CN108088837A - 一种痕量炸药和毒品探测器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于公共安全技术领域，具体为一种痕量炸药和毒品探测器和使用方法。本发明探测器包括微型真空泵、真空盒、加热台、激光拉曼光谱仪和气体传感器；气体传感器由基片和基片上的纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管组成；该自卷曲微米管是利用真空镀膜设备制备多层薄膜，然后在合适的温度下退火自卷曲形成。使用探测器进行痕量炸药和毒品探测时，气体传感器置于真空盒加热台上；微型真空泵对真空盒抽气，吸入炸药、毒品等环境中的痕量气态分子，利用激光拉曼光谱仪探测气态分子特征拉曼峰，实现对炸药、毒品等的探测。通过加热抽真空、排除残留气体，循环测量或闲置备用。本发明结构精巧、超高灵敏，适用于反恐、侦察等公共安全领域。

Description

一种痕量炸药和毒品探测器及其使用方法

技术领域

本发明属于公共安全技术领域，具体涉及一种痕量炸药和毒品探测器和使用方法。

背景技术

随着我国经济高速发展，公共安全领域越来越受到广泛关照，从机场、车站到广场、大型集会等，均需对可疑包裹和人物进行检查，探测可能隐藏的炸弹、毒品及危险物品。现在通常用的办法是利用警犬嗅闻和利用离子迁移光谱技术探测及其他方法。其中，警犬探测是利用警犬极好的鼻腔灵敏度，嗅闻炸弹或毒品等危险物残留的痕迹或散发出的气体分子。对于包裹严密危险品，散发出的痕量气态分子浓度极低，警犬也难以嗅闻出。离子迁移光谱技术则是通过真空吸附或擦拭的方法，将极微量的炸药成分采集到炸药探测器的入口中，经加热气化后，与特殊化学试剂结合，经微量放射源的作用，产生化学-电离反应。电离后的样品带电分子进入电离门，通过电离门后面的电场，使其加速漂移至样品收集器的极靶上，并记录离子在电场中的飞行时间。根据对各离子飞行时间的记录，判断该物质的成分。这种方法同样存在一定缺点，首先需要放射源，环境不友好；其次，设备笨重，精度也不是十分高，经常导致错误。其他的方法还包括俘获离子检测技术、化学方法等，但都有精度不十分高，难以对危险包裹精确判断的缺点。

目前还有一种探测方法，即利用拉曼散射谱仪测定待探测物的特征拉曼散射谱来确定成分，这种方法一般是直接对炸药或毒品的擦痕粉末进行探测或溶入到液体形成溶液进行探测，同样很难对包裹紧密的物品表面散发的痕量气态分子进行精确响应，因而不能应用于对包裹探测。为此，如若需通过拉曼散射谱仪探测拉曼特征峰的办法来探测危险物，需提高拉曼散射谱仪的灵敏度。一种方法是利用纳米金属颗粒激发表面等离子体形成表面增强拉曼散射效应来提高拉曼散射仪的探测灵敏度。这种方法基本原理是在半导体基片或玻璃基片上制备纳米金属颗粒或涂敷纳米胶体颗粒，然后把待测痕量物溶入液体形成溶液，滴到纳米金属颗粒表面，探测拉曼特征峰，这种方法可以使得探测灵敏度增强10⁴倍左右。然而，这种方法仍然很难对包裹紧密的物品表面散发的痕量气态分子气体进行直接探测；并且，另外一个问题，即难以循环利用问题，原因是，纳米金属颗粒表面一旦暴露在气体中(包括大气)，很容易吸附几层气体分子，表面被气体分子包裹，难以再释放，因而只能一次性使用。为此，为克服上面所述难点，需解决两个问题，即1) 进一步增强探测灵敏度；2）解决纳米颗粒的吸附气体分子再释放问题，形成探测器循环利用。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种无损、快速、超高灵敏的痕量炸药和毒品探测器及其使用方法，

本发明提供的痕量炸药和毒品探测器，是基于纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管的，利用表面等离子体与回音壁共振增强双重增强拉曼散射效应以提高探测器灵敏度，并利用加热除气的方法形成循环利用。

