本發(fā)明屬于傳感探測領域，尤其是涉及一種利用紅外激發(fā)分子從微納米結構表面的脫附現(xiàn)象來實現(xiàn)紅外探測的方法。

背景技術：

紅外線是波長介于可見光和微波之間的電磁波。所有溫度高于絕對零度的物體都會發(fā)射出紅外光，由于紅外探測技術的非破壞性以及其所揭示的獨特信息，決定了這一技術在工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)督、醫(yī)療診斷以及軍事上的重要性和廣泛應用。

紅外探測技術一般分為兩種：制冷型以及非制冷型紅外探測技術。制冷型紅外探測一般基于光電以及光伏技術，但需要額外的制冷，所以其價格都比較高且外形笨重，這大大限制了它的廣泛應用。非制冷型紅外探測技術不需要低溫冷卻，一般原理是：當探測材料吸收紅外光后，會引起探測材料溫度升高從而誘導該材料產(chǎn)生一些容易檢測的物理變化實現(xiàn)對紅外光的探測。近些年來，在非制冷型紅外探測領域提出了很多設計，其中包括測輻射熱計、紅外熱釋電探測器、熱電堆探測器、光機械微懸臂梁探測器等。雖然非制冷型紅外探測技術已經(jīng)有了突飛猛進的提升，但仍然在空間分辨率以及響應時間方面與制冷型探測器相去甚遠。

尋求新的高效非制冷型紅外探測機制及材料迫在眉睫。眾所周知，很多化學分子由于自身的化學鍵構成在紅外波段有很強的吸收，故紅外信號可以使吸附的化學分子由于溫度升高從微納米結構表面發(fā)生脫附。這種表面脫附現(xiàn)象會造成該微納米結構所具有的光、電、磁性能發(fā)生相應改變，從而可以將紅外信號轉化為其它容易測量的信號，實現(xiàn)對其的探測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種利用紅外激發(fā)分子的脫附現(xiàn)象來實現(xiàn)紅外探測的方法。

本發(fā)明利用表面吸附有化學分子的微納米結構在紅外信號的激發(fā)下發(fā)生分子脫附，導致微納米結構的物理性能發(fā)生變化從而實現(xiàn)對紅外信號的探測。該方法具有靈敏度高、反饋信號容易分析等優(yōu)點，可在紅外信號探測以及成像等領域進行廣泛應用。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種利用紅外激發(fā)分子從微納米結構表面的脫附現(xiàn)象來實現(xiàn)紅外探測的方法，該方法包括以下步驟：

(1)在微納米結構表面吸附化學分子；

(2)當沒有外加紅外信號時，化學分子會保持在微納米結構上的吸附狀態(tài)，而當外加紅外信號時，所吸附的化學分子由于溫度升高而從微納米結構表面脫附，通過外加紅外信號于微納米結構表面，使微納米結構表面所吸附的化學分子在紅外信號的激發(fā)下從微納米結構表面脫附；

(3)微納米結構由于分子脫附而產(chǎn)生物理性能的變化，通過儀器檢測微納米結構物理性能的變化，從而實現(xiàn)對外加紅外信號的檢測。

所述的微納米結構包括人工方法得到的微納米結構和自然得到的微納米結構。

所述的微納米結構為具有微納米尺寸的結構，包括點陣結構、多層膜結構或三維多級復合結構等。

所述的微納米結構包括一維微納米結構、二維微納米結構以及三維微納米結構。

所述吸附包括表面化學吸附以及表面物理吸附。

對于表面化學吸附，所采用的微納米結構表面應有與化學分子反應的位點。當微納米結構處于含有化學分子的氣氛中或溶液中時，表面位點與化學分子兩者會形成化學鍵，從而形成表面化學吸附；對于表面物理吸附，是由材料表面與化學分子之間的分子間作用力即范德華力所造成的。該力存在于任意的兩種分子之間，所以物理吸附可以發(fā)生在任意的固體表面。當微納米結構處于含有化學分子的環(huán)境中時，其表面或多或少的都會對化學分子產(chǎn)生物理吸附。

