氨氣傳感器及其制備方法、氨氣檢測系統的制作方法
【專利摘要】一種氨氣傳感器，包括：檢測盒；包括盒底、盒蓋以及側壁；盒蓋和盒底均由透明基體構成；檢測盒上開設有至少兩個通氣孔；盒底上位于檢測盒內的一面設置有帶金屬離子的液晶取向層；以及液晶層；液晶層包括網格殼體以及填充于網格殼體中的帶氰基的液晶分子；液晶層設置在液晶取向層上；液晶分子的氰基與液晶取向層的金屬離子結合使得液晶分子統一垂直于盒底進行有序排列；通氣孔用于供空氣通過；空氣中的氨氣與液晶取向層中的金屬離子結合，使得液晶分子的氰基與液晶取向層的金屬離子分離，進而使得液晶分子呈無序排列。上述氨氣傳感器的成本較低且靈敏度高。本發明還提供一種氨氣傳感器的制備方法和一種氨氣檢測系統。
【專利說明】
氨氣傳感器及其制備方法、氨氣檢測系統
技術領域
[0001]本發明涉及傳感器技術領域，特別是涉及氨氣傳感器及其制備方法，還涉及一種氨氣檢測系統。
【背景技術】
[0002]氨氣是一種在人們生活和生產中得到廣泛應用的氣體，具有無色、有刺激性氣味的特性。氨氣對動物或人體的上呼吸道有刺激性和腐蝕性作用，常吸附在皮膚黏膜和眼結膜上，從而導致炎癥。人體吸入氨氣1750mg/m3以上就會危及生命。因此對空氣中的氨氣含量進行測量具有重要意義。傳統的氨氣分析儀主要采用化學發光法、電化學法以及紅外法等。這些方法大多需要昂貴的儀器設備且制備過程較為繁瑣復雜。

【發明內容】

[0003]基于此，有必要提供一種低成本且靈敏度高的氨氣傳感器，還涉及一種氨氣傳感器的制備方法和一種氨氣檢測系統。
[0004]—種氨氣傳感器，用于檢測空氣中的氨氣含量，包括:檢測盒;包括盒底、盒蓋以及側壁，所述盒底、所述盒底和所述盒蓋通過所述側壁相互連接后，與所述盒蓋、所述側壁形成檢測腔;所述檢測盒的盒蓋和盒底均由透明基體構成;所述檢測盒上開設有至少兩個通氣孔;所述盒底上位于檢測腔的一面設置有帶金屬離子的液晶取向層；以及液晶層;所述液晶層包括網格殼體以及填充于所述網格殼體中的帶氰基的液晶分子;所述液晶層設置在所述液晶取向層上;所述液晶分子的氰基與液晶取向層的金屬離子結合使得所述液晶分子統一垂直于盒底進行有序排列;所述通氣孔用于供空氣通過;所述空氣中的氨氣與所述液晶取向層中的金屬離子結合，使得所述液晶分子的氰基與所述液晶取向層的金屬離子分離，進而使得所述液晶分子呈無序排列。
[0005]在其中一個實施例中，所述盒蓋和所述盒底均為透明玻璃基板;所述網格殼體為微米孔徑的網格殼體。
[0006]在其中一個實施例中，所述液晶取向層中的金屬離子的濃度大于50毫摩爾每升。
[0007]在其中一個實施例中，所述金屬離子為銅離子或者釩離子。
[0008]在其中一個實施例中，所述液晶層的厚度小于100微米。
[0009]在其中一個實施例中，還包括粘接層;所述粘接層用于將所述液晶取向層粘接在所述盒底上。
[0010]在其中一個實施例中，所述液晶取向層為與銅離子螯合之后的殼聚糖層;所述粘接層包括與所述盒底連接的氨基化層和醛基化層;所述醛基化層中的醛基用于將按所述氨基化層中的氨基與所述殼聚糖表面的氨基結合。
[0011]—種氨氣傳感器的制備方法，包括步驟:提供第一透明基體，以作為檢測盒的盒底;在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層;將網格殼體放置在所述液晶取向層表面；向所述網格殼體內填充帶氰基的液晶分子;制備所述檢測盒的側壁;提供第二透明基體，以作為所述檢測盒的盒蓋；以及在所述檢測盒上開設至少兩個通氣孔。
[0012]在其中一個實施例中，所述在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層的步驟之前還包括步驟:對所述第一透明基體進行氨基化形成氨基化層;對所述第一透明基體進行醛基化以在所述氨基化層表面形成醛基化層;所述在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層的步驟包括將與銅離子螯合之后的殼聚糖溶液均勻涂覆在所述醛基化層表面。
