CN109738112A - 一种基于纳米传感器的压强检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纳米传感器的压强检测装置，包括光源、纳米传感器、信号处理器及显示器，所述光源发出的光束经纳米传感器到达信号处理器，所述信号处理器与显示器电连接；所述纳米传感器包括支撑材料以及设置在支撑材料上的纳米复合结构，所述的纳米复合结构是由半导体材料和纳米金属材料通过能量杂化组成，半导体材料为含有激子的半导体材料。本发明公开的压强检测装置结构简单、操作方便、信号稳定、灵敏度高，能够实现压强的非接触、精准检测。特别是在纳米传感器中的纳米金属材料与半导体材料的接触界面形成强电磁场，大大提高纳米传感器的检测灵敏度，有利于进一步提高压强检测的准确性。

Description

一种基于纳米传感器的压强检测装置

技术领域

本发明涉及压力检测技术领域，特别涉及一种基于纳米传感器的压强检测装置。

背景技术

压力检测不仅对各种工业自控环境，如水利、水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床和管道等具有重要意义，对于生物医学领域的疾病检测或伴有气体压强变化的化学反应同样有着至关重要的作用。在实验室研究中，针对伴随有气体产生或者消耗的生物化学反应，可以通过检测气压实现对化学反应进程的实时监测。而在医院或家庭保健中，检测人体内部压强变化也是诊断疾病的关键技术手段，例如心血管压强（血压）是监测心脏类疾病及循环系统疾病的重要指标；泌尿系统压强是诊断膀胱相关疾病的重要指标；颅内压强是治疗颅脑损伤过程中的一项重要指标。

目前用于临床压强检测的传感器以光纤压强传感器为主，常见的光纤压强传感器类型有强度调制型、波长调制型、偏振调制型等。与传统电学压强传感器相比，光纤压强传感器本身不带电流，不受电磁的干扰，利于消除手术中因电气故障诱发心脏骤停等意外的产生。而且光纤压强传感器体积小，可以满足狭小空间部位的测压要求，为医疗诊断和手术操作带来更多的便利，近年来受到广泛推广。但是现有的光纤传感器设备结构复杂，背景噪音信号大，不利于压强的精准检测。因此，研发一种结构简单、检测方便、检测灵敏度高、信号稳定的压强检测装置是非常必要的。

近年来，局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR）技术因其检测装置简单，可免标记实时传感，空间分辨率高等优点，被广泛应用在生物传感领域。其传感原理是通过局域折射率的改变引起等离子体共振频率发生变化，进而引起光谱共振峰产生位移。当表面等离子体共振频率与靠近的激子（如二硫化钨等含激子的半导体材料）能级对应的频率相近时，二者波函数之间存在扰动，能量在新形成的杂化态的上下能级之间进行多次共振交换。通过能量杂化连接的材料体系被称之为杂化体系。能与等离子体形成杂化体系的常见材料是二维半导体材料，这种二维半导体材料一般具有超薄的厚度，不会对等离子体的电场增强产生影响，同时具有较大的表面积，利于扩大检测的线性范围。一旦形成杂化体系，等离子体与激子的接触界面就会形成强电磁场，强电磁场能够大大提高检测的灵敏度。当局域压强发生变化时，局域折射率便会随之发生相应变化，此时等离子体共振频率将随之发生变化，从而导致杂化体系的光谱发生改变。本发明基于杂化体系的这种特性制备了一种能够快速检测压强变化的压强检测装置。而且，通过在待测试区域设置足够的纳米传感器，还可以进一步实现对压强分布的快速检测。

发明内容

针对现有光纤压强传感器存在的不足，本发明提供了一种基于纳米传感器的压强检测装置，该压强检测装置包括光源、纳米传感器、信号处理器及显示器，所述光源发出的光束经纳米传感器到达信号处理器，所述信号处理器与显示器电连接；所述纳米传感器包括支撑材料以及设置在支撑材料上的纳米复合结构，所述纳米复合结构由半导体材料和纳米金属材料通过能量杂化组成，所述半导体材料为含有激子的半导体材料。