本发明提供的痕量炸药和毒品探测器，包括：气体传感器、真空盒、加热台、微型真空泵和激光拉曼光谱仪；所述加热台设于真空盒里，气体传感器置于加热台上，真空盒一侧面（称为前端）开口，该开口处设置有可开关前窗，该前窗可使真空盒打开或关闭；真空盒上分别设置有气体导入口和气体导出口，气体导入口设置在可开关前窗上，且气体导入口设置有阀门，用于导入气体或密闭气体，气体导出口设置在真空盒后端（即前窗相对的面）处，气体导出口通过导管和微型真空泵连接，导管上靠近气体导出口处设置阀门；真空盒的顶部设置有密闭透明玻璃窗口，激光拉曼光谱仪设置于该窗口上方；其中，所述气体传感器由基片和基片上的纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管组成，纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管是首先通过真空镀膜设备制备多层薄膜，然后在300-800℃温度下退火得到；纳米颗粒修饰的自卷曲多层微米管的内、外层膜的材料分别独立地选自氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化锌、氧化镓、氧化镁、氧化钇、氮化硅、氮化铝或氮化镓中的一种，纳米颗粒选自金、银、铜、铂、钯、镍和铬中的一种或几种。

本发明中，纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管的内径是1-20μm，管壁厚度5-500nm，管长10-200μm，纳米颗粒的颗粒直径3-500nm。

本发明中，优选纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管的内径是8~14μm，管壁厚度200-400nm，管长50-150μm，纳米颗粒的颗粒直径150-300nm。

本发明中，纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管中的纳米颗粒呈非连续岛状结构。

本发明中，真空盒和加热台均为长方形。加热台作用是提供对粘结其上纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管加热，以便排除表面吸附残留气体。

本发明中，微型真空泵的抽气速率为0.1-50升/秒，极限压强为0.1Pa；用电力驱动，其作用是对真空盒抽气；导管为波纹管或皮管。

本发明中，所述真空镀膜设备，可以是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发、脉冲激光沉积、离子镀等常用薄膜制备设备，为专业人员所熟知。

本发明中，激光拉曼光谱仪的激光波长是488-632nm；检测光谱范围是50-2000cm^-1。

本发明中，加热台与放置其上的气体传感器的基片用银胶导热胶粘结，加热温度为50-200℃。

本发明中，可开关前窗和真空盒的连接处设置橡胶圈。

本发明还提供一种上述的痕量炸药和毒品探测器的使用方法，具体步骤如下：

(1) 痕量炸药和毒品探测器的气体导入口对准待探测物；

(2) 启动微型真空泵，打开气体导出口处阀门，打开气体导入口处阀门，通过微型真空泵对真空盒抽气，导入待探测物表面散发气态分子，吸附在纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管表面；

(3) 打开激光拉曼光谱仪，探测吸入气体分子拉曼散射光谱；

(4) 用毒品和炸药成分的特征拉曼散射光谱比照所探测气体分子的拉曼散射光谱，判断是否有炸药或毒品气体分子导入，据此判断待被探测物是否内含有炸药或毒品等危险物；

(5) 打开加热台电源，加热纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管；

(6) 关闭真空盒的气体导入口阀门，对真空盒抽真空，排除残留气体；打开真空盒的气体导入口阀门并对准新的待探测物循环探测或对准氮气罐通入氮气保护气体，先关闭气体导出口阀门，再关闭气体导入口阀门，再关闭微型真空泵，在真空盒内密闭氮气保护气体，闲置保护探测器，为下次使用准备。

本发明装置可反复使用，解决了现有探测器一次性应用的问题，其原理是，采用加热纳米颗粒修饰的微米管，并一边抽气，达到吸附气体再释放。通常，气体吸附在固体表面的吸附几率为τ=τ₀ exp(E _d /RT)，式中，τ是气体吸附几率，τ ₀ 是常数，E _d 是活化能，R为气体常数，T为绝对温度；从公式可以看到，提高温度可以减少气体吸附几率，即如果需要排除吸附在纳米颗粒上的残留气体，可以通过加热提高温度来抽气排除，达到纳米颗粒修饰微米管的循环利用。