[0013]—種氨氣檢測系統，包括:如前述任一實施例所述的氨氣傳感器;偏振光生成裝置，用于提供穿過所述盒蓋和所述盒底的偏振光;測量裝置，用于測量所述液晶層在所述偏振光下的灰度值；以及計算模塊，用于根據所述測量模塊測量得到的灰度值計算得到空氣中的氨氣含量。
[0014]上述氨氣傳感器，只需要在檢測盒內設置帶金屬離子的液晶取向層，并在檢測盒內放置填充有帶氰基的液晶分子的液晶層，從而使得成本較低。當檢測盒中沒有氨氣存在時，液晶分子中的氰基與液晶取向層中的金屬離子結合使得液晶分子統一垂直檢測盒盒底，液晶分子呈有序排列。當空氣從通氣孔進入檢測盒后，空氣中的氨氣會迅速進入到液晶分子中與液晶分子競爭結合金屬離子，從而導致液晶分子中的氰基與液晶取向層中的金屬離子分離，液晶分子呈無序排列。由于氨氣能夠迅速與液晶分子中的氰基競爭金屬離子，使得整個傳感器的靈敏度較高。
【附圖說明】
[0015]圖1為一實施例中的氨氣傳感器的結構不意圖；
[0016]圖2為一實施例中的氨氣傳感器中盒底、粘接層和液晶取向層的結構示意圖；
[0017]圖3為圖1中的液晶分子有序排列的不意圖；
[0018]圖4為圖1中的液晶分子無序排列的示意圖；
[0019]圖5為一實施例中的氨氣傳感器的制備方法的流程圖；
[0020]圖6為一實施例中的氨氣檢測系統的結構框圖；
[0021 ]圖7為圖6中的偏振光生成裝置與氨氣傳感器的位置示意圖；
[0022]圖8為一實施例中的氨氣傳感器在沒有氨氣存在的條件下，其在偏光顯微鏡下的圖像；
[0023]圖9為一實施例中的氨氣傳感器在沒有氨氣存在的條件下，其在偏光顯微鏡下的圖像。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0025]圖1為一實施例中的氨氣傳感器的結構示意圖。該氨氣傳感器包括檢測盒100以及位于檢測盒內的液晶層200。
[0026]檢測盒100包括盒底110、盒蓋120以及側壁130。盒底110通過側壁130與盒蓋120連接后，與盒蓋120以及側壁130形成檢測腔。其中，盒底110和盒蓋120均由透明基體構成，以供偏振光通過。在本實施例中，盒底110和盒蓋120均為透明玻璃基體。檢測盒100上開設有至少兩個通氣孔132。至少兩個的通氣孔132使得檢測盒100與外部環境形成氣體流通回路，進而確保檢測到的空氣中的氨氣含量能夠準確反映出外部環境中的氨氣含量。在本實施例中，至少兩個的通氣孔132開設在側壁130上，且相對設置。在其他的實施例中，通氣孔132也可以設置在盒蓋120上，或者同時設置在盒蓋120以及側壁130上。通氣孔132的位置可以根據實際使用需要進行設置。側壁130通過膠體凝固而成。例如，側壁130可以通過聚合物PDMS固化12小時后形成。在其他的實施例中，側壁130也可以采用透明基體構成。
[0027]檢測盒100的盒底110上位于檢測盒100內的一面還設置有帶金屬離子的液晶取向層140。帶金屬離子的液晶取向層140可以由與金屬離子螯合之后的殼聚糖形成。金屬離子可以為釩、鎳、鋁、鉑、鋅、鈷、鐵等離子。優選的，金屬離子為銅離子或者釩離子。液晶取向層140中的金屬離子的濃度大于50mmol/L。在本實施例中，在液晶取向層140和盒底110之間還設置有粘接層150 (如圖2所示)。粘接層150用于將液晶取向層140固定盒底110上。參見圖2，粘接層150包括氨基化層152和醛基化層154。氨基化層152可以為3-氨丙基O三乙氧基硅烷(APTS)層。醛基化層154則可以為戊二醛醛基化層。戊二醛是一個兩端都分別帶有醛基的化合物，醛基能與氨基發生化學反應，從而將氨基化層152中的氨基與液晶取向層140中的氨基結合起來，使得液晶取向層140固定在盒底110上。
[0028]液晶層200設置在液晶取向層140上。液晶層200包括網格殼體210和填充于網格殼體210中的帶氰基(-CN)的液晶分子220。網格殼體210用于形成容納液晶分子220的腔體。網格殼體210可以由銅制備而成且網格殼體210為微米孔徑的殼體。由于液晶分子220在納米級，將網格殼體210的孔徑設置為微米孔徑，從而確保測量過程中在進入少量氨氣的條件下就能夠對液晶分子220產生影響，提高氨氣傳感器的靈敏度。在本實施例中，帶氰基的液晶分子可以為帶氰基的5CB液晶分子。液晶層200的厚度應在ΙΟΟμπι以下，從而確保液晶分子220的排列層數不會過多，進而確保氨氣能夠迅速到達液晶取向層140與液晶分子220競爭金屬離子。