进一步的，所述半导体材料包括二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨或二硒化钼。

进一步的，所述纳米金属材料包括金、银、铜或铝，所述纳米金属材料的形状包括纳米球、纳米棒、纳米三角或纳米立方体。

进一步的，所述支撑材料包括石英玻璃、ITO导电玻璃、稀土玻璃或光纤。

进一步的，所述纳米复合结构沉积在支撑材料上。

进一步的，所述纳米复合结构包裹在支撑材料外表面。

一种基于纳米传感器的压强检测方法，基于上述压强检测装置，包括如下步骤：

S1、获取压强与光谱特征值的标准曲线；

S2、获取与实测压强相对应的实测光谱，并计算实测光谱特征值；

S3、将实测光谱特征值与标准曲线进行对比，得到实测压强值。

进一步的，所述步骤S1包括如下子步骤：

S11、将纳米传感器置于待检测区域，开启光源，光源发出的光束经纳米传感器达到信号处理器；

S12、改变待检测区域的压强，纳米传感器的光谱发生相应改变，信号处理器对不同压强条件下的光谱进行测量，并计算出相对应的光谱特征值；

S13、信号处理器根据压强和光谱特征值绘制得到标准曲线。

进一步的，步骤S1和步骤S2中，所述压强包括接触面压强进和气体压强。

本发明所起到的有益技术效果如下：

（1）本发明公开的基于纳米传感器的压强检测装置结构简单、操作方便、信号稳定、灵敏度高，能够实现压强的精准检测。

（2）本发明所述纳米传感器包括支撑材料和纳米复合结构，纳米复合结构由纳米金属材料和半导体材料通过能量杂化组成，其中纳米金属材料与半导体材料的接触界面形成强电磁场，大大提高了纳米传感器的检测灵敏度。这不仅利于进一步提高压强检测的准确性，而且具有良好普适性，能够广泛用于固-固界面、固-液界面及固-气界面的压强检测。

（3）本发明公开的压强检测方法不仅能够快速检测压强大小，而且基于LSPR检测空间分辨率高的特点，还可进一步实现压强分布的检测，将来有望应用于微创传感器，实现临床数据的监测与收集。

附图说明

图1为本发明基于纳米传感器的压强检测装置的整体结构示意图。

图2为本发明纳米传感器的俯视图。

图3为本发明纳米传感器的侧视图。

附图标记：

1-纳米传感器，11-支撑材料，12-半导体材料，13-纳米金属材料，2-光源，3-信号处理器，4-显示器。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。

实施例1：

如图1、图2及图3所示，本实施例提供了一种基于纳米传感器的压强检测装置，包括光源2、纳米传感器1、信号处理器3及显示器4。光源2发出的光束经纳米传感器1到达信号处理器3，信号处理器3用于对接收到的光谱进行测量和计算，检测得到压强值。信号处理器3与显示器4电连接，显示器4用于实时显示信号处理器3检测到的压强值，便于操作人员快速读取。

具体地，纳米传感器1包括支撑材料11以及设置在支撑材料11上的纳米复合结构，所述纳米复合结构包括半导体材料12和纳米金属材料13，所述纳米复合结构是由半导体材料12和纳米金属材料13通过能量杂化组成。半导体材料12需选用含有激子的半导体材料，如二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨或二硒化钼。纳米金属材料13可以选用由金、银、铜或铝制备而成的纳米球、纳米棒、纳米三角或纳米立方体等形状的纳米金属颗粒。而支撑材料11可以选用石英玻璃、ITO导电玻璃、稀土玻璃或光纤。当支撑材料11为石英玻璃、ITO导电玻璃或稀土玻璃时，纳米复合结构通过沉积方法设置在支撑材料11上；当支撑材料11为光纤时，纳米复合结构直接包裹的支撑材料11外表面。

本实施例中，半导体材料12选用二硫化钨，纳米金属材料13为金纳米棒，支撑材料11选用常见的石英玻璃，所述压强检测装置的具体制备方法如下：

S1、制备金纳米棒

S11、首先用冰水配制成浓度为0.01 mol/L的硼氢化钠溶液，然后向10 mL浓度为0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中依次加入25 µL浓度为0.1 mol/L的氯金酸溶液和600 µL硼氢化钠溶液，得到的混合溶液在800 r/min条件下搅拌5 min，随后于30 ℃水浴中静置4 h，得到金种子溶液。

S12、向100 mL浓度为0.1 mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中依次加入0.5 mL浓度为0.1 mol/L的氯金酸溶液、80 µL浓度为0.1 mol/L的硝酸银溶液及0.55 mL浓度为0.1 mol/L的抗坏血酸溶液，混合均匀后，继续加入100 µL金种子溶液，在800 r/min条件下搅拌5 min，再置于30 ℃水浴中静置15 h，离心后等体积重溶，得到金纳米棒溶液。

