CN101650326B - 一种纳米传感器的原位测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米传感器的原位测量装置，该装置包括一盛装纳米传感器的盒子，该盒子由一盒底和一透明材料的盒盖组成，纳米传感器固定在电学测量基片上，所述电学测量基片放置在盒底内，用盒盖密封住盒底，在所述盒盖或盒底上设有两个微孔，一个微孔与真空抽吸针阀的传导管密封连接，另一个微孔与气/液源的注入阀门的传导管密封连接。利用该装置能够实现精确地向纳米传感器表面注射微量气体或液体，在进行原位测量时，还可以为纳米传感器提供从大气到高真空的气氛环境。与现有技术相比，本发明具有结构简单、成本低、易推广的优点。
Description
技术领域
本发明是关于纳米尺度的生物和化学传感器的测量技术，具体涉及一种纳米传感器的原位测量装置。
背景技术
近年来纳米尺度的生物和化学传感器研究发展很快。这些纳米传感器的原理是，利用纳米尺度的生物和化学材料或纳米器件与特定的气体或液体溶质接触，利用电学性能会显著改变的特点，来检测被测气体或液体溶质的存在。为深入理解各类传感器在不同吸附条件下的传感性能，需要在一个很大的气压变化范围内对纳米传感器进行原位测量，且在原位电学测量时改变传感核心区域的液态环境。环境扫描电子显微镜是一种可以提供纳米结构表面观察，成分分析，在10-6-100torr范围内改变样品表面气氛，并同时实现电学和光学性质测量的精密设备(Dantilatos，1986，US Patent No.4596928；Dantilatos，2004，US PatentNo.6809322；Donald，2003，Nature Materials，vol.2，pp.511-516)。但环境扫描电子显微镜用于生物和化学传感器研究有如下几项难以克服的弱点：(1)其工作气压只能从高真空连续变化到0.1个大气压左右；(2)其真空腔的体积很大，一般为几十立方分米，难以确保微量气体正好通到样品表面；(3)一般液体，如水，常温下的饱和蒸汽压较高，液体被注入较大的真空腔后会迅速蒸发，残留液体也可能因蒸发吸热而迅速凝结，无法对微量的液体进行较长时间的传感性能测量；(4)价格非常昂贵。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种纳米传感器的原位测量装置，利用该设备，可实现在不同的气体、液体环境下，对纳米传感器准确地进行原位测量。
本发明的技术方案是：
一种纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，包括一盛装纳米传感器的盒子，该盒子由一盒底和一透明材料的盒盖组成，纳米传感器固定在电学测量基片上，所述电学测量基片放置在盒底内，用盒盖密封住盒底，在所述盒盖或盒底上设有两个微孔，一个微孔与真空抽吸针阀的传导管密封连接，另一个微孔与气/液源的注入阀门的传导管密封连接。
所述电学测量基片包括一电极板，电极板的表面用于承载纳米传感器样品，纳米传感器样品与电极板的预留电极连接，电极板的电极通过穿过盒盖或盒底的电引线与测量仪器连接，电引线穿过盒盖或盒底的接口处密封。
所述电极板连接一温度传感器，用于测量纳米传感器样品区域的环境温度。
所述电极板连接一电控加热器，用于加热纳米传感器样品区域的环境温度。
所述盒子的内部空间体积的范围为5-10ml。
所述微孔的直径不大于0.5mm。
还包括一套夹具，用于将盒盖和盒底上下固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是一种低成本，能够同时实现对纳米传感器在不同的气体、液体环境下进行原位测量的装置。该装置能够实现精确地向纳米传感器表面注射微量气体或液体，在进行原位测量时，还可以为纳米传感器提供从大气到高真空的气氛环境。
该装置具备的具体功能包括：(1)能够为纳米传感器提供从大气压到高真空的气氛环境；(2)允许逐渐替换样品附近的气体成分；(3)能够实现精确地向纳米传感器表面注射微量气体或液体，并在光学显微镜的辅助下进行观察；(4)由内置的电路与外部电路的真空连接而实现纳米器件电学性能的原位测量；(5)能对样品进行加温并同时测量样品附近的温度；(6)能实现快速更换样品。
在原位测量方面，本发明相对于环境扫描显微镜成本更为低廉，结构更为简单。
在液态环境测量方面，由于本发明的装置其内部体积只有几个立方厘米，可以很容易地调节气压使装置内液体蒸汽压接近饱和，因此避免了液体的迅速蒸发，也不容易出现液体快速蒸发致冷产生的冻结现象，这就确保了待测液体可以在器件表面稳定地存在一长段时间。
附图说明
图1是本发明纳米传感器的原位测量装置的结构示意图；
图2是本发明纳米传感器的原位测量装置的应用框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
参考图1，本发明包括一盛装纳米传感器的盒子和与盒子匹配的夹具，盒子由盒底10和盒盖5组成，盒底10和盒盖5可以由透光而在真空中出气少的材质制成，例如但不仅限于石英玻璃。其中盒盖5作为观察使用，上方可架设显微镜，也可供实验者直接肉眼观察。盒盖5的形状包括但不仅限于圆形。圆形盒盖5的优点是，在固定夹具之前通过旋转盒盖调节待测量样品的位置。
