CN1952654A - 基于场致电离效应的气体检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纳米或微米尖端场致电离效应的气体检测装置及检测方法。所述的气体检测装置由场致电离器件、采样处理室、检测室、检测电路和计算机五部分组成，采样处理室与检测室相连，场致电离器件置于检测室中，并与检测室外的检测电路连接，检测电路控制整个电路的电压并采集流过场致电离器件的电流，采集到的数据传输到计算机，计算机分析后给出结果。所述的检测方法利用气体具有不同的电离能而具有不同的电离电压的原理检测气体，并能够实现毒品的现场检测，提高了检测的准确率。采用一维纳米材料作为场致电离器件的电离尖端，或者采用微米针尖作为电离尖端，能够有效地降低气体的击穿电压提高仪器的稳定性。

Description

基于场致电离效应的气体检测装置及检测方法

所属领域  本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种基于纳米或微米尖端场致电离效应的气体检测装置及检测方法。

背景技术  场致电离效应是利用固体表面在强电场作用下产生的隧道电离效应而将电场周围的气体电离，电离产生的离子和电子在极间电场的作用下迁移运动形成电流，称之为暗电流。当离子达到一定数量时会产生雪崩效应电流骤增，称之为击穿。用来电离的电极尖端曲率半径越小则电离效果越好，采用一维纳米材料作为场致电离器件的电离尖端或者采用微米针尖作为场致电离器件的电离尖端有效地降低气体的击穿电压，提高仪器的稳定性。不同气体具有不同的电离能，因而具有不同的电离电压，在真空中，单一气体对应的击穿电压是固定不变的，但是在混合空气中，由于气体成分复杂击穿电压会在小范围内波动。但是室内的气体成分一定时，少量敏感气体会使击穿电压发生较大的变化，这就是本发明的检测原理。

气体传感器包括很多类型，如氧化物半导体气体传感器、固态电解质气体传感器、电化学传气体感器、金属栅MOS气体传感器、声表面波气体传感器、红外气体传感器等。利用场致电离效应的气体传感器有两种，一种是以纳米或微米的尖端作为离子源将检测气体电离出离子而采用另外的检测手段来检测离子，如光谱或者离子检测器；另外一种就是通过直接检测气体场致电离效应的击穿电压来检测气体的种类，目前这种方法还只停留在理论的研究阶段，Ashish Modi等人2003年在《Nature》上发表了关于碳纳米管场致电离气体传感器的文章，文章中检测的气体是在真空状态下对单一气体和空气的检测，这种单一气体的击穿电压是一个固定值，可以作为气体种类的唯一判断依据，但是在混合气体中，由于气体成分复杂，每种气体成分发含量都会影响气体的击穿电压值，所以这种方法对实验条件要求苛刻，不能制作成为便携式的检测装置，Ashish Modi在其专利WO2004/059298A1中也提到需要借助气体分离装置将混合气体分离才能够检测混合气体，但也不能制作成便携式的检测装置。

本发明应用领域之一就是毒品的现场检测，海洛因、可卡因等毒品加热分解会产生多种成分的气体，而本发明的器件对这些毒品热分解的气体特别敏感，用来作为毒品海洛因、可卡因等的现场检测装置，可以提高检测正确率，降低仪器成本。目前国内外现场检查毒品的手段，主要是靠训练有素的警犬完成的，但警犬的工作不能长期进行，而且工作状态不稳定，训练成本也很高。

目前毒品的检测仪器也有多种，美国乔治亚州技术研究所的开发小组研制了一种被称为“电子犬”的新型设备，不仅能感知危险的存在或查出违禁物品，而且还能发出犬吠一样的电子声，从而将科技优势与动物特长结合起来。电子犬是借助抗体进行工作的，可以通过观察抗体的分子结构，从而作出判断，但是仪器中的抗体对保存条件要求苛刻。加拿大百灵捷公司生产一种基于离子迁移质谱的毒品检测仪，装备海岸警备队、海关以及缉毒警察，来严查毒品的输入，但是仪器的价格十分昂贵。如何现场检测毒品，又能够避免以上这些问题成为当今研究的热点。

发明内容  基于克服现有技术中气体检测装置的不足之处，本发明的目的是：提出一种以室内空气为背景，能够检测空气中含有的敏感气体种类和含量，将场致电离效应应用到气体检测中，设计一种结构简单、便于携带的基于场致电离效应的气体检测装置及检测方法。