[0029]上述氨氣傳感器，只需要在檢測盒100內設置帶金屬離子的液晶取向層140，并在檢測盒100內放置填充有帶氰基的液晶分子的液晶層200，從而使得成本較低。當檢測盒100中沒有氨氣存在時，液晶分子220中的氰基與液晶取向層140中的金屬離子結合使得液晶分子220統一垂直檢測盒盒底(垂直錨定)，液晶分子呈有序排列，如圖3所示。當空氣從通氣孔132進入檢測盒100后，空氣中的氨氣會迅速進入到液晶分子220中與液晶分子220競爭結合金屬離子，從而導致液晶分子220中的氰基與液晶取向層140中的金屬離子分離，液晶分子220呈無序排列(如圖4所示)。由于氨氣能夠迅速與液晶分子220競爭金屬離子，使得整個傳感器的靈敏度較高。通過改變氨氣傳感器中的液晶分子220的排列次序，可以使得液晶層200在偏振光下的灰度值發生變化，因此根據檢測到的灰度值即可確定出外部環境中氨氣的含量。在測量過程中，為確保測量的準確性，檢測氨氣所用的時間應大于2min。
[0030]圖5為一實施例中的氨氣傳感器的制備方法的流程圖，該制備方法包括以下步驟:
[0031]S510，提供第一透明基體，以作為檢測盒的盒底。
[0032]第一透明基體為透明玻璃基體。在提供玻璃基體后，還會進行硅烷化玻璃基體，以增強玻璃基體與液晶取向層之間連接的穩固性。具體地，將玻璃基體依次通過piranha溶液(熱的濃硫酸和雙氧水混合物)、丙酮、超純水、乙醇進行清洗后晾干。
[0033]S520，在第一透明基體的表面制備包含金屬離子的液晶取向層。
[0034]在本實施例中，在進行液晶取向層S520的制備之前，還會先制備粘接層。粘接層的制備包括下兩個步驟。
[0035]步驟I，對第一透明基體進行氨基化形成氨基化層。
[0036]將S510中得到的第一透明基體置于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)中浸泡。以將基體進行氨基化并晾干。
[0037]步驟2，對第一透明基體進行醛基化以在氨基化層表面形成醛基化層。
[0038]將步驟I中制備得到的第一透明基體置于戊二醛溶液里面浸泡6小時以上并晾干。
[0039]在完成步驟2后，即開始制備液晶取向層。將殼聚糖與高氯酸銅(或者其他銅離子化合物、金屬離子化合物)螯合后的溶液涂覆在步驟2制備得到的第二透明基體表面，并通過勻膠機旋涂均勻后完成液晶取向層的制備。
[0040]S530，將網格殼體放置在液晶取向層表面。
[0041]將微米孔徑的網格狀銅網放在液晶取向層表面。網格殼體的厚度小于100微米。
[0042]S540，向網格殼體內填充帶有氰基的液晶分子。
[0043]S550，制備檢測盒的側壁。
[0044]S560，提供第二透明基體，作為檢測盒的盒蓋。
[0045]S570，在檢測盒上開設至少兩個通氣孔。
[0046]至少兩個通氣孔可以開設在側壁上或者盒蓋上，也可以同時開設在側壁和盒蓋上。在本實施例中，通氣孔在檢測盒制備完成后再進行制備。在其他的實施例中，通氣孔可以在檢測盒的制備過程中同時進行制作。例如，當通氣孔開設在檢測盒的側壁上時，在側壁制備時即可在側壁上開設通氣孔。
[0047]完成S570即完成了氨氣傳感器的制備。上述氨氣傳感器的制備過程簡單易行。
[0048]圖6為一實施例中的氨氣檢測系統的結構框圖，該氨氣檢測系統包括氨氣傳感器610、偏振光生成裝置620、測量裝置630以及計算模塊640。其中氨氣傳感器610為前述任一實施例中的氨氣傳感器。偏振光生成裝置620用于提供穿過氨氣傳感器610的盒蓋和盒底的偏振光。偏振光生成裝置620包括光源622以及偏振方向互相垂直的偏振片624和626。偏振光生成裝置620與氨氣傳感器610的位置關系如圖7所示。在本實施例中，偏振光生成裝置620為偏光顯微鏡。測量裝置630用于測量液晶層在偏振光下的灰度值。圖8和圖9為氨氣傳感器610在沒有氨氣存在和有氨氣存在的條件下，在偏光顯微鏡下的灰度變化情況。計算模塊640用于根據測量模塊630測量得到的灰度值計算出空氣中的氨氣含量。