所述的化學分子包括無機分子、有機分子以及生物大分子；

無機分子可以選擇水、二氧化碳、氨氣、及氫氣等；有機分子可以選擇甲醇、乙醇、丙醇等醇類，也可以選擇酚類，醛類等；生物大分子可以選擇蛋白質、多肽、糖類、核酸等。

對外加紅外信號的檢測包括對外加紅外信號的檢測以及外加紅外信號的成像。

微納米結構物理性能的變化包括光、電、磁等性能以及體積或形狀的變化。

微納米結構在化學分子脫附時所產(chǎn)生的變化與微納米結構和化學分子的具體選擇有關。對于體積或形狀的變化，這里舉一具體事例，譬如選擇由吸濕材料構成的微納米結構，水分子作為化學分子，當吸濕材料吸收水分后，其體積或者形狀就會發(fā)生變化，該現(xiàn)象有很多文獻報道過。當水分子在外加紅外信號作用下從這類微納米結構上脫附時，該結構的體積或形狀就會回復到?jīng)]吸水之前的狀態(tài)，從而產(chǎn)生體積或形狀的變化。

微納米結構的光性能變化為光信號強度變化或光波波長位移變化，其中光信號指反射光信號、吸收光信號或透射光信號，光信號范圍包括紫外光、可見光、紅外光或微波。

本發(fā)明所選取的微納米結構可以為具有光子帶隙結構的光子晶體材料，當結構表面吸附化學分子后，所吸附的化學分子會影響原結構與光的相互作用，當吸附分子在外加紅外信號作用下從微納米結構上脫附后，該結構的光學性能會發(fā)生變化回復到原來的性能。

配合本發(fā)明技術方案，常用的光信號檢測儀器為光譜儀，可以檢測物質或材料從紫外到紅外波段的反射、透射、及吸收光譜。此外，對于拉曼及熒光光譜也可用相應的拉曼光譜儀或熒光光譜儀進行檢測。

微納米結構的電性能變化為電壓、電流、電阻或電容的變化。

微納米結構物理性能的變化與微納米結構和化學分子的具體選擇有關。比如半導體材料隨著分子的吸附或者脫附而產(chǎn)生能級的變化從而導致其電阻發(fā)生改變。由于電壓、電流和電阻三者彼此相關，取決于測量方式，當外加紅外信號產(chǎn)生化學分子脫附，所引起的材料電阻變化也可以以電流及電壓信號的變化表現(xiàn)出來。同樣對于電容變化，如果將微納米材料作為電容器，當化學分子從微納米結構上脫附時，等效于在電容器內(nèi)部的電介質發(fā)生改變，這必定會改變電容器的電容。

對于電壓測量可以使用電壓表，對于電流測量可以使用電流表，對于電阻測量可以使用電阻測試儀。對于電容測量，也有很多方法，譬如利用萬用表的電容檔就可以對其進行測量。

微納米結構的磁性能變化為磁場強度或方向的改變。

微納米結構物理性能的變化與微納米結構和化學分子的具體選擇有關。如果微納米結構為由吸濕材料與具有磁性的材料所復合而成的材料，當吸濕材料吸附水時發(fā)生形狀變化，這必定會影響材料整體形狀發(fā)生改變，從而改變其磁性能，取決于材料設計，該磁性能的變化可以為磁場強度或方向的改變。

測量磁場強度或方向的儀器可以為磁通計、磁強計以及磁位計等。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

(1)與已報導的非制冷型紅外探測機制相比，本發(fā)明為紅外探測靈敏度以及響應速度的提高提供了可能。

(2)通過微納米結構的使用為進一步提高紅外探測體系的空間分辨率提供了可能。由于微納米結構與普通結構相比，具有更大的表面積、更多的吸附位點，這就為更多的化學分子吸附、脫附提供了可能。在化學分子脫附時，更多的化學分子脫附能產(chǎn)生更大的信號變化，因而相較于普通結構，微納米結構在紅外探測的靈敏度方面具有很大優(yōu)勢。此外，微納米結構的特性也為提高紅外探測的響應速率和空間分辨率提供了可能，尺寸越小，響應速率越快，空間分辨率越高。

