基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测方法技术领域
本发明涉及多气体检测光源、半导体光源领域,具体涉及一种基于PbSe量子点多
波长近红外LED的气体检测方法。
背景技术
随着环保意识及医学保健知识的普及,人们认识到对于环境空气中所含的可燃和
有毒有害气体的检测和定量的重要性。同时,对于工业生产、煤矿安全、汽车尾气等领域中
的气体检测也尤为重要。而以上所述工业生产和日常生活环境中多含有多种气体,例如甲
烷(CH4)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等。
目前许多技术被应用于气体检测,例如光谱学、电化学、光声学等。由于光学方法
具有遥感能力、无化学污染、便于取样、无创性测量、灵敏度高、不受电磁干扰等优点,因此
被广泛应用。然而,基于光学方法制成的检测装置不仅体积较大、灵敏度低、选择性差、稳定
性差,而且检测光源只能发射单一波长,或者通过滤光片过滤出需要光源的波长只能实现
对单一气体的检测,无法满足工业生产及日常生活中的需求。
随着纳米科学技术的日新月异,其半导体量子点技术被广泛的研究及应用,由于
其具有荧光量子高产率和尺寸可调的发射光谱等独有优势,可作为新型的光转换材料。而
硒化铅(PbSe)量子点在近红外区域具有很强的量子限域和高量子产率(>85%)。因此,在近
红外多发射波长的气体检测领域,PbSe量子点作为一种新型检测材料显示出巨大的潜力。
基于上述问题,研制新型的体积小、灵敏度高、稳定性好、成本低、实现多气体检测
的器件,有助于推动气体检测技术的进一步发展。经查找,基于PbSe量子点多波长近红外二
极管(Light-Emitting Diode,简写LED)的制作方法,并将其作为激发光源应用于多种气体
检测的方法未见国内外有相关报道。
发明内容
为了克服现有气体检测系统及技术存在的体积较大、灵敏度低、选择性差、稳定性
差、无法进行多气体检测等问题,本发明提出基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测
方法,根据近红外气体吸收检测的原理,使用PbSe量子点多波长近红外LED作为检测光源,
其发射光谱与被测气体近红外吸收光谱相吻合,实现多气体的种类鉴别和含量检测。
本发明采用如下技术方案实现的,结合附图说明如下:
1、基于PbSe量子点多波长近红外LED的制备方法,其特征在于,作为气体检测光
源,基于PbSe量子点的近红外LED制备方法如下:
第一步、计算PbSe量子点的尺寸:选取900nm~1600nm波长范围内的一种或多种波
长作为多波长近红外LED的发射波长,应用公式1计算出PbSe量子点的尺寸,其中λ为多波长
近红外LED的发射波长,单位nm,D为PbSe量子点的尺寸,单位nm,选择的波长及波长数量依
据实际要求决定;
第二步、制备PbSe量子点:根据第一步的计算结果,制备出与之对应尺寸及数量的
PbSe量子点,将制备好的PbSe量子点进行校准,使其与被测气体吸收光谱相一致;
第三步、制备PbSe量子点与无影胶即UV胶的混合溶液:将制备好的PbSe量子点分
别溶解到氯仿溶液中,分别将溶解后的PbSe和氯仿混合溶液与UV胶相混合,通过涡旋混合
和超声处理后,使其变为均匀混合物,并在真空室中除去混合物中的氯仿;
第四步、沉积混合溶液,制备多波长近红外LED 1:将第三步得到的混合溶液,依据
混合溶液中PbSe量子点由大尺寸至小尺寸的原则依次进行沉积,使用氮化镓即GaN芯片作
为激发光源,将制备最大尺寸的PbSe量子点与UV胶混合溶液沉积在GaN芯片表面作为第一
层,根据实际需要将其抛光为适当的厚度;然后将尺寸为第二的PbSe量子点与UV胶混合溶
液沉积在作为第一层PbSe量子点层上,根据实际需要将其抛光为适当的厚度;可根据具体
需要对上述第一至四步过程重复操作,完成多波长近红外LED 1的制备。
2、基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测方法,其特征在于,基于PbSe量子
点多波长近红外LED的气体检测方法为:
第一步、制备近红外多波长LED 1;
第二步、将所要检测的气体填充进气室3中;
第三步、检测光源即近红外多波长LED 1接通电源后发出光线,透过凸透镜2后,通
过气室3的平行光束透过凸透镜4由红外光谱仪5接收;
第四步、对被测气体进行标定:分别将实验室中已知浓度的气体样品放入到检测
系统中进行测试,首先将一种样品气体放入到气室3中,选取多组浓度进行检测,将检测输
出的浓度信号进行数值拟合,得出该种样品气体的浓度公式;再将另一种样品气体入到气
室3中,选取多组浓度进行检测,将检测输出的浓度信号进行数值拟合,得出第二种样品气
体的浓度公式;依次实现对不同气体的标定;
第五步、利用上述标定后的系统,对被测气体浓度进行检测,实现气体浓度的测
量。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明所述的基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测装置及检测方法,
所采用的检测光源为分立的单色光、多发射波长、制作成本低廉;
2、本发明所述的基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测装置及检测方法,
所设计的系统可实现多种气体的同时检测;
3、本发明所述的基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测装置及检测方法,
所设计的系统灵敏度高、稳定性好;
4、本发明所述的基于PbSe量子点多波长近红外LED的气体检测装置及检测方法,
所采用的价格低廉、荧光产率高。