S2、制备二硫化钨

S21、依次用无水乙醇、丙酮及超纯水超声清洗蓝宝石基片，并用高纯氩气吹干蓝宝石基片，密封保存，备用；

S22、称取0.04g氧化钨粉末置于陶瓷舟中，将蓝宝石基片倒扣于陶瓷舟上，随后将蓝宝石基片和装有氧化钨的陶瓷舟一并放入管式炉石英管的中心恒温区。同时，称取0.5 g硫粉置于另一陶瓷舟内，将盛有硫粉的陶瓷舟置于管式炉的上游位置。然后将炉体温度逐渐升至150℃，保温20 min以去除炉内水汽，再以10 ℃/min的速率升温至900 ℃，保温10 min。炉体升温过程中，控制石英管内气压为101325 Pa，炉体内部气压为13.3 Pa，同时用惰性气体以500 ml/min的流速持续清洗炉体内部，直至反应结束。

在整个反应过程中，炉体余温会缓慢加热盛有硫粉的陶瓷舟，使硫粉升华为硫蒸气，硫蒸气在惰性气体的带动下与位于管式炉石英管中心恒温区的氧化钨粉末发生反应生成二硫化钨，并沉积于蓝宝石基片上。反应结束后，管式炉自然冷却至室温，最后取出生长有二硫化钨的蓝宝石基片，待用。

S3、制备纳米传感器

S31、称取0.75 g聚乙烯吡咯烷酮、1.5 mL N-乙烯吡咯烷酮及0.75 mL去离子水加入7.5 mL乙醇中，配制成10 mL混合溶液。取适量混合溶液旋涂在沉积有二硫化钨的蓝宝石基片上，旋涂时间1 min，转速2500 r/min，旋涂后的蓝宝石基片置于70℃条件下烘干1 min。称取适量浓度为4.5 mmol/L的聚乙烯醇溶液继续旋涂在蓝宝石基片上，旋涂时间1 min，转速2500 r/min，旋涂后的蓝宝石基片再次置于70℃条件下烘干1 min，以去除内部溶剂。最后用手术刀片对蓝宝石基片上的薄膜四周进行划割，使薄膜与蓝宝石基片表面产生空隙，用镊子将薄膜从蓝宝石基片上轻轻取下，即得二硫化钨结合膜。

S32、将二硫化钨结合膜转移至石英玻璃上，再将载有二硫化钨结合膜的石英玻璃放入70 ℃去离子水中浸泡20 min，彻底去除二硫化钨结合膜中含有的聚乙烯吡咯烷酮等转移介质，得到覆盖在石英玻璃上的单层二硫化钨。称取5 μL的金纳米棒溶液滴加至载有单层二硫化钨的石英玻璃上，并用氮气快速吹干，即可得到纳米传感器1。

S4、制备基于纳米传感器的压强检测装置

在纳米传感器1一侧设置光源2，另一侧设置信号处理器3，其中光源2设置在纳米传感器1与金纳米棒相对应的一侧，信号处理器3设置在纳米传感器1与支撑材料11相对应的一侧，信号处理器3连有显示器4，光源2、纳米传感器1、信号处理器3及显示器4组装成完整的基于纳米传感器的压强检测装置。光源2发出的光束经纳米传感器1到达信号处理器3，信号处理器3对接收到的光束进行光谱测量，通过计算得到压强值，并将压强值进一步传输至显示器4进行实时显示。

本发明公开的基于纳米传感器的压强检测装置结构简单、操作方便、信号稳定、灵敏度高，能够实现压强的精准检测。特别是纳米传感器1，其纳米金属材料13和半导体材料12通过能量杂化现象组成，纳米金属材料13与半导体材料12的接触界面形成强电磁场，大大提高纳米传感器1的检测灵敏度。这不仅利于进一步提高压强检测的准确性，而且具有良好普适性，能够广泛用于固-固界面、固-液界面及固-气界面的压强检测。

实施例2：

本实施例与实施例1类似，作为一种具体的实施方法，本实施例公开的基于纳米传感器的压强检测装置选用二硫化钨作为半导体材料12，选用金纳米棒作为纳米金属材料13，选用光纤作为支撑材料11，所述压强检测装置的具体制备方法如下：