(3)本發(fā)明可以通過調(diào)控吸附分子的種類以及數(shù)量，優(yōu)化體系傳感與探測性能。本發(fā)明通過吸附分子與紅外光的相互作用發(fā)生表面脫附的現(xiàn)象來實現(xiàn)對紅外光的探測。如果選擇的吸附分子與紅外光沒有相互作用或者很弱，則在紅外光照射下，吸附分子的脫附較弱，則紅外探測的靈敏度也較弱；如果吸附分子可以很好的吸收紅外能量并脫附，則有利于紅外探測。另外，較多的分子從微納米材料表面的吸附、脫附也會產(chǎn)生較強的信號變化，影響探測靈敏度。但是過多的分子在表面上的吸脫附則涉及到復雜的物理化學現(xiàn)象，導致信號分析復雜化，因而對于不同的體系可以通過調(diào)控吸附分子的種類以及數(shù)量來優(yōu)化體系傳感與探測性能。

(4)本發(fā)明通過選擇不同微納米結構，利用吸附分子的紅外脫附現(xiàn)象，將不可見的紅外信號轉換為其它光、電或磁等容易測量的信號，實現(xiàn)探測系統(tǒng)的簡化。

附圖說明

圖1為紅外激發(fā)分子脫附的原理圖；

圖2(a)為紅外探測的示意圖，以自然界獲得的具有微納米結構的閃蝶翅膀為例；(b)原始蝶翅的光學圖片；(c)蝶翅橫截面的掃描電鏡圖；

圖3為表面吸附有水分子(a)以及無吸附分子(b)的蝶翅的紅外響應圖；

具體實施方式

一種利用紅外激發(fā)分子從微納米結構表面的脫附現(xiàn)象來實現(xiàn)紅外探測的方法，如圖1所示，該方法包括以下步驟：

(1)在微納米結構表面吸附化學分子；

(2)外加紅外信號于微納米結構表面，使微納米結構表面所吸附的化學分子在紅外信號的激發(fā)下從微納米結構表面脫附；

(3)微納米結構由于分子脫附而產(chǎn)生物理性能的變化，通過儀器檢測微納米結構物理性能的變化，從而實現(xiàn)對外加紅外信號的檢測。

所述的微納米結構包括人工方法得到的微納米結構和自然得到的微納米結構。所述的微納米結構為具有微納米尺寸的結構，包括點陣結構、多層膜結構或三維多級復合結構等。所述的微納米結構包括一維微納米結構、二維微納米結構以及三維微納米結構。

所述吸附包括表面化學吸附以及表面物理吸附。所述的化學分子包括無機分子、有機分子以及生物大分子。

對外加紅外信號的檢測包括對外加紅外信號的檢測以及外加紅外信號的成像。

微納米結構物理性能的變化包括光、電、磁等性能以及體積或形狀的變化。微納米結構的光性能變化為光信號強度變化或光波波長位移變化，其中光信號指反射光信號、吸收光信號或透射光信號，光信號范圍包括紫外光、可見光、紅外光或微波。微納米結構的電性能變化為電壓、電流、電阻或電容的變化。微納米結構的磁性能變化為磁場強度或方向的改變。

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

由于閃蝶蝶翅具有絢麗的結構色，而該結構色是由其精細的三維微納米結構所造成的。如圖2(a)將原始蝶翅貼在容器的底部，容器的底部材料為氟化鈣，水蒸氣從蝶翅上方內(nèi)流過并吸附于蝶翅微納米結構表面。外加紅外信號通過容器底部照射到蝶翅背部，由于外加的紅外信號與吸附的水分子相互作用，使水分子溫度升高而從蝶翅表面脫附，使得蝶翅的反射光譜發(fā)生改變，從而將不可見的紅外信號轉化為可見光信號，利用紫外-可見光譜儀來觀察蝶翅反射光譜的變化，實現(xiàn)對紅外信號的靈敏探測。響應結果如圖3(a)所示，其反射光強度在紅外信號作用下劇烈上升。

比較例1

選取在氮氣氣氛下閃蝶翅膀作為比較例，同樣進行紅外信號探測實驗，響應結果如圖3(b)所示，由于蝶翅表面對氮氣吸附很少，因而其反射光在紅外信號作用下只有稍微的強度下降。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。