本发明中，主要针对危险包裹进行探测，更具体是对包裹所散发的气态分子探测，探测的是固体炸药或毒品散发出的气态分子，其中，所述炸药是主要成分为三硝基甲苯、硫、季戊四醇四硝酸酯、黑索金、三过氧化三丙酮一种或多种组合；所述毒品主要成分甲基苯丙胺、盐酸二乙酰吗啡、苯甲基芽子碱。

以上，和现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)采用纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管表面等离子体与回音壁共振增强拉曼散射强度，增加探测灵敏度；

2）利用加热纳米颗粒修饰微米管使气体解吸附，形成循环利用机制。

3) 探测器结构简单，轻巧，灵敏度超高，成本低廉；适用于对可疑包裹进行无损探测，用于机场、车站、广场集会等公共安全领域对可能的爆炸物、毒品等进行探测。

附图说明

图1是光在环形管壁回音壁谐振示意图。

图2是本发明实施过程中制备多层膜的结构示意图。

图3是本发明实施过程中制备纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管结构示意图。

图4是本发明实施过程中炸药毒品探测器的结构示意图。

图中标号：1-环形谐振腔管壁，2-回音壁谐振光，3-基片，4-光刻胶牺牲层，5-外层氧化物或氮化物薄膜，6-内层氧化物或氮化物薄膜，7-金属薄膜，8-纳米金属颗粒，9-加热台，10-真空盒，11-纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管，12-前窗，13-气体导入口，14-气体导出口，15-微型真空泵，16-激光拉曼光谱仪，17-顶层玻璃窗口，18-入射和出射激光。

具体实施方式

本发明中使用的术语，除另有说明，具有一般专业领域普通技术人员所理解含义。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

图1是光在环形管壁回音壁谐振示意图。

本发明增加探测器灵敏度的原理包括两方面。一方面，气态分子吸附在纳米金属颗粒表面，当拉曼散射仪入射激光入射到分子上，可以与分子作用，产生拉曼散射激光，当纳米金属颗粒种类和半径得到最优化，拉曼散射激光可以在纳米金属颗粒表面激发等离子体电磁波共振，产生拉曼散射强度增大效应，增强因子可达10⁴；另一方面，激发的表面等离子体电磁波（光是一种电磁波）可以耦合进入自卷曲微米管的管壁，限制在其管壁内；如果自卷曲微米管管径、表面粗糙度、材料得到最优化，可在环形界面连续发生全反射，沿着管壁的环形界面干涉，形成环路光路，产生光学谐振，对光强进行放大，示意图如图1所示。此效应类似激光器的光路谐振放大，产生激光。回音壁谐振增强的光可以通过倏逝波耦合，回到管壁纳米金属颗粒表面，与等离子体振荡电磁波共振，大大增强金属颗粒表面局域电磁波电矢量；此时，如果在金属颗粒表面吸附有分子，分子拉曼散射将在这增强的局域电磁矢量激发下，极大增强。通过这样双重增大机制，增强探测灵敏度，可以对吸附在纳米颗粒上的痕量分子进行表征探测。

本发明中，炸药毒品探测器的制备，主要步骤包括两个阶段：I. 制作气体传感器和II.组装炸药毒品探测器；具体如下：

I. 制作气体传感器

具体制备步骤如下：

1、清洗基片3。取2至5英寸基片3，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥，基片3可以是硅片、石英片、玻璃片，优选基片3为硅片。

2、光刻工艺。使用中国科学院微电子研究所的KW-5型匀胶机在基片3表面旋涂一层光刻胶，所使用的光刻胶为正光刻胶。涂胶工艺为先以600-1000 rpm低转速旋转，时间为6-20秒；然后以3000-5000 rpm高速旋转，时间为30-60秒。取下基片3，放置于100-150℃电热板上烘烤30-90 s。取出基片3，使用紫外光刻机对基片3进行光刻，光刻板的总尺寸为5×5cm正方形阵列，光刻板材料为镀有正方形Cr金属薄膜阵列的石英玻璃板，每一个正方形Cr膜的尺寸为10×10 到 200×200µm。将光刻后的基片浸没于正胶显影液中，时间20-50 s；其后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到正方形的光刻胶牺牲层4。具体的光刻工艺是专业技术人员熟知的通用工艺。

