CN104034432B - 一种近红外传感芯片及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离子液体‑聚吡咯纳米颗粒的近红外光传感芯片，包括聚二甲基硅氧烷基片、2个盖玻片和2个电极；2个所述盖玻片分别贴附于所述聚二甲基硅氧烷基片的上表面和下表面，且为密封配合；所述聚二甲基硅氧烷基片上设有一通孔；所述通孔内填充有聚吡咯纳米颗粒和离子液体的混合物；2个所述电极均穿过所述聚二甲基硅氧烷基片与所述混合物接触。本发明进一步公开了所述芯片的制备方法。本发明提供的近红外传感芯片与传统的近红外传感芯片相比，该传感芯片减小了芯片的体积和成本，结构简单，操作方便，对近红外光的检测限低。

Description

一种近红外传感芯片及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种近红外传感芯片及其制备方法与应用，具体涉及一种基于离子液体-聚吡咯纳米颗粒的近红外传感芯片及其制备方法与应用，属于光电传感器领域。

背景技术

近红外光传感器是一种可以检测特定波长的近红外光强度的传感器，近红外光传感器按照其传感机理可以划分为两类，一类是光子传感器，基于光电效应的机理；另一类是热传感器，基于光热转换的热效应机理。传统的近红外光传感芯片采用毒性很大的无机材料作为传感基元，比如硫化镉、硒化镉、硫化铅等，除此之外，传统的近红外光传感芯片体型巨大，价格昂贵，环境中难以降解，不易携带，操作也不够简便，这些缺点使得近红外光传感器的应用只能局限在部分高校、科研单位和军方机构等，无法面向社会和大众，不利于近红外光传感器的进一步普及和发展。

当前，离子液体作为一种新型的液态电解质备受各类学科的广泛关注。与常见的电解质溶液(主要是盐的水溶液)不同，离子液体是一种纯净物，本身仅由阴阳离子构成，常见的阳离子有季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等，阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等。离子液体在室温或者接近室温时呈液态，具有一定的流动性，此外，离子液体具有良好的热稳定性、化学稳定性、较高的离子电导率、适中的粘度以及自身可忽略不计的蒸汽压，使得离子液体在电化学、电分析化学领域有着广阔的应用前景。

离子液体具有一定的离子电导率，但这种电导率并非恒定不变，在受到外界因素，比如温度、水、二氧化碳等的影响时，电导率会发生变化，利用这种电导率变化，我们可以实时监测外界环境的变化。S.T.Armes等(J.Chem.Soc.Chem.Commun.1987,288)发现聚吡咯纳米颗粒对600nm以上的红外光有很强的吸收，聚吡咯纳米颗粒自身具有光热转换能力，可以将近红外光全部转化为热量。利用聚吡咯纳米颗粒的这种光热转换性质，可以把一定强度的近红外光转换成温度的变化，从而使得离子液体的电导率发生响应性变化，这种变化可以通过电化学设备检测出来。

因此，提供一种基于离子液体-聚吡咯纳米颗粒、操作简单、方便携带、价格低廉的近红外光传感芯片具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种近红外传感芯片及其制备方法与应用，该芯片能够将近红外光通过聚吡咯纳米颗粒转换成温度变化，进而改变芯片内部离子液体的电导率，再通过电化学设备检测出来离子液体的电导率改变量，使之与近红外强度一一对应，从而检测近红外光强度。

本发明提供的一种基于离子液体-聚吡咯纳米颗粒的近红外光传感芯片，包括聚二甲基硅氧烷基片、2个盖玻片和2个电极；

2个所述盖玻片分别贴附于所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的上表面和下表面，且为密封配合；

所述聚二甲基硅氧烷基片上设有一通孔；所述通孔内填充有聚吡咯纳米颗粒和离子液体的混合物；

2个所述电极均穿过所述聚二甲基硅氧烷基片与所述混合物接触。

上述近红外光传感芯片中，所述混合物中，所述聚吡咯纳米颗粒的质量百分含量可为0.1％～5.0％，具体可为1.0％；

所述聚吡咯纳米颗粒的粒径可为40nm～60nm。

上述近红外光传感芯片中，所述离子液体可为1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐([OMIm][Ac])、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐([BMIm][Ac])、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIm][Ac])中任一种。

本发明也提供了上述近红外光传感芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)在所述聚二甲基硅氧烷基片上打孔得到所述通孔；

