氨气传感器及其制备方法、氨气检测系统的制作方法

氨气传感器及其制备方法、氨气检测系统的制作方法
【专利摘要】一种氨气传感器，包括：检测盒；包括盒底、盒盖以及侧壁；盒盖和盒底均由透明基体构成；检测盒上开设有至少两个通气孔；盒底上位于检测盒内的一面设置有带金属离子的液晶取向层；以及液晶层；液晶层包括网格壳体以及填充于网格壳体中的带氰基的液晶分子；液晶层设置在液晶取向层上；液晶分子的氰基与液晶取向层的金属离子结合使得液晶分子统一垂直于盒底进行有序排列；通气孔用于供空气通过；空气中的氨气与液晶取向层中的金属离子结合，使得液晶分子的氰基与液晶取向层的金属离子分离，进而使得液晶分子呈无序排列。上述氨气传感器的成本较低且灵敏度高。本发明还提供一种氨气传感器的制备方法和一种氨气检测系统。
【专利说明】
氨气传感器及其制备方法、氨气检测系统
技术领域
[0001]本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及氨气传感器及其制备方法，还涉及一种氨气检测系统。
【背景技术】
[0002]氨气是一种在人们生活和生产中得到广泛应用的气体，具有无色、有刺激性气味的特性。氨气对动物或人体的上呼吸道有刺激性和腐蚀性作用，常吸附在皮肤黏膜和眼结膜上，从而导致炎症。人体吸入氨气1750mg/m3以上就会危及生命。因此对空气中的氨气含量进行测量具有重要意义。传统的氨气分析仪主要采用化学发光法、电化学法以及红外法等。这些方法大多需要昂贵的仪器设备且制备过程较为繁琐复杂。

【发明内容】

[0003]基于此，有必要提供一种低成本且灵敏度高的氨气传感器，还涉及一种氨气传感器的制备方法和一种氨气检测系统。
[0004]—种氨气传感器，用于检测空气中的氨气含量，包括:检测盒;包括盒底、盒盖以及侧壁，所述盒底、所述盒底和所述盒盖通过所述侧壁相互连接后，与所述盒盖、所述侧壁形成检测腔;所述检测盒的盒盖和盒底均由透明基体构成;所述检测盒上开设有至少两个通气孔;所述盒底上位于检测腔的一面设置有带金属离子的液晶取向层；以及液晶层;所述液晶层包括网格壳体以及填充于所述网格壳体中的带氰基的液晶分子;所述液晶层设置在所述液晶取向层上;所述液晶分子的氰基与液晶取向层的金属离子结合使得所述液晶分子统一垂直于盒底进行有序排列;所述通气孔用于供空气通过;所述空气中的氨气与所述液晶取向层中的金属离子结合，使得所述液晶分子的氰基与所述液晶取向层的金属离子分离，进而使得所述液晶分子呈无序排列。
[0005]在其中一个实施例中，所述盒盖和所述盒底均为透明玻璃基板;所述网格壳体为微米孔径的网格壳体。
[0006]在其中一个实施例中，所述液晶取向层中的金属离子的浓度大于50毫摩尔每升。
[0007]在其中一个实施例中，所述金属离子为铜离子或者钒离子。
[0008]在其中一个实施例中，所述液晶层的厚度小于100微米。
[0009]在其中一个实施例中，还包括粘接层;所述粘接层用于将所述液晶取向层粘接在所述盒底上。
[0010]在其中一个实施例中，所述液晶取向层为与铜离子螯合之后的壳聚糖层;所述粘接层包括与所述盒底连接的氨基化层和醛基化层;所述醛基化层中的醛基用于将按所述氨基化层中的氨基与所述壳聚糖表面的氨基结合。
[0011]—种氨气传感器的制备方法，包括步骤:提供第一透明基体，以作为检测盒的盒底;在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层;将网格壳体放置在所述液晶取向层表面；向所述网格壳体内填充带氰基的液晶分子;制备所述检测盒的侧壁;提供第二透明基体，以作为所述检测盒的盒盖；以及在所述检测盒上开设至少两个通气孔。
[0012]在其中一个实施例中，所述在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层的步骤之前还包括步骤:对所述第一透明基体进行氨基化形成氨基化层;对所述第一透明基体进行醛基化以在所述氨基化层表面形成醛基化层;所述在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层的步骤包括将与铜离子螯合之后的壳聚糖溶液均匀涂覆在所述醛基化层表面。
