(cè)C2H2的PbSe量子點(diǎn)發(fā)光光譜變化圖；圖10是本發(fā)明測(cè)試結(jié)果中C2H2的配比濃度與實(shí)際測(cè)量濃度關(guān)系圖；圖11是本發(fā)明測(cè)試結(jié)果中NH3的配比濃度與實(shí)際測(cè)量濃度關(guān)系圖；圖中：1.近紅外多波長LED；2.凸透鏡；3.長度為30m的氣室；4.凸透鏡；5.紅外光譜儀。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式：一、本發(fā)明提出的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的制備方法及氣體檢測(cè)方法，利用PbSe量子點(diǎn)在近紅外區(qū)域發(fā)射的波長可調(diào)性(通過調(diào)整量子點(diǎn)的尺寸，進(jìn)而控制其發(fā)射波長的變化)，將不同尺寸的PbSe量子點(diǎn)分別與無影膠(UltravioletRaysglue，簡稱UV膠)進(jìn)行混合制成熒光混合材料，然后經(jīng)過一系列工藝沉積在氮化鎵(GaN)芯片上，完成PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的制作。依據(jù)近紅外氣體吸收檢測(cè)的原理，使用PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED作為檢測(cè)光源，其發(fā)射光譜與被測(cè)氣體近紅外吸收光譜相吻合，實(shí)現(xiàn)多氣體的種類鑒別和含量檢測(cè)。二、實(shí)施例本發(fā)明所述的基于PbSe量子點(diǎn)多波長近紅外LED的制備方法及氣體檢測(cè)方法的實(shí)施例，給出制備實(shí)施過程以及測(cè)試和檢驗(yàn)結(jié)果，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。以下以C2H2、NH3混合氣體的檢測(cè)為例，說明本發(fā)明的具體實(shí)施過程和測(cè)試、檢驗(yàn)結(jié)果。1、制備檢測(cè)C2H2、NH3二種發(fā)射波長的近紅外LED結(jié)合圖1，制備檢測(cè)C2H2、NH3二種發(fā)射波長的近紅外LED的具體方法為：第一步、選取C2H2、NH3的近紅外中心波長作為多波長近紅外LED的發(fā)射波長，根據(jù)兩種中心波長計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的PbSe量子點(diǎn)尺寸。結(jié)合圖2、圖3、圖4和圖5，C2H2的吸收光譜范圍為1500nm～1550nm，中心波長λ1為1525nm；NH3的吸收光譜范圍為1900nm～2060nm，中心波長λ2為1980nm。根據(jù)公式1計(jì)算出所需要PbSe量子點(diǎn)尺寸分別為4.6nm和6.1nm。第二步、分別制備4.6nm以及6.1nmPbSe量子點(diǎn)，制備方法如下：首先，將0.892g的PbO(4.000mmol)、2.600g的OA(8.000mmol)和12.848g的ODE裝入100ml三口瓶中。在氮?dú)獗Ｗo(hù)的環(huán)境下將混合溶液加熱到170℃，直到PbO全部溶解，溶液變至無色。將6.9ml的TOP-Se溶液(包含0.637gSe)迅速注入無色溶液中迅速攪拌。混合物的溫度維持在143℃，在這個(gè)溫度下量子點(diǎn)進(jìn)行生長。然后，將30ml的甲苯溶液注入到三口瓶中進(jìn)行淬滅反應(yīng)，同時(shí)三口瓶侵沒在溫水浴中。制成的量子點(diǎn)在經(jīng)過甲醇萃取兩次，丙酮純化一次。以上反應(yīng)均在手套箱中完成。第三步、制備PbSe量子點(diǎn)與UV膠的混合溶液。將制備好的4.6nm和6.1nmPbSe量子點(diǎn)分別溶解到氯仿溶液中，分別將溶解后的PbSe和氯仿混合溶液與UV膠進(jìn)行混合，通過渦旋混合和超聲處理后，使其變?yōu)榫鶆蚧旌衔?。在真空室中除去混合物中的氯仿。第四步、將第三步得到的混合溶液，依?jù)混合溶液中PbSe量子點(diǎn)由大尺寸至小尺寸的原則依次進(jìn)行沉積。使用GaN芯片作為激發(fā)光源。首先將6.1nmPbSe量子點(diǎn)與UV膠混合溶液沉積在GaN芯片表面作為第一層，拋光后的厚度為48.0μm。然后將4.6nmPbSe量子點(diǎn)與UV膠混合溶液沉積在作為6.1nmPbSe量子點(diǎn)層上，拋光后的厚度為671.5μm。從而完成了兩種發(fā)射波長的近紅外LED的制備。2、對(duì)C2H2、NH3混合氣體在室溫下進(jìn)行氣體檢測(cè)結(jié)合圖6，本發(fā)明對(duì)C2H2、NH3混合氣體在室溫下進(jìn)行檢測(cè)，具體檢測(cè)方法如下：第一步、制備檢測(cè)C2H2、NH3二種發(fā)射波長的近紅外LED1；第二步、將C2H2、NH3填充進(jìn)氣室3中；第三步、檢測(cè)光源(近紅外多波長LED1)接通電源后發(fā)出光線，透過準(zhǔn)直擴(kuò)束凸透鏡2后，通過氣室3的平行光束透過凸透鏡4由紅外光譜儀5接收；第四步，分別對(duì)實(shí)驗(yàn)室中0～800ppm的C2H2、NH3樣品進(jìn)行氣體檢測(cè)，結(jié)合圖7和圖8，對(duì)輸出的濃度信號(hào)進(jìn)行數(shù)值擬合。使用數(shù)值擬合法分別計(jì)算出C2H2的濃度公式2和NH3濃度公式3：y＝1763×e-x/318+7667公式2y＝6474×e-x/370+17450公式3第五步，通過紅外光譜儀中顯示的PbSe量子點(diǎn)的發(fā)光光譜，結(jié)合第四步所得公式2、公式3分別計(jì)算出C2H2、NH3的濃度。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為了測(cè)試本發(fā)明的可行性，將依據(jù)上述氣體檢測(cè)方法檢測(cè)出的C2H2和NH3氣體濃度與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析。分別選取了5組已知配比濃度的樣品，其所測(cè)得的數(shù)據(jù)具有典型代表性。樣品濃度如下表所示：C1C2C3C4C5C2H2(ppm)100250400550700NH3(ppm)100250400550700參閱圖9、圖10和圖11，測(cè)試結(jié)果的濃度與已知配比濃度相一致，證明本發(fā)明的可行性。同時(shí)，本發(fā)明具體實(shí)施例，對(duì)于C2H2和NH3檢測(cè)下限均為20ppm(0.002％)，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中的檢測(cè)要求。當(dāng)前第1頁1 2 3