本发明的技术方案是：一种基于场致电离效应的气体检测装置，包括与置有场致电离器件(1)的检测室(3)电连接的采样处理室(2)、与检测电路(4)电连接的计算机(5)，其特征在于：

所述的场致电离器件由电离尖端和对电极组成，固定于检测室中，检测室中的排气口置有一台微型泵，用于将检测后的气体排出，场致电离器件与检测室外的检测电路电连接；

所述的采样处理室与检测室相连接，采样处理室中的进气口置有一台微型泵，用于检测气体的进样，且内置有一套加热装置，用于将固体颗粒加热分解，采样处理室内的检测气体加热后进入检测室；

所述的检测电路置有控制模块和采集模块两部分且与计算机相连接，控制模块中置有一个高压电源和控制高压电源输出波形的控制电路，为整个电路提供稳定的直流电压且根据不同的工作模式由计算机控制电压的输出波形；采集模块置有电流放大电路和数据采集卡，放大电路将流过场致电离器件的电流放大，数据采集卡将放大后的电流信号输入到计算机，计算机对采集来的数据进行分析并将结果显示出来。

所述的场致电离器件采用一维纳米材料阵列作为电离尖端，或者采用微米量级的针尖作为电离尖端。

基于场致电离效应气体检测装置的三种检测方法是：

i.计算机控制检测电路中控制模块的电源输出，使得场致电离器件两端的电压在一定范围内逐渐上升，当场致电离器件两端的电压达到击穿电压时流过场致电离器件的电流突然升高，检测电路中的采集模块采集电流的变化传输给计算机，计算机记录这一点的电压即为检测气体的击穿电压，当敏感气体存在时击穿电压会下降，计算机从击穿电压降低幅度的差异可以判断敏感气体的种类。这是最基本的检测方法，每次检测前都会用这种方法测定空气的击穿电压值。

ii.计算机控制检测电路中控制模块的电源输出，将场致电离器件两端的电压设定为某一低于空气击穿电压的临界值，当检测气体进入检测室时，敏感气体的存在使场致电离器件的击穿电压降低，从而使流过场致电离器件的电流迅速增加，检测电路中的采集模块采集电流的变化传输给计算机，计算机分析后给出结果。当敏感气体进入检测室时场致电离器件或者处于击穿状态，流过场致电离器件的电流产生振荡现象，或者处于击穿前的状态，流过场致电离器件的暗电流增加，计算机从暗电流增加的幅度或者击穿后振荡电流的峰值判断敏感气体的种类。

iii.计算机控制检测电路中控制模块的电源输出，将场致电离器件两端的电压设置在击穿点以上，即场致电离器件处于击穿状态，但击穿后流过场致电离器件的电流振荡频率非常小。当检测气体中含有敏感气体时，敏感气体使场致电离器件的击穿程度加剧，流过场致电离器件的电流振荡频率变大，计算机从振荡频率变化的大小以及振荡电流峰值的大小判断敏感气体的种类。

气体检测装置的敏感气体是有机酸气体和醇类、酮类有机气体或海洛因、可卡因及其它固态毒品的分解气体。

相对于现有技术的有益效果是：

其一：基于场致电离效应的气体检测装置，包括置有场致电离器件的检测室与采样处理室和检测电路相连接的计算机，检测电路置有控制模块和采集模块两部分与计算机相连接，通过计算机对采集来的气体检测数据进行分析处理。控制模块中置有一个高压电源和控制高压电源输出波形的控制电路，为电路提供直流电压且根据不同的工作模式由计算机控制电压的输出波形。所述的采集模块置有电流放大电路和数据采集卡，数据采集卡将放大的电流信号输入到计算机。相对于现有技术结构简单，体积小，便于携带。

其二：本发明的场致电离器件由电离尖端和对电极组成，采用一维纳米材料阵列作为电离尖端，或采用微米量级的针尖作为电离尖端，采样处理室中的进气口置有一台微型泵，且内置有一套加热装置。加热装置能够将空气中的固体颗粒热分解，可以用来检测固体物质；检测气体加热后在检测室中的场致电离器件上产生的场致电离效应，由于用来电离的尖端曲率半径越小则电离效果越好，则采用一维纳米材料作为场致电离器件的电离尖端或者采用微米针尖作为场致电离器件的电离尖端能够有效地降低气体的击穿电压，提高场致电离效应气体检测装置的稳定性。