3、蒸镀多层膜工艺。把上述光刻所得光刻胶阵列基片放入真空镀膜腔体，真空镀膜设备用电子束蒸镀，进行逐层电子束蒸发沉积镀膜，蒸镀工艺为专业人员熟知工艺。将基片3倾斜固定于真空腔体样品架上，使得蒸发材料倾斜沉积于基片3上，倾斜角度为60°。蒸镀工序为：首先在光刻胶牺牲层4上蒸发一层氧化物或氮化物薄膜，即外层氧化物或氮化物薄膜5：沉积速率为1 Å/s，基片温度为100-300℃，蒸发气压为1-10×10^-2Pa，厚度2.5-250nm，材料为氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化锌、氧化镓、氧化镁、氧化钇、氮化硅、氮化铝、氮化镓中的一种。然后在外层氧化物或氮化物层5上再沉积一层内层氧化物或氮化物薄膜6；沉积速率为1 Å/s，基片温度为100-300℃，蒸发气压为1-10×10^-2Pa，厚度2.5-250nm。最后，在内层氧化物或氮化物层6上再沉积一层金属薄膜7；沉积速率为1 Å/s，基片温度为100-300℃，沉积气压为1-10×10^-2Pa，厚度2.5-100nm，材料为金、银、铜、铂、钯、镍和铬中的一种或其中几种组合。所述电子束蒸发，也可用溅射镀膜设备。

4、退火制备纳米金属颗粒修饰微米管。将工艺步骤3制备所得多层薄膜放入快速热退火炉中进行退火。退火温度为300-800℃，退火时间为10-60s，退火气氛为N₂，退火压强0.1-1大气压。此工艺去除光刻胶牺牲层，释放薄膜内用力，获得卷曲微米管阵列结构，见图3，微米管直径的内管径是1-20μm，管壁厚度5-200nm，管长10-200μm。在退火过程中，金属薄膜层在表面张力作用下，形成非连续的岛状纳米颗粒，附在微米管壁内壁，其颗粒直径5-500nm。经过此工艺，得到基于纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管的气体传感器，见图3。

II.组装炸药毒品探测器，组装示意图见图4，过程如下：

(1)打开真空盒10的前窗12，把加热台9放入，安装固定在真空盒子10内，位置正对真空盒顶层玻璃窗口17；真空盒特征如下：真空盒材质优选内抛光不锈钢，不锈钢厚度1-5mm，优选2mm；形状是长方体，盒体外长度5-30cm、盒体外宽3-20cm、盒体外高度3-15cm；真空盒具有气体导出口14；真空盒具有前置可开关前窗12，前窗12与真空盒用橡胶圈作为垫片保持气密性；前窗具有气体导入口13；真空盒顶部具有密封圆形可透光顶层玻璃窗口17，直径为1-2cm，用以导入激光和导出散射激光18；

(2)把基于纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管11的气体传感器放入真空盒10内的加热台9上，用银胶或导热胶固定在真空盒加热台上；

(3)通电加热加热台9，在80-120℃加热保持加热时间20-60分钟，使得纳米金属颗粒修饰微米管阵列基片与加热台9结合紧密；

(4)关闭真空盒的前窗12，用螺丝旋紧，真空盒的前窗12与真空盒壁通过橡胶圈接触，保持气密性；

(5)使真空盒10与微型真空泵15连接；连接方式是塑胶皮管；皮管和真空盒10连接处气体导出口14具有阀门，可关和闭合。微型真空泵可商业购置也可以自制；

(6)把激光拉曼光谱仪16的探头对准顶层玻璃窗口17，并夹紧固定；所述激光拉曼光谱仪可以自制，也可以从市场购置；其激发激光波长是488-632nm；检测拉曼光谱范围是50-2000cm^-1；

(7)关闭气体导入口13处阀门，打开气体导出口14处阀门，对真空盒10抽气，抽气2小时，其后打开气体导入口13处阀门，通过气体导入口13充入氮气保护，至压强1大气压；

(8)至此，炸药毒品探测器组装完毕，即可等待使用。

本发明中，毒品和炸药探测器的具体使用方法如下：

(1) 把探测器的气体导入口13对准待探测物；

(2) 启动微型真空泵15，打开气体导出口14处阀门，打开气体导入口13的阀门，通过微型真空泵抽气，导入待探测物表面散发气体进入真空盒10，待探测物表面散发气体分子即可吸附到纳米金属颗粒修饰微米管11的内外表面。抽气时间为20-60秒；