[0049]上述氨氣檢測系統采用氨氣傳感器610，具有成本低且靈敏度高的優點。
[0050]以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0051]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種氨氣傳感器，用于檢測空氣中的氨氣含量，其特征在于，包括: 檢測盒;包括盒底、盒蓋以及側壁，所述盒底、所述盒底和所述盒蓋通過所述側壁相互連接后，與所述盒蓋、所述側壁形成檢測腔;所述檢測盒的盒蓋和盒底均由透明基體構成；所述檢測盒上開設有至少兩個通氣孔;所述盒底上位于檢測腔的一面設置有帶金屬離子的液晶取向層；以及 液晶層;所述液晶層包括網格殼體以及填充于所述網格殼體中的帶氰基的液晶分子；所述液晶層設置在所述液晶取向層上;所述液晶分子的氰基與液晶取向層的金屬離子結合使得所述液晶分子統一垂直于盒底進行有序排列； 所述通氣孔用于供空氣通過；所述空氣中的氨氣與所述液晶取向層中的金屬離子結合，使得所述液晶分子的氰基與所述液晶取向層的金屬離子分離，進而使得所述液晶分子呈無序排列。2.根據權利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于，所述盒蓋和所述盒底均為透明玻璃基板;所述網格殼體為微米孔徑的網格殼體。3.根據權利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于，所述液晶取向層中的金屬離子的濃度大于50毫摩爾每升。4.根據權利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于，所述金屬離子為銅離子或者釩離子。5.根據權利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于，所述液晶層的厚度小于100微米。6.根據權利要求1所述的氨氣傳感器，其特征在于，還包括粘接層;所述粘接層用于將所述液晶取向層粘接在所述盒底上。7.根據權利要求6所述的氨氣傳感器，其特征在于，所述液晶取向層為與銅離子螯合之后的殼聚糖層;所述粘接層包括與所述盒底連接的氨基化層和醛基化層;所述醛基化層中的醛基用于將按所述氨基化層中的氨基與所述殼聚糖表面的氨基結合。8.一種氨氣傳感器的制備方法，包括步驟: 提供第一透明基體，以作為檢測盒的盒底； 在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層； 將網格殼體放置在所述液晶取向層表面； 向所述網格殼體內填充帶氰基的液晶分子； 制備所述檢測盒的側壁； 提供第二透明基體，以作為所述檢測盒的盒蓋；以及 在所述檢測盒上開設至少兩個通氣孔。9.根據權利要求8所述的氨氣傳感器的制備方法，其特征在于，所述在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層的步驟之前還包括步驟: 對所述第一透明基體進行氨基化形成氨基化層； 對所述第一透明基體進行醛基化以在所述氨基化層表面形成醛基化層； 所述在所述第一透明基體的表面制備帶金屬離子的液晶取向層的步驟包括將與銅離子螯合之后的殼聚糖溶液均勻涂覆在所述醛基化層表面。10.一種氨氣檢測系統，其特征在于，包括: 如權利要求1?7任一所述的氨氣傳感器；偏振光生成裝置，用于提供穿過所述盒蓋和所述盒底的偏振光；測量裝置，用于測量所述液晶層在所述偏振光下的灰度值；以及計算模塊，用于根據所述測量模塊測量得到的灰度值計算得到空氣中的氨氣含量。
【文檔編號】G02F1/13GK105938104SQ201610362967
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】牛小方, 羅丹
【申請人】南方科技大學