其三：在真空状态下检测单一气体和空气的碳纳米管场致电离气体传感器，需要借助气体分离装置将混合气体分离才能够检测混合气体，但不能做成便携式的检测装置。相对于这种的碳纳米管场致电离气体传感器和训练有素的警犬、“电子犬”等新型设备，本发明能够进行毒品的现场检测。海洛因、可卡因等毒品加热分解产生气体，本发明的器件对这些毒品热分解的气体特别敏感，能够用来做成海洛因、可卡因等毒品的现场检测装置，可以提高检测正确率，降低仪器成本，而且这种检测装置还可以用来检测有机酸气体和醇类、酮类有机气体。

其四：本发明的场致电离气体检测装置的检测方法相对于现有技术有三种；

一是使得场致电离器件两端的电压在一定范围内逐渐上升，当场致电离器件两端的电压达到击穿电压时流过场致电离器件的电流突然升高，这一点的电压值即为检测气体的击穿电压，从击穿电压降低的幅度可以判断敏感气体的种类。这种方法稳定、可靠，可以用来检测响应非常强烈的敏感气体。

二是将场致电离器件两端的电压设定为低于空气击穿电压的临界值，当检测气体进入检测室时，敏感气体的存在使流过场致电离器件的电流迅速增加，从暗电流增加的幅度或者击穿电流的峰值判断敏感气体的种类。这种方法检测周期短，适合于现场的快速检测。

三是将场致电离器件两端的电压设置在击穿点以上，但击穿后电流振荡频率非常小。当检测气体中含有敏感气体进时，敏感气体使场致电离器件的击穿程度加剧，流过场致电离器件的电流振荡频率变大，从振荡频率变化的大小以及振荡电流峰值的大小判断敏感气体的种类。这种方法适合于低浓度检测和敏感程度低的气体的检测。

这三种方法互补使用，使得气体检测装置更加完善，并且提高了其检测的准确率，具有检测周期短、适于现场检测的优点。

附图说明

图1为气体检测装置的示意图

1是场致电离器件；2是采样处理室；3是检测室；4是检测电路；5是计算机。

采样处理室2与检测室3相连，采样处理室2中的进气口有一台微型泵，负责将室内的空气吸入采样室2，采样处理室2内部有一套加热装置，将吸入的气体加热，使气体中的固体颗粒热分解，场致电离器件1由电离尖端和接收电极组成，电离尖端是微米量级的微电极，或者是一维纳米材料或者其阵列，电离尖端的曲率半径越小则电离效果越好。场致电离器件1置于检测室3中，两极与外面的检测电路4相连。检测室3的排气口有一台微型泵，负责将检测后的气体排出。检测电路4包括采集模块和控制模块两部分，采集模块能够采集到整个电路的电流及其变化值并传送给计算机5，控制模块由计算机5控制，调节高压电源两极的输出电压，加在场致电离器件1和整个电路中的电压值，或者是预先设定的固定值，或者是按照指定速率逐渐升高，计算机5根据检测方法选择控制模块的工作模式。同时计算机5将采集模块传输来的数据存贮，并按照特定的算法分析数据，从而判断检测气体中是否含有敏感气体以及敏感气体的种类，最后将分析结果显示出来。

具体实施方式  装置的操作步骤如下：

首先选择场致电离器件1的类型，不同类型场致电离器件1的电离尖端的材料不同，将场致电离器件1放入检测室3，并与检测电路4连接起来，然后打开电源，选择检测电路3的工作模式即可以开始检测。检测装置的微型泵定时地将空气中的气体吸入采样处理室2，采样处理室2将空气中的气体成分加热，然后送入检测室3。检测过程中，先要标定场致电离器件1在空气中的击穿电压，当空气中存在敏感气体或颗粒时，它们同空气一起经微型泵进入采样处理室2，经过采样处理室2加热后进入检测室3，有些固态颗粒在加热后会分解成场致电离器件1可以检测的敏感气体，由于敏感气体降低了场致电离器件1的击穿电压，流过场致电离器件1的电流产生变化，检测电路4检测到这种变化的信号传给计算机5，计算机5经过分析显示空气中存在的敏感气体种类。然后，排气口的微型泵将气体排出检测室4，进入下一个循环的检测。下面采用在空气中击穿电压为550V的不同材料做成的场致电离器件1来检测不同的敏感气体：

实施例1  气体检测装置的场致电离器件1采用碳纳米管阵列作为电离尖端，对电极为钨针尖，采用逐步升高电压的方法检测气体的击穿电压，在空气中其击穿电压为550V，取少量海洛因样品置于空气中开始检测，微型泵将含有海洛因颗粒的空气吸入采样处理室2，经过热分解后海洛因分解出敏感气体，加热后的气体进入检测室3，检测电路4检测到场致电离器件1的击穿电压下降到532V，与海洛因分解气体的下降幅度吻合，因此计算机4显示“空气中含有海洛因毒品”。