(3) 打开激光拉曼光谱仪16，探测吸入气体分子拉曼散射光谱；

(4) 用毒品和炸药成分的特征拉曼散射光谱比照所探测气体拉曼散射光谱，判断是否有炸药或毒品气体分子导入，判断待监测物是否内含有炸药或毒品。典型炸药成分-三硝基甲苯的特征拉曼散射峰系列为：240 cm^-1，693 cm^-1，840 cm^-1，1005 cm^-1，1210 cm^-1，1380cm^-1，其中，最强峰为1380 cm^-1峰，次强峰为1210 cm^-1峰，不同的散射峰对应于不同的分子内振动模式，并且强度不一样，在不同的环境中峰位略有移动，形成特征峰，专业人员据此可以判断探测物是否含有三硝基甲苯。典型冰毒成分-甲基苯丙胺的特征拉曼散射峰系列为：236 cm^-1，620 cm^-1，836 cm^-1，1001 cm^-1，1018 cm^-1，1209 cm^-1，其中，最强峰为1001 cm^-1峰，次强峰为836 cm^-1峰，不同的散射峰对应于不同的分子内振动模式，并且强度不一样，在不同的环境中峰位略有移动，专业人员据此可以判断探测物是否含有甲基苯丙胺。其他危险品分子拉曼散射峰同样具有特征谱线，为专业人员所熟知；

(5) 打开加热台9的电源，加热纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管11；

(6) 关闭真空盒10前置气体导入口13的阀门；对真空盒10抽真空1-5分钟，抽气过程中保持加热台9加热，排除残留气体；

(7) 循环(1)-(6)，对待测物探测；

(8) 通入氮气保护气体至标准大气压，闲置保护探测器，为下次使用准备。

本实施方式中具体工艺参数按本技术领域人员所熟知或根据现有技术确定。

为更进一步解释清楚基于自卷曲微米管表面等离子体共振增强拉曼效应的炸药毒品探测器及应用，下面结合附图和实施例对本方面的技术方案进行详细介绍。

实施例1

1、清洗基片3。取2英寸硅片，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥，硅片示意图如图2所示。

2、光刻工艺。使用中国科学院微电子研究所的KW-5型匀胶机在基片3面旋涂一层光刻胶，所使用的光刻胶型号为德国Allresist公司的AR-P3510T正性光刻胶。涂胶工艺为先以800 rpm低转速旋转，时间为10秒；然后以3000 rpm高转速旋转，时间为50秒。取下基片，放置于120℃电热板上烘烤60 s。取出基片3，使用德国SUSS公司的MA6紫外光刻机对基片3进行光刻，光刻板总尺寸为5cm×5cm正方形阵列，光刻版材料为镀有正方形Cr金属薄膜阵列的石英玻璃板，每一个正方形Cr膜的尺寸为50×50µm。将光刻后的基片3浸没于苏州瑞红电子化学品有限公司正胶显影液中，正胶型号为RZX-3038，浸没时间30 s；其后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到正方形的光刻胶牺牲层阵列4。具体的光刻工艺是专业技术人员熟知的工艺。

3、蒸镀多层膜工艺。把上述光刻工艺所得光刻胶阵列基片放入真空镀膜腔体，真空镀膜设备为深圳天星达公司TSV700型电子束蒸发镀膜机，进行逐层电子束蒸发沉积镀膜，蒸镀工艺为专业人员熟知工艺。将光刻胶阵列基片倾斜固定于真空腔体样品架上，使得蒸发材料倾斜沉积于基片3上，倾斜角度为60°。首先在光刻胶牺牲层4上蒸发一层SiO薄膜，如图2中5所指；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，蒸发气压为5×10^-2Pa，厚度10nm。然后在SiO上再沉积一层TiO₂薄膜；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，蒸发气压为5×10^-2Pa，厚度10nm。最后，在TiO₂薄膜上再沉积一层Ag薄膜7，见图2；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，沉积气压为5×10^-2Pa，厚度2.5nm。