S1、制备金纳米棒

S11、首先用冰水配制成浓度为0.01 mol/L的硼氢化钠溶液，然后向10 mL浓度为0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中依次加入25 µL浓度为0.1 mol/L的氯金酸溶液和600 µL硼氢化钠溶液，得到的混合溶液在800r/min条件下搅拌5min ，随后于30 ℃水浴中静置4 h，得到金种子溶液。

S12、向100 mL浓度为0.1 mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液中依次加入0.5 mL浓度为0.1 mol/L的氯金酸溶液、80 µL浓度为0.1 mol/L的硝酸银溶液及0.55 mL浓度为0.1 mol/L的抗坏血酸溶液，混合均匀后，继续加入100 µL金种子溶液，在800 r/min条件下搅拌5 min后，再置于30 ℃水浴中静置15 h，离心等体积重溶，得到金纳米棒溶液。

S2、制备二硫化钨

S21、依次用无水乙醇、丙酮及超纯水清洗光纤，并自然晾干，密封保存，备用；

S22、称取0.06 g氧化钨粉末置于陶瓷舟，将蓝宝石基片倒扣于陶瓷舟上，随后将蓝宝石基片和装有氧化钨的陶瓷舟一并放入管式炉石英管的中心恒温区。同时，称取0.7 g硫粉置于另一陶瓷舟内，将盛有硫粉的陶瓷舟置于管式炉的上游位置。然后将炉体温度逐渐升至150℃，保温20 min以去除炉内水汽，再以10 ℃/min的速率升温至900℃，保温15min。炉体升温过程中，控制石英管内气压为101325 Pa,炉体内部气压为13.3 Pa，同时用惰性气体以500 ml/min的流速持续清洗炉体内部，直至反应结束。

在整个反应过程中，炉体余温会缓慢加热盛有硫粉的陶瓷舟，使硫粉升华为硫蒸气，硫蒸气在惰性气体的带动下与位于管式炉石英管中心恒温区的氧化钨粉末发生反应生成二硫化钨，并沉积于蓝宝石基片上。反应结束后，管式炉自然冷却至室温，然后取出生长有二硫化钨的蓝宝石基片，待用。

S3、制备纳米传感器

S31、称取0.75 g聚乙烯吡咯烷酮、1.5 mL N-乙烯吡咯烷酮及0.75 mL去离子水加入7.5 mL乙醇中，配制成10 mL混合溶液。取适量混合溶液旋涂在沉积有二硫化钨的蓝宝石基片上，旋涂时间1min，转速2500 r/min，旋涂后的蓝宝石基片置于70℃条件下烘干1 min。称取适量浓度为4.5 mmol/L的聚乙烯醇溶液继续旋涂在蓝宝石基片上，旋涂时间1 min，转速2500 r/min，旋涂后的蓝宝石基片再次置于70℃条件下烘干1 min，去除内部溶剂。最后用手术刀片对蓝宝石基片上薄膜四周进行划割，使薄膜与基片表面产生空隙，用镊子将薄膜从蓝宝石基片上轻轻取下，即得到二硫化钨结合膜。

S32、将二硫化钨结合膜包裹在光纤外表面，再将载有二硫化钨结合膜的光纤放入70 ℃去离子水中浸泡20 min，彻底消除二硫化钨结合膜中含有的聚乙烯吡咯烷酮等转移介质，进而得到覆盖在石英玻璃上的单层二硫化钨。称取5 μL金纳米棒溶液滴加至载有单层二硫化钨的光纤上，并用氮气快速吹干即可得到纳米传感器1。

S4、制备基于纳米传感器的压强检测装置

将表面包裹有金纳米棒-二硫化钨纳米复合结构的光纤（即纳米传感器1）置于待检区域中，光纤一端与光源2相连，另一端与信号处理器3相连，信号处理器3连有显示器4，光源2、纳米传感器1、信号处理器3及显示器4形成完整的压强检测装置。光源2发出的光束经包裹有金纳米棒-二硫化钨纳米复合结构的光纤到达信号处理器3，信号处理器3对接收到的光束进行光谱测量，通过计算得到压强值，并将压强值进一步传输至显示器4进行实时显示。

实施例3：

本实施例提供了一种基于纳米传感器的压强检测方法，基于实施例1或实施例2中的基于纳米传感器的压强检测装置，具体包括如下步骤：

S1、获取压强与光谱特征值的标准曲线。

S2、获取与实测压强相对应的实测光谱，并计算实测光谱特征值。

S3、将实测光谱特征值与标准曲线进行对比，得到实测压强值。具体地，信号处理器将实测光谱特征值与标准曲线中光谱特征值进行比较，在标准曲线中找出与实测光谱特征值对应的压强，该压强即为实测压强。