盒盖5和盒底10之间用O型密封圈6密封。夹具1和夹具12起固定、封闭盒子的作用，在传感器样品固定于盒底内嵌的电学测量基片7后，将盒盖5和盒底10密封，再通过螺丝将盒子外的夹具夹紧，以利于真空设备对装置抽真空。
通常纳米传感器样品固定于硅基片上，电学测量基片7为一电极板，电极板中间设置导电栅极，可以但不仅限于利用银胶等导电介质使栅极与硅基片导通。电极板上预留的电极可以通过点焊技术与硅基片上纳米传感器相连，也可以连接包括而不仅限于热电耦在内的各种传感元件甚至电热元件。电极板上的电极通过电引线11与测量仪器连接，电引线11穿过盒子盒底10的接口处密封。
电极板上附有用于测量样品区的温度的温度传感器8，例如但并不限于Pt100温度传感器。通过电引线与外部的测温电路及仪器相连接，可以从外部仪器直接得到样品区域具体的温度值。
电极板下面是用于对样品区域进行加热的电控加热器9，例如但并不限于加热电阻。通过电引线与外部的加热控制电路相连接，加热控制电路利用温度传感器的数据作为反馈，从外部对加热器输出功率进行控制以达到要求的温度。
在盒盖5上设有两个微孔，微孔上分别固定一气/液传导管2，与传导管匹配分别为可外接真空抽吸装置的针阀3和连接气/液源的注入阀门4。气/液源的注入阀门4可以但不仅限于使用Kleindiek Nanotechnik GmbH公司生产的电磁微阀(该阀允许控制阀门以毫秒为时间单位打开，平时处于关闭状态)或真空针阀。真空针阀或其他真空阀门连接真空泵或其他真空抽吸装置。当关闭气/液源的注入阀门4时，打开真空抽吸装置的针阀3，可以使装置内真空度逐渐上升至较高真空，这对于纳米器件测量的意义在于可以使器件表面解吸附。在盒子内为真空状态时，如果关闭真空抽吸装置的针阀3，而通过微电磁阀短暂打开气/液源的注入阀门4，由于内外气压差的影响，可以迅速向装置内喷入实验气体或液体，对于水溶液试剂等多种实验液体，由于部分水的迅速蒸发可以很快使装置内气压上升而使得液体流入量自动得到控制，不至于出现大量液体涌入装置难以控制的情况。与此同时装置内液体蒸汽压接近饱和，也消除了在通常的大真空腔中难以避免的液体迅速蒸发完毕，甚至因蒸发大量吸热而出现冻结的现象，使得待测液体可以在器件表面相对稳定地存在较长时间，非常有利于测量。待测量结束，确保关闭气/液源的注入阀门4，打开真空抽吸装置的针阀3，又可以逐渐排出装置内气体，液体也会由于蒸发而较快散发。控制抽气的时间可以调节装置内的真空度，从而该装置对于气体传感器还可以测量在特定气体环境不同气压下样品的传感器性能以及各种电学性能。
其原理图如图2所示。该装置能够实现精确地向纳米器件表面注射微量气体或液体，该操作可以但不限于在光学显微镜的辅助下进行观察，并能与此同时测量纳米器件电学性能的变化。可以但不仅限于同时测量样品附近的温度等环境参数。在进行上述测量的同时能够为纳米器件提供从大气到高真空的气氛环境，并允许逐渐替换样品附近的气体成分。该装置允许更换样品实现多次测量。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的纳米传感器的原位测量装置，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
Claims (6)
1.一种纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，包括一盛装纳米传感器样品的盒子，该盒子由一盒底和一透明材料的盒盖组成，纳米传感器样品固定在电学测量基片上，所述电学测量基片放置在盒底内，用盒盖密封住盒底，在所述盒盖或盒底上设有两个微孔，一个微孔与真空抽吸针阀的传导管密封连接，另一个微孔与气/液源的注入阀门的传导管密封连接；所述电学测量基片包括一电极板，电极板的表面用于承载纳米传感器样品，纳米传感器样品与电极板的预留电极连接，电极板的电极通过穿过盒盖或盒底的电引线与测量仪器连接，电引线穿过盒子盒底的接口处密封。
2.如权利要求1所述的纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，所述电极板连接一温度传感器，用于测量纳米传感器样品区域的环境温度。
3.如权利要求1或2所述的纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，所述电极板连接一电控加热器，用于加热纳米传感器样品区域的环境温度。
4.如权利要求1所述的纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，所述盒子的内部空间体积的范围为5-10ml。
5.如权利要求1或4所述的纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，所述微孔的直径不大于0.5mm。
6.如权利要求1所述的纳米传感器的原位测量装置，其特征在于，还包括一套夹具，用于将盒盖和盒底上下固定。
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