[0013]—种氨气检测系统，包括:如前述任一实施例所述的氨气传感器;偏振光生成装置，用于提供穿过所述盒盖和所述盒底的偏振光;测量装置，用于测量所述液晶层在所述偏振光下的灰度值；以及计算模块，用于根据所述测量模块测量得到的灰度值计算得到空气中的氨气含量。
[0014]上述氨气传感器，只需要在检测盒内设置带金属离子的液晶取向层，并在检测盒内放置填充有带氰基的液晶分子的液晶层，从而使得成本较低。当检测盒中没有氨气存在时，液晶分子中的氰基与液晶取向层中的金属离子结合使得液晶分子统一垂直检测盒盒底，液晶分子呈有序排列。当空气从通气孔进入检测盒后，空气中的氨气会迅速进入到液晶分子中与液晶分子竞争结合金属离子，从而导致液晶分子中的氰基与液晶取向层中的金属离子分离，液晶分子呈无序排列。由于氨气能够迅速与液晶分子中的氰基竞争金属离子，使得整个传感器的灵敏度较高。
【附图说明】
[0015]图1为一实施例中的氨气传感器的结构不意图；
[0016]图2为一实施例中的氨气传感器中盒底、粘接层和液晶取向层的结构示意图；
[0017]图3为图1中的液晶分子有序排列的不意图；
[0018]图4为图1中的液晶分子无序排列的示意图；
[0019]图5为一实施例中的氨气传感器的制备方法的流程图；
[0020]图6为一实施例中的氨气检测系统的结构框图；
[0021 ]图7为图6中的偏振光生成装置与氨气传感器的位置示意图；
[0022]图8为一实施例中的氨气传感器在没有氨气存在的条件下，其在偏光显微镜下的图像；
[0023]图9为一实施例中的氨气传感器在没有氨气存在的条件下，其在偏光显微镜下的图像。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]图1为一实施例中的氨气传感器的结构示意图。该氨气传感器包括检测盒100以及位于检测盒内的液晶层200。
[0026]检测盒100包括盒底110、盒盖120以及侧壁130。盒底110通过侧壁130与盒盖120连接后，与盒盖120以及侧壁130形成检测腔。其中，盒底110和盒盖120均由透明基体构成，以供偏振光通过。在本实施例中，盒底110和盒盖120均为透明玻璃基体。检测盒100上开设有至少两个通气孔132。至少两个的通气孔132使得检测盒100与外部环境形成气体流通回路，进而确保检测到的空气中的氨气含量能够准确反映出外部环境中的氨气含量。在本实施例中，至少两个的通气孔132开设在侧壁130上，且相对设置。在其他的实施例中，通气孔132也可以设置在盒盖120上，或者同时设置在盒盖120以及侧壁130上。通气孔132的位置可以根据实际使用需要进行设置。侧壁130通过胶体凝固而成。例如，侧壁130可以通过聚合物PDMS固化12小时后形成。在其他的实施例中，侧壁130也可以采用透明基体构成。
[0027]检测盒100的盒底110上位于检测盒100内的一面还设置有带金属离子的液晶取向层140。带金属离子的液晶取向层140可以由与金属离子螯合之后的壳聚糖形成。金属离子可以为钒、镍、铝、铂、锌、钴、铁等离子。优选的，金属离子为铜离子或者钒离子。液晶取向层140中的金属离子的浓度大于50mmol/L。在本实施例中，在液晶取向层140和盒底110之间还设置有粘接层150 (如图2所示)。粘接层150用于将液晶取向层140固定盒底110上。参见图2，粘接层150包括氨基化层152和醛基化层154。氨基化层152可以为3-氨丙基O三乙氧基硅烷(APTS)层。醛基化层154则可以为戊二醛醛基化层。戊二醛是一个两端都分别带有醛基的化合物，醛基能与氨基发生化学反应，从而将氨基化层152中的氨基与液晶取向层140中的氨基结合起来，使得液晶取向层140固定在盒底110上。
