化学光源研究论文提纲

2022-11-15

论文题目：近红外量子点光学器件制备及对化学毒剂检测性能研究

摘要：由于绝大多数化学品在近红外区域都有吸收,因此可通过分析目标物的近红外吸收光谱来实现定性、定量检测。近红外胶体量子点是一种发射波长位于近红外波段的半导体纳米材料,可通过调控量子点的尺寸调节其吸收、发射光谱,并利用该特性制备近红外胶体量子点光学器件。目前,采用量子点材料制备光学器件检测化学物质,主要包括以下两种技术途径:一是利用单色量子点荧光（发射光）,或几种单色光的组合,制备量子点光源,通过吸收光谱匹配法,实现物质的定性、定量检测;二是利用量子点材料光谱特性随尺寸变化的特点,制备阵列型分光器件,通过重构算法实现目标物光谱重构。前者的不足在于,单色光的组合数量有限,单个器件仅能检测少数几种化学物质;后者的不足在于,器件工作波段仅覆盖可见光和少部分近红外波段,有待进一步拓宽;在器件制备方面,还缺乏量子点墨水配比对器件发光性能和形貌影响相关研究。为了解决现有不足,本课题围绕以下三个方面开展了研究工作:1.材料选择与量子点墨水配比研究选择Pb S、Pb S/Cd S量子点溶液和NOA作为滤波材料和封装材料。混合后制备了多种配比的量子点墨水,并使用不同配比墨水制备了多种近红外胶体量子点单点光源和量子点阵列。分析研究了墨水配比对量子点单点光源发光性能和量子点阵列形貌的影响。研究结果证明:当墨水配比不大于1:9时,单点光源较稳定,当量子点墨水配比为1:9时,量子点单点光源的发光强度最高。随着墨水配比增加,量子点单点光源发射峰位红移,且量子点单点光源稳定性下降。当量子点墨水配比为1:9和2:8时,量子点阵列形貌最佳,发光均匀,阵列排列整齐且打印精度高,重复性好,随着量子点墨水配比增加,量子点阵列形貌、发光均匀度、一致性均降低。2.近红外量子点光学器件制备与表征在近红外胶体量子点单点光源制备方面,根据目标物吸收特征,选择发射峰位分别为1172±20nm和1380±50nm的两种Pb S量子点材料制备单点光源,利用量子点墨水配比变化而发生红移的性质对光源发射峰进行调控,提高了对目标物对二甲苯、DMMP、二氯甲烷、1,2-二氯乙烯吸收光谱的匹配度,最终制备的两种近红外胶体量子点单点光源的发射峰依次为1169.99nm、1379.05nm,半峰宽依次为132.46nm、155.56nm,具有发光性能好、功耗低、制备方法简单等优点。在近红外胶体量子点阵列光源制备方面,在直接沉积的基础上提出了量子点阵列的栅网沉积制备方法,采用1:9、1:10、1:30、1:50、1:70等墨水配比,制备了以载玻片、RGB点阵显示模块、COB LED芯片为基底的近红外胶体Pb S/Cd S量子点和Pb S量子点阵列,以RGB点阵显示模块制备的近红外胶体量子点阵列光源发射光谱强度较大,峰型好,发光波段范围拓宽至900-1600nm,可通过增加模块数提升光谱通道数量,制备过程较简单。3.目标物检测性能研究在使用近红外胶体量子点单点光源检测目标物方面,由于单点光源发射峰与目标物对二甲苯、DMMP、二氯甲烷、1,2-二氯乙烯的吸收峰完全匹配,因此实现了目标物的定性检测。通过吸光度计算,绘制了2%-100%浓度下4种目标物的吸光度-浓度曲线,并对标准曲线进行了验证,实现了目标物的定量检测。在使用近红外胶体量子点阵列检测目标物方面,首先采用经验模态分解方法对阵列光源通道光谱进行了信号处理,预处理后的阵列通道光谱的随机高频噪声剔除效果良好,标准光谱的随机性降低,一致性提高。然后基于最小二乘法建立了光谱重构算法,并对算法进行了噪声模拟实验。最后使用近红外胶体量子点阵列检测了DMMP、二氯甲烷、沙林、芥子气液体样品,并重构了目标物吸收光谱。具有144条光谱通道的近红外胶体量子点阵列光源实现的重构光谱分辨率可达4.87nm,与标准吸收光谱的特征峰最小偏差仅为0.027%,可以实现多种化学毒剂的检测。本课题对量子点墨水配比进行了系统研究,有效优化了近红外胶体量子点单点光源光学性能和阵列光源形貌。通过调控墨水配比提升了光源发射光谱与目标物吸收光谱匹配度,并将量子点分光器件检测波段拓宽至900-1600nm。近红外胶体量子点光学器件的制备及化学毒剂检测性能研究为攻克量子点检测化学毒剂奠定基础,在实现有毒有害物质、化学毒剂的快速侦检方面具有潜在应用价值。

关键词：近红外光谱;胶体量子点;化学毒剂;光谱重构

学科专业：环境工程

摘要

Abstract

第一章前言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 危化品红外检测技术

1.2.2 量子点材料

1.2.3 量子点光源检测目标物

1.2.4 量子点阵列检测目标物

1.3 论文思路和框架