(2)将2个所述盖玻片分别与所述聚二甲基硅氧烷基片的上表面和下表面进行加热键合；

(3)向所述通孔内注入所述聚吡咯纳米颗粒与所述离子液体的混合物；

(4)将2个所述电极接入至所述通孔内，且与所述混合物接触，即得到所述近红外光传感芯片。

上述制备方法，步骤(1)中，所述通孔具体可通过使用不同直径的圆形打孔器基于同一个圆心对聚二甲基硅氧烷基片打孔得到。

上述制备方法，步骤(2)中，所述盖玻片与所述聚二甲基硅氧烷基片经加热键合后即得密封的内含通孔的聚二甲基硅氧烷基片。

上述制备方法，步骤(2)中，所述加热键合的温度可为65℃～80℃，具体可为65℃；时间可为8h～12h，具体可为8小时。

上述制备方法，步骤(2)中，在所述加热键合之前，所述方法还包括对所述盖玻片的表面和所述聚二甲基硅氧烷基片的表面进行Plasma处理的步骤；

所述Plasma处理的时间可为2～3min，具体可为2min，所用气体为空气，在进行Plasma处理之后应立即将聚二甲基硅氧烷基片的上下表面与盖玻片进行键合。

上述制备方法，步骤(3)中，在注入所述混合物之前，向所述聚二甲基硅氧烷基片插入两个针头，且所述针头与所述通孔相连通；

通过注射器和一个所述针头向所述通孔内注入所述混合物；由于所述通孔是密封的，因此通过设置所述针头以连通大气，则在所述注射器的作用下使混合物可以顺利地注入所述通孔内；

所述针头的直径与所述电极的直径比为0.75～0.8：1，具体可为0.75：1。

上述的制备方法，步骤(4)中，所述接入电极的步骤为：拔出所述针头，将所述电极插入至所述针头所在的缝隙内，即拔出所述针头后的缝隙在插入两根所述电极后即可保证传感芯片的密封。

本发明进一步提供了上述近红外光传感芯片在制备近红外传感器中的应用。

本发明同时提供了上述近红外光传感芯片在检测近红外光强度中的应用。

本发明的有益效果是，与传统的近红外传感芯片相比，该传感芯片减小了芯片的体积和成本，结构简单，操作方便，对近红外光的检测限低(可检测功率密度低至0.2W/cm²)，响应速度快(响应时间120s)，方便携带，价格低廉，可以大批量生产。

附图说明

图1为聚二甲基硅氧烷基片的实物图。

图2是聚吡咯纳米颗粒和离子液体的混合物注入到聚二甲基硅氧烷基片内通孔的示意图。

图3是填充有聚吡咯纳米颗粒和离子液体的混合物近红外传感芯片的实物图。

图4是近红外光传感芯片的结构示意图。

图5是聚吡咯纳米颗粒的扫描电镜图。

图6是近红外传感器对近红外光的响应图。

图7是近红外传感器对不同功率的近红外光的响应图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中聚吡咯纳米颗粒的制备方法：配制10mL质量分数为0.5％的聚乙烯醇(分子量为22000)水溶液作为水相，0.4mL吡咯和2mL二氯甲烷混合作为油相，二者混合后在高速分散机下以10000rpm的转速下分散3min，之后加入0.4mL的饱和三氯化铁溶液在300rpm的转速下搅拌12h。

后处理以除去溶液中的表面活性剂聚乙烯醇(分子量为22000)，具体步骤：在上述溶液中加入10mL的去离子水，在高速离心机中以10000rpm的转速下离心20min，之后移除上清液，再加入10mL的去离子水振荡，离心，这个过程重复3次。得到的溶液在冻干机中冻干，即可得到聚吡咯纳米颗粒，备用。

上述方法制备得到的聚吡咯纳米颗粒的扫描电镜图如图5所示，由图5可知，聚吡咯纳米颗粒的粒径在40～60nm之间。

下述实施例中使用的离子液体(1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐)购自兰州中科凯特科工贸有限公司。

实施例1、近红外传感芯片的制备及对近红外光的响应

(1)近红外传感芯片的制备

通过模具制备前体与交联剂(型号：Sylgard184，双组份试剂，分别为前体和交联剂；生产厂家：美国道康宁公司)质量比为10：1的PDMS基片，厚度为2mm，之后使用不同直径的打孔器，分别为15mm与7.5mm，基于同一圆心对PDMS基片打孔，得到含通孔的PDMS环形基片，如图1中左图所示。

对PDMS环形基片的上下表面和两个盖玻片分别进行Plasma处理(PR-4型去胶机，功率：330W，所用气体：空气)两分钟，之后将PDMS基片与盖玻片进行键合，键合过程需要加热65℃处理8小时，得到内含空腔的封闭的PDMS基片，如图1中右图所示。

在PDMS基片的两端均插入针头，其中一个针头连接一个注射器(最大容量1mL)(针头直径：0.45mm；针座色标：褐色)，注射器在吸取混有质量分数为1.0％聚吡咯纳米颗粒的聚吡咯纳米颗粒与离子液体的混合物之后，其中离子液体选用1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐，将混合溶液注入到PDMS基片的空腔之中，并将空腔全部注满，如图2所示。