[0028]液晶层200设置在液晶取向层140上。液晶层200包括网格壳体210和填充于网格壳体210中的带氰基(-CN)的液晶分子220。网格壳体210用于形成容纳液晶分子220的腔体。网格壳体210可以由铜制备而成且网格壳体210为微米孔径的壳体。由于液晶分子220在纳米级，将网格壳体210的孔径设置为微米孔径，从而确保测量过程中在进入少量氨气的条件下就能够对液晶分子220产生影响，提高氨气传感器的灵敏度。在本实施例中，带氰基的液晶分子可以为带氰基的5CB液晶分子。液晶层200的厚度应在ΙΟΟμπι以下，从而确保液晶分子220的排列层数不会过多，进而确保氨气能够迅速到达液晶取向层140与液晶分子220竞争金属离子。
[0029]上述氨气传感器，只需要在检测盒100内设置带金属离子的液晶取向层140，并在检测盒100内放置填充有带氰基的液晶分子的液晶层200，从而使得成本较低。当检测盒100中没有氨气存在时，液晶分子220中的氰基与液晶取向层140中的金属离子结合使得液晶分子220统一垂直检测盒盒底(垂直锚定)，液晶分子呈有序排列，如图3所示。当空气从通气孔132进入检测盒100后，空气中的氨气会迅速进入到液晶分子220中与液晶分子220竞争结合金属离子，从而导致液晶分子220中的氰基与液晶取向层140中的金属离子分离，液晶分子220呈无序排列(如图4所示)。由于氨气能够迅速与液晶分子220竞争金属离子，使得整个传感器的灵敏度较高。通过改变氨气传感器中的液晶分子220的排列次序，可以使得液晶层200在偏振光下的灰度值发生变化，因此根据检测到的灰度值即可确定出外部环境中氨气的含量。在测量过程中，为确保测量的准确性，检测氨气所用的时间应大于2min。
[0030]图5为一实施例中的氨气传感器的制备方法的流程图，该制备方法包括以下步骤:
[0031]S510，提供第一透明基体，以作为检测盒的盒底。
[0032]第一透明基体为透明玻璃基体。在提供玻璃基体后，还会进行硅烷化玻璃基体，以增强玻璃基体与液晶取向层之间连接的稳固性。具体地，将玻璃基体依次通过piranha溶液(热的浓硫酸和双氧水混合物)、丙酮、超纯水、乙醇进行清洗后晾干。
[0033]S520，在第一透明基体的表面制备包含金属离子的液晶取向层。
[0034]在本实施例中，在进行液晶取向层S520的制备之前，还会先制备粘接层。粘接层的制备包括下两个步骤。
[0035]步骤I，对第一透明基体进行氨基化形成氨基化层。
[0036]将S510中得到的第一透明基体置于3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)中浸泡。以将基体进行氨基化并晾干。
[0037]步骤2，对第一透明基体进行醛基化以在氨基化层表面形成醛基化层。
[0038]将步骤I中制备得到的第一透明基体置于戊二醛溶液里面浸泡6小时以上并晾干。
[0039]在完成步骤2后，即开始制备液晶取向层。将壳聚糖与高氯酸铜(或者其他铜离子化合物、金属离子化合物)螯合后的溶液涂覆在步骤2制备得到的第二透明基体表面，并通过匀胶机旋涂均匀后完成液晶取向层的制备。
[0040]S530，将网格壳体放置在液晶取向层表面。
[0041]将微米孔径的网格状铜网放在液晶取向层表面。网格壳体的厚度小于100微米。
[0042]S540，向网格壳体内填充带有氰基的液晶分子。
[0043]S550，制备检测盒的侧壁。
[0044]S560，提供第二透明基体，作为检测盒的盒盖。
[0045]S570，在检测盒上开设至少两个通气孔。
[0046]至少两个通气孔可以开设在侧壁上或者盒盖上，也可以同时开设在侧壁和盒盖上。在本实施例中，通气孔在检测盒制备完成后再进行制备。在其他的实施例中，通气孔可以在检测盒的制备过程中同时进行制作。例如，当通气孔开设在检测盒的侧壁上时，在侧壁制备时即可在侧壁上开设通气孔。
[0047]完成S570即完成了氨气传感器的制备。上述氨气传感器的制备过程简单易行。
[0048]图6为一实施例中的氨气检测系统的结构框图，该氨气检测系统包括氨气传感器610、偏振光生成装置620、测量装置630以及计算模块640。其中氨气传感器610为前述任一实施例中的氨气传感器。偏振光生成装置620用于提供穿过氨气传感器610的盒盖和盒底的偏振光。偏振光生成装置620包括光源622以及偏振方向互相垂直的偏振片624和626。偏振光生成装置620与氨气传感器610的位置关系如图7所示。在本实施例中，偏振光生成装置620为偏光显微镜。测量装置630用于测量液晶层在偏振光下的灰度值。图8和图9为氨气传感器610在没有氨气存在和有氨气存在的条件下，在偏光显微镜下的灰度变化情况。计算模块640用于根据测量模块630测量得到的灰度值计算出空气中的氨气含量。