附图说明
图1是本发明的多发射波长的近红外LED制备示意图;
图2是本发明的4.6nm PbSe量子点的吸收光谱图以及电子显微镜图;
图3是本发明的4.6nm PbSe量子点发光光谱图以及C2H2近红外吸收光谱图;
图4是本发明的6.1nm PbSe量子点的吸收光谱图以及电子显微镜图;
图5是本发明的6.1nm PbSe量子点发光光谱图以及C2H2近红外吸收光谱图;
图6是本发明的检测装置示意图;
图7是本发明的C2H2浓度与面积积分关系图以及配比浓度与实际测量浓度关系图;
图8是本发明的NH3浓度与面积积分关系图以及配比浓度与实际测量浓度关系图;
图9是使用本发明方法检测C2H2的PbSe量子点发光光谱变化图;
图10是本发明测试结果中C2H2的配比浓度与实际测量浓度关系图;
图11是本发明测试结果中NH3的配比浓度与实际测量浓度关系图;
图中:1.近红外多波长LED;2.凸透镜;3.长度为30m的气室;4.凸透镜;5.红外光谱
仪。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式:
一、本发明提出的基于PbSe量子点多波长近红外LED的制备方法及气体检测方法,
利用PbSe量子点在近红外区域发射的波长可调性(通过调整量子点的尺寸,进而控制其发
射波长的变化),将不同尺寸的PbSe量子点分别与无影胶(Ultraviolet Rays glue,简称UV
胶)进行混合制成荧光混合材料,然后经过一系列工艺沉积在氮化镓(GaN)芯片上,完成
PbSe量子点多波长近红外LED的制作。依据近红外气体吸收检测的原理,使用PbSe量子点多
波长近红外LED作为检测光源,其发射光谱与被测气体近红外吸收光谱相吻合,实现多气体
的种类鉴别和含量检测。
二、实施例
本发明所述的基于PbSe量子点多波长近红外LED的制备方法及气体检测方法的实
施例,给出制备实施过程以及测试和检验结果,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下以C2H2、NH3混合气体的检测为例,说明本发明的具体实施过程和测试、检验结
果。
1、制备检测C2H2、NH3二种发射波长的近红外LED
结合图1,制备检测C2H2、NH3二种发射波长的近红外LED的具体方法为:
第一步、选取C2H2、NH3的近红外中心波长作为多波长近红外LED的发射波长,根据
两种中心波长计算与之对应的PbSe量子点尺寸。
结合图2、图3、图4和图5,C2H2的吸收光谱范围为1500nm~1550nm,中心波长λ1为
1525nm;NH3的吸收光谱范围为1900nm~2060nm,中心波长λ2为1980nm。根据公式1计算出所
需要PbSe量子点尺寸分别为4.6nm和6.1nm。
第二步、分别制备4.6nm以及6.1nmPbSe量子点,制备方法如下:
首先,将0.892g的PbO(4.000mmol)、2.600g的OA(8.000mmol)和12.848g的ODE装入
100ml三口瓶中。在氮气保护的环境下将混合溶液加热到170℃,直到PbO全部溶解,溶液变
至无色。将6.9ml的TOP-Se溶液(包含0.637gSe)迅速注入无色溶液中迅速搅拌。混合物的温
度维持在143℃,在这个温度下量子点进行生长。然后,将30ml的甲苯溶液注入到三口瓶中
进行淬灭反应,同时三口瓶侵没在温水浴中。制成的量子点在经过甲醇萃取两次,丙酮纯化
一次。以上反应均在手套箱中完成。
第三步、制备PbSe量子点与UV胶的混合溶液。将制备好的4.6nm和6.1nm PbSe量子
点分别溶解到氯仿溶液中,分别将溶解后的PbSe和氯仿混合溶液与UV胶进行混合,通过涡
旋混合和超声处理后,使其变为均匀混合物。在真空室中除去混合物中的氯仿。
第四步、将第三步得到的混合溶液,依据混合溶液中PbSe量子点由大尺寸至小尺
寸的原则依次进行沉积。使用GaN芯片作为激发光源。首先将6.1nm PbSe量子点与UV胶混合
溶液沉积在GaN芯片表面作为第一层,抛光后的厚度为48.0μm。然后将4.6nm PbSe量子点与
UV胶混合溶液沉积在作为6.1nm PbSe量子点层上,抛光后的厚度为671.5μm。从而完成了两
种发射波长的近红外LED的制备。
2、对C2H2、NH3混合气体在室温下进行气体检测
结合图6,本发明对C2H2、NH3混合气体在室温下进行检测,具体检测方法如下:
第一步、制备检测C2H2、NH3二种发射波长的近红外LED 1;
第二步、将C2H2、NH3填充进气室3中;
第三步、检测光源(近红外多波长LED 1)接通电源后发出光线,透过准直扩束凸透
镜2后,通过气室3的平行光束透过凸透镜4由红外光谱仪5接收;
第四步,分别对实验室中0~800ppm的C2H2、NH3样品进行气体检测,结合图7和图8,
对输出的浓度信号进行数值拟合。使用数值拟合法分别计算出C2H2的浓度公式2和NH3浓度
公式3:
y=1763×e-x/318+7667 公式2
y=6474×e-x/370+17450 公式3
第五步,通过红外光谱仪中显示的PbSe量子点的发光光谱,结合第四步所得公式
2、公式3分别计算出C2H2、NH3的浓度。
3、实验结果分析
为了测试本发明的可行性,将依据上述气体检测方法检测出的C2H2和NH3气体浓度
与实际值进行对比分析。分别选取了5组已知配比浓度的样品,其所测得的数据具有典型代
表性。样品浓度如下表所示:
C1
C2
C3
C4
C5
|
C2H2(ppm)
100
250
400
550
700
NH3(ppm)
100
250
400
550
700
参阅图9、图10和图11,测试结果的浓度与已知配比浓度相一致,证明本发明的可
行性。同时,本发明具体实施例,对于C2H2和NH3检测下限均为20ppm(0.002%),可以满足工
业生产及日常生活中的检测要求。