将PDMS基片两端的针头先后拔出，再使用两根电极线顺着针眼的缝隙接入到基片两端(电极为金属材质，直径为0.6mm，略大于针头半径，插入后即可保证密封，内部液体在毛细作用力的作用下不会漏出)，之后即得到可用的近红外光传感芯片，实物图如图3所示，示意图如图4所示。

(2)近红外传感芯片对近红外光的响应

将制备的近红外传感器芯片的电极接入到电化学工作站(型号为CHI660E，上海辰华仪器有限公司)，方法采用电流-时间曲线法，设定输出电压恒定为1.0V，对近红外传感芯片进行恒电位扫描，得到的电流-时间曲线仅仅与芯片的电阻变化有关，具体试验过程及结果如下：

选取近红外激光器(波长为808nm，北京海特光电有限责任公司)作为近红外光光源，光斑面积为0.5cm²，近红外光功率可以调节，功率调节范围在测试中设定为0.1W～1.0W。

1)调节近红外激光器的辐射功率为恒定的0.5W，光斑面积为0.5cm²，将上述近红外传感芯片的电极线接入到电化学工作站，同时对芯片进行恒电位扫描，电压设置为1.0V，记录电流-时间曲线，观察电流随近红外光照产生的变化，设定近红外光的照射时间为2min，冷却时间为2min，持续六个循环，其中，响应值(ΔG/G₀)的计算依赖一个设定的公式：ΔG/G₀＝[1-I/I₀]×100％，其中I表示实时电流，而I₀表示初始测试时的起始电流。

实验结果如图6所示，由图6可知，在六个循环中，每个循环的响应值基本一致，即在0.5W辐射功率的近红外光照射下，每个循环的响应值都在190％左右。

2)将上述近红外传感芯片的电极线接入到电化学工作站，光斑面积为0.5cm²，对芯片进行恒电位扫描，电压设置为1.0V，记录电流-时间曲线，观察电流随近红外光照产生的变化，设定近红外光的照射时间为2min，冷却时间为2min。其中，依次调节近红外激光器的辐射功率从0.1W递增至1.0W，近红外光的功率依次为0.1W、0.2W、0.4W、0.6W、0.8W和1.0W。

实验结果如图7所示，由图7可知，响应时间为120s。在0.1W～1.0W之间，响应值ΔG/G₀随着近红外光辐射功率的上升而上升，呈规律性增加。

Claims (10)

1.一种基于离子液体-聚吡咯纳米颗粒的近红外光传感芯片，其特征在于：它包括聚二甲基硅氧烷基片、2个盖玻片和2个电极；

2个所述盖玻片分别贴附于所述聚二甲基硅氧烷基片的上表面和下表面，且为密封配合；

所述聚二甲基硅氧烷基片上设有一通孔，所述通孔沿所述聚二甲基硅氧烷基片的轴向贯通，所述盖玻片密封所述通孔，所述通孔内填充有聚吡咯纳米颗粒和离子液体的混合物；

2个所述电极均穿过所述聚二甲基硅氧烷基片与所述混合物接触。

2.根据权利要求1所述的近红外光传感芯片，其特征在于：所述混合物中，所述聚吡咯纳米颗粒的质量百分含量为0.1％～5.0％；

所述聚吡咯纳米颗粒的粒径为40nm～60nm。

3.根据权利要求1或2所述的近红外光传感芯片，其特征在于：所述离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中任一种。

4.权利要求1-3中任一项所述近红外光传感芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)在所述聚二甲基硅氧烷基片上打孔得到所述通孔；

(2)将2个所述盖玻片分别与所述聚二甲基硅氧烷基片的上表面和下表面进行加热键合；

(3)向所述通孔内注入所述聚吡咯纳米颗粒与所述离子液体的混合物；

(4)将2个所述电极接入至所述通孔内，且与所述混合物接触，即得到所述近红外光传感芯片。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述加热键合的温度为65℃～80℃，时间为8h～12h。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，在所述加热键合之前，所述方法还包括对所述盖玻片的表面和所述聚二甲基硅氧烷基片的表面进行Plasma处理的步骤；

所述Plasma处理的时间为2～3min。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在注入所述混合物之前，向所述聚二甲基硅氧烷基片插入两个针头，且所述针头与所述通孔相连通；

通过注射器和一个所述针头向所述通孔内注入所述混合物；

所述针头的直径与所述电极的直径比为0.75～0.8：1。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述接入电极 的步骤为：

拔出所述针头，将所述电极插入至所述针头所在的缝隙内。

9.权利要求1-3任一项所述近红外光传感芯片在制备近红外传感器中的应用。

10.权利要求1-3任一项所述近红外光传感芯片在检测近红外光强度中的应用。