[0049]上述氨气检测系统采用氨气传感器610，具有成本低且灵敏度高的优点。
[0050]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0051]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种氨气传感器，用于检测空气中的氨气含量，其特征在于，包括: 检测盒;包括盒底、盒盖以及侧壁，所述盒底、所述盒底和所述盒盖通过所述侧壁相互连接后，与所述盒盖、所述侧壁形成检测腔;所述检测盒的盒盖和盒底均由透明基体构成；所述检测盒上开设有至少两个通气孔;所述盒底上位于检测腔的一面设置有带金属离子的液晶取向层；以及 液晶层;所述液晶层包括网格壳体以及填充于所述网格壳体中的带氰基的液晶分子；所述液晶层设置在所述液晶取向层上;所述液晶分子的氰基与液晶取向层的金属离子结合使得所述液晶分子统一垂直于盒底进行有序排列； 所述通气孔用于供空气通过；所述空气中的氨气与所述液晶取向层中的金属离子结合，使得所述液晶分子的氰基与所述液晶取向层的金属离子分离，进而使得所述液晶分子呈无序排列。2.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于，所述盒盖和所述盒底均为透明玻璃基板;所述网格壳体为微米孔径的网格壳体。3.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于，所述液晶取向层中的金属离子的浓度大于50毫摩尔每升。4.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于，所述金属离子为铜离子或者钒离子。5.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于，所述液晶层的厚度小于100微米。6.根据权利要求1所述的氨气传感器，其特征在于，还包括粘接层;所述粘接层用于将所述液晶取向层粘接在所述盒底上。7.根据权利要求6所述的氨气传感器，其特征在于，所述液晶取向层为与铜离子螯合之后的壳聚糖层;所述粘接层包括与所述盒底连接的氨基化层和醛基化层;所述醛基化层中的醛基用于将按所述氨基化层中的氨基与所述壳聚糖表面的氨基结合。8.一种氨气传感器的制备方法，包括步骤: 提供第一透明基体，以作为检测盒的盒底； 在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层； 将网格壳体放置在所述液晶取向层表面； 向所述网格壳体内填充带氰基的液晶分子； 制备所述检测盒的侧壁； 提供第二透明基体，以作为所述检测盒的盒盖；以及 在所述检测盒上开设至少两个通气孔。9.根据权利要求8所述的氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层的步骤之前还包括步骤: 对所述第一透明基体进行氨基化形成氨基化层； 对所述第一透明基体进行醛基化以在所述氨基化层表面形成醛基化层； 所述在所述第一透明基体的表面制备带金属离子的液晶取向层的步骤包括将与铜离子螯合之后的壳聚糖溶液均匀涂覆在所述醛基化层表面。10.一种氨气检测系统，其特征在于，包括: 如权利要求1?7任一所述的氨气传感器；偏振光生成装置，用于提供穿过所述盒盖和所述盒底的偏振光；测量装置，用于测量所述液晶层在所述偏振光下的灰度值；以及计算模块，用于根据所述测量模块测量得到的灰度值计算得到空气中的氨气含量。
【文档编号】G02F1/13GK105938104SQ201610362967
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】牛小方, 罗丹
【申请人】南方科技大学