其中，步骤S1包括如下子步骤：

S11、将纳米传感器1置于待检测区域，开启光源2，光源2发出的光束经纳米传感器1达到信号处理器3。

S12、改变待检测区域的压强，纳米传感器1的光谱发生相应改变，信号处理器3对不同压强条件下的光谱进行测量，并计算出光谱特征值。在该步骤中，信号处理器3通过暗场显微镜对不同压强条件下接收到的光谱进行测量，进而获取光谱中相邻两个波峰的强度以及位于相邻两个波峰之间的波谷强度，并将相邻两个波峰的强度之和与波谷强度2倍的比值作为光谱特征值。

S13、信号处理器3根据压强和光谱特征值绘制得到标准曲线。

步骤S2包括如下子步骤：

S21、将纳米传感器1置于待检测区域，开启光源2，光源2发出的光束经纳米传感器1到达信号处理器3。

S22、信号处理器3获取实测压强条件下的实测光谱，并将实测光谱中相邻两个波峰的强度之和与波谷强度2倍的比值作为实测光谱特征值。

本实施例中，所述压强包括接触面压强进和气体压强。

检测原理：

在实际压强检测过程中，无论是固-固界面、固-液界面还是固-气界面，只要界面压强发生变化，界面折射率便会随之改变，折射率的改变会影响等离子体共振频率。等离子体共振频率的改变会影响纳米复合结构的能量杂化程度，即纳米金属材料13与半导体材料12接触界面的强电磁场会发生改变，强电磁场会影响光信号共振强度，直接导致信号处理器3接收到的光谱位置和强度发生改变，而光谱特征值为相邻两个波峰的强度之和与波谷强度2倍的比值，所以光谱特征值也随之改变。因此，测量和计算实测压强条件下的实测光谱特征值，并将其与标准曲线进行对比即可得到实测压强值。

本发明公开的基于纳米传感器的压强检测方法不仅能够快速检测压强大小，而且基于LSPR检测空间分辨率高的特点，还可进一步实现压强分布的检测，将来有望应用于微创传感器，实现临床数据的监测与收集。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，包括光源（2）、纳米传感器（1）、信号处理器（3）及显示器（4），所述光源（2）发出的光束经纳米传感器（1）到达信号处理器（3），所述信号处理器（3）与显示器（4）电连接；所述纳米传感器（1）包括支撑材料（11）以及设置在支撑材料（11）上的纳米复合结构，所述纳米复合结构是由半导体材料（12）和纳米金属材料通过能量杂化组成，所述半导体材料（12）为含有激子的半导体材料。

2.如权利要求1所述一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，所述半导体材料（12）包括二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨或二硒化钼。

3.如权利要求1所述一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，所述纳米金属材料（13）包括金、银、铜或铝，所述纳米金属材料的形状包括纳米球、纳米棒、纳米三角或纳米立方体。

4.如权利要求1所述一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，所述支撑材料（11）包括石英玻璃、ITO导电玻璃、稀土玻璃或光纤。

5.如权利要求1所述一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，所述纳米复合结构沉积在支撑材料（11）上。

6.如权利要求1所述一种基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，所述纳米复合结构包裹在支撑材料（11）外表面。

7.一种基于纳米传感器的压强检测方法，基于权利要求1-6任一项所述的基于纳米传感器的压强检测装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取压强与光谱特征值的标准曲线；

S2、获取与实测压强相对应的实测光谱，并计算实测光谱特征值；

S3、将实测光谱特征值与标准曲线进行对比，得到实测压强值。

8.如权利要求7所述一种基于纳米传感器的压强检测方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下子步骤：

S11、将纳米传感器（1）置于待检测区域，开启光源（2），光源（2）发出的光束经纳米传感器（1）达到信号处理器（3）；

S12、改变待检测区域的压强，纳米传感器（1）的光谱发生相应改变，信号处理器（3）对不同压强条件下的光谱进行测量，并计算出相对应的光谱特征值；

S13、信号处理器（3）根据压强和光谱特征值绘制得到标准曲线。

9.如权利要求7所述一种基于纳米传感器的压强检测方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2中，所述压强包括接触面压强和气体压强。