实施例2  气体检测装置的场致电离器件1采用微米量级的钨针尖作为电离尖端，对电极为铂电极，在空气中其击穿电压为550V，将检测电路4中的工作电压设为545V，将装有100ppm乙醇蒸汽的瓶口打开，检测气体经微型泵进入采样处理室2和检测室3，流过场致电离器件1的暗电流迅速增大，检测电路4将采集到的信号传到计算机5，计算机5给出分析结果，显示“空气中含有乙醇气体”。

实施例3  气体检测装置的场致电离器件1采用氧化锌阵列作为电离尖端，对电极为钨针尖，在空气中其击穿电压为550V，将检测电路4中电压设为552V，此时场致电离器件1中有振荡电流，但振荡频率非常小。将装有100ppm丙酮蒸汽的瓶口打开，检测气体经微型泵进入采样处理室2和检测室3，流过场致电离器件1的电流振荡频率变大，而且与丙酮的变化规律相同，因此计算机4显示“空气中含有丙酮气体”。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1、一种基于场致电离效应的气体检测装置，包括与置有场致电离器件(1)的检测室(3)电连接的采样处理室(2)、与检测电路(4)电连接的计算机(5)，其特征在于：

所述的场致电离器件(1)由电离尖端和对电极组成，固定于检测室(3)中，检测室(3)中的排气口置有微型泵，用于将检测后的气体排出，场致电离器件(1)与检测室(3)外的检测电路(4)电连接；

所述的采样处理室(2)与检测室(3)相连接，采样处理室(2)中的进气口置有微型泵，用于检测气体的进样，且内置有一套加热装置，用于将固体颗粒加热分解；

所述的检测电路(4)置有控制模块和采集模块两部分且与计算机(5)电连接，计算机(5)对采集来的数据进行分析处理并显示分析结果。

2、根据权利要求1中所述的一种基于场致电离效应的气体检测装置，其特征是：所述的控制模块中置有一个高压电源和控制高压电源输出波形的控制电路，为整个电路提供直流电压且根据不同的工作模式由计算机(5)控制电压的输出波形。

3、根据权利要求1中所述的一种基于场致电离效应的气体检测装置，其特征是：所述的采集模块置有电流放大电路和数据采集卡，数据采集卡将放大的电流信号输入到计算机(5)。

4、根据权利要求1中所述的一种基于场致电离效应的气体检测装置，其特征是：所述的场致电离器件(1)采用一维纳米材料阵列作为电离尖端，或采用微米量级的针尖作为电离尖端。

5、根据权利要求1中所述的一种基于场致电离效应的气体检测装置的检测方法，其特征在于：该检测方法有三种；

i.场致电离器件(1)两端的电压在一定范围内逐渐上升，当达到击穿电压时流过场致电离器件(1)的电流突然升高，记录这一点的电压即为检测气体的击穿电压，当敏感气体存在时击穿电压会下降，从降低幅度的差异可以判断敏感气体的种类；

ii.将场致电离器件(1)两端的电压设定为某一低于空气击穿电压的临界值，当检测气体进入检测室(3)时，敏感气体的存在使场致电离器件(1)的击穿电压降低，从而使流过场致电离器件(1)的电流迅速增加，检测电路(4)采集到电流信号传送到计算机(5)，计算机(5)分析后给出结果，当敏感气体进入检测室(3)时，场致电离器件(1)或处于击穿状态，流过场致电离器件(1)的电流产生振荡现象，或处于击穿前的状态，流过场致电离器件(1)的暗电流增加，从暗电流增加的幅度或者击穿后振荡电流的峰值判断敏感气体的种类；

iii.将场致电离器件(1)两端的电压设置在击穿点以上，即场致电离器件(1)处于击穿状态，但击穿后流过场致电离器件(1)的电流振荡频率小，当检测气体中含有敏感气体时，敏感气体使场致电离器件(1)的击穿程度加剧，流过场致电离器件(1)的电流振荡频率变大，从振荡频率变化的大小以及振荡电流峰值的大小判断敏感气体的种类。

6、根据权利要求5中所述的一种基于场致电离效应的气体检测装置的检测方法，其特征是：所述的敏感气体是有机酸气体和醇类、酮类有机气体或海洛因、可卡因及其它固态毒品的分解气体。