4、退火工艺。将工艺3制备所得多层薄膜放入快速热退火炉中进行退火。退火设备型号：ULVAC ACS-4000-C4，退火温度为500℃，退火时间30s，退火气氛为N₂，退火压强0.5大气压。获得自卷曲微米管，管壁内附有非连续岛状纳米颗粒，见图3所示，其颗粒直径分布为5-30nm。如此，得到气体传感器，见图3。

5、探测器装置组合装配工艺。组装示意图见图4，过程如下：

(1)自制真空盒10。真空盒10的材质为内抛光不锈钢，不锈钢厚度2mm；形状是长方体，盒体外长度20cm、盒体外宽15cm、盒体外高度8cm；真空盒10具有气体导出口14及前置可开关前窗12，前窗12与真空盒10用橡胶圈作为垫片保持气密性；前窗12具有气体导入口13，并装配有阀门；真空盒10顶部具有密封圆形透明顶层玻璃窗口17，直径为1.5cm；

(2)把方形电炉丝加热台9安装固定在真空盒10内，位置正对真空盒顶层玻璃窗口17；加热台9最大功率100W；

(3)把带有纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管11的硅基片（气体传感器）放入真空盒10内的加热台9上，用银胶固定在真空盒加热台上；银胶为优尼维尔(Uninwell)公司BQ-6770型号银胶；

(4)通电加热加热台9，保持加热时间30分钟，带有纳米金属颗粒修饰微米管11的硅基片与加热台结合紧密；

(5)关闭真空盒的前窗12，并用螺丝旋紧，使真空盒的前窗12与真空盒壁通过橡胶圈接触，保持气密性；

(6)真空盒10与微型真空泵15连接；连接方式是塑胶皮管；皮管直径1cm。微型真空泵为购置于丹东海浩电子科技有限公司的PK5008型微型真空泵，抽气速率为20升/分；

(7)把激光拉曼光谱仪16的探头对准顶层玻璃窗口1顶层玻璃窗口并夹紧固定；本实施例中选用复享光学K-sens-532微型激光拉曼光谱仪，激发波长532nm，检测范围200-2000cm^-1；

(8)关闭气体导入口13处阀门，启动微型真空泵15，打开气体导出口14处阀门，对真空盒10抽气，抽气2小时；其后打开气体导入口13处阀门，对准氮气罐，关闭气体导出口14处阀门，关闭微型真空泵15，通过气体导入口13充入氮气保护，至压强1大气压，关闭气体导入口13处阀门；

(9)探测器组装完毕，即可等待使用。

实施例2

1、清洗基片3。取2英寸石英片，用丙酮、乙醇、去离子水依次进行超声清洗十分钟，在氮气流中干燥。

2、光刻工艺。使用中国科学院微电子研究所的KW-5型匀胶机在基片3表面旋涂一层光刻胶，所使用的光刻胶型号为德国Allresist公司的AR-P3510T正性光刻胶。涂胶工艺为先以800 rpm低转速旋转，时间为10秒；然后以3000 rpm高转速旋转，时间为50秒。取下基片3，放置于120℃电热板上烘烤60 s。取出基片3，使用德国Suss公司的MA6紫外光刻机对基片3进行光刻，光刻板总尺寸为5cm×5cm正方形阵列，光刻板材料为镀有正方形Cr金属薄膜阵列的石英玻璃板，每一个正方图形的尺寸为50×50µm。将光刻后的基片3浸没于苏州瑞红电子化学品有限公司正胶显影液中，正胶型号为RZX-3038，浸没时间30 s；其后用去离子水清洗，经氮气流干燥后得到正方形光刻胶牺牲层阵列，见图2中光刻胶牺牲层阵列4。具体的光刻工艺是专业技术人员熟知的工艺。

3、蒸镀多层膜工艺。把光刻工艺2所得光刻胶阵列基片放入真空镀膜腔体，真空镀膜设备为深圳天星达公司TSV700型电子束蒸发镀膜机，进行逐层电子束蒸发沉积镀膜，蒸镀工艺为专业人员熟知工艺。将光刻胶阵列基片倾斜固定于真空腔体样品架上，使得蒸发材料倾斜沉积于光刻胶阵列基片上，倾斜角度为60°。首先在图2光刻胶牺牲层4上蒸发一层Y₂O₃薄膜，如图2中5所指；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，蒸发气压为5×10^-2Pa，厚度10nm。然后在Y₂O₃薄膜上再沉积一层ZrO₂薄膜；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，蒸发气压为5×10^-2Pa，厚度10nm。最后，在ZrO₂薄膜上再沉积一层Au薄膜7，见图2；沉积速率为1 Å/s，基片温度为150℃，沉积气压为5×10^-2Pa，厚度2.5nm。

4、退火工艺。将工艺步骤3制备所得多层薄膜放入快速热退火炉中进行退火。退火设备型号：ULVAC ACS-4000-C4，退火温度为700℃，退火时间50s，退火气氛为N₂，退火压强0.5大气压。获得卷曲微米管阵列结构，管壁内附有非连续岛状纳米颗粒，见图3中8所指示，其颗粒直径分布为3-20nm。如此，得到基于纳米颗粒修饰自卷曲微米管的气体传感器，见图3。5、探测器装置组合装配工艺。装配工艺与实施例1种步骤5相同。

Claims (10)

1.一种痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，包括气体传感器、真空盒、加热台、微型真空泵和激光拉曼光谱仪；所述加热台设于真空盒内，气体传感器置于加热台上，真空盒一侧面即前端开口，该开口处设置有可开关前窗，该前窗可使真空盒打开或关闭；真空盒上分别设置有气体导入口和气体导出口，气体导入口设置在可开关前窗上，且气体导入口设置有阀门，用于导入气体或密闭气体，气体导出口设置在真空盒后端即前窗相对的面处，气体导出口通过导管和微型真空泵连接，导管上靠近气体导出口处设置阀门；真空盒的顶部设置有密闭透明玻璃窗口，激光拉曼光谱仪设置于该窗口上方；其中，所述气体传感器由基片和基片上的纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管组成，纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管是通过真空镀膜设备制备多层薄膜，然后在300-800℃温度下退火得到；纳米颗粒修饰的自卷曲多层微米管的内、外层膜的材料分别独立地选自氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铪、氧化锌、氧化镓、氧化镁、氧化钇、氮化硅、氮化铝或氮化镓中的一种，纳米颗粒选自金、银、铜、铂、钯、镍和铬中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，纳米颗粒修饰的自卷曲微米管的内径是1-20μm，管壁厚度是5-500nm，管长是10-200μm，纳米颗粒的颗粒直径是3-500nm。

3.根据权利要求2所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，纳米颗粒修饰的自卷曲微米管的内径是8~14μm，管壁厚度是200-400nm，管长是50-150μm，纳米颗粒的颗粒直径是150-300nm。

4.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管中的纳米颗粒呈非连续岛状结构。

5.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，真空盒和加热台均为长方形。

6.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，微型真空泵的抽气速率为0.1-50升/秒。

7.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，激光拉曼光谱仪的激光波长是488-632nm；检测光谱范围是50-2000cm^-1。

8.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，加热台与气体传感器的基片用银胶导热胶粘结，加热温度为50-200℃。

9.根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器，其特征在于，可开关前窗和真空盒的连接处设置橡胶圈。

10.一种根据权利要求1所述的痕量炸药和毒品探测器的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1) 痕量炸药和毒品探测器的气体导入口对准待探测物；

(2) 启动微型真空泵，打开气体导出口处阀门，打开气体导入口处阀门，通过微型真空泵对真空盒抽气，导入待探测物表面散发气态分子，吸附在纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管表面；

(3) 打开激光拉曼光谱仪，探测吸入气体分子拉曼散射光谱；

(4) 用毒品和炸药成分的特征拉曼散射光谱比照所探测气体分子的拉曼散射光谱，判断是否有炸药或毒品气体分子导入，据此判断待被探测物是否内含有炸药或毒品等危险物；

(5) 打开加热台电源，加热纳米金属颗粒修饰的自卷曲微米管；

(6) 关闭真空盒的气体导入口阀门，对真空盒抽真空，排除残留气体；打开真空盒的气体导入口阀门并对准新的待探测物循环探测或对准氮气罐通入氮气保护气体，先关闭气体导出口阀门，再关闭气体导入口阀门，再关闭微型真空泵，在真空盒内密闭氮气保护气体，闲置保护探测器，为下次使用准备。