【摘 要】
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物联网与人工智能产业的兴起,对低功耗和小型化的传感器（或检测仪）提出了迫切需求。液体痕量分析,通常采用光学或电学的方法。其中,作为光学检测方法的代表,分光光度计具有操作简单、成本低、分析速度快的优势;作为电学检测方法的代表,半导体生物传感器具有低功耗和易集成的优势。分光光度计通常采用比色皿作为样品池,其检测灵敏度主要取决于比色皿的光程长度。比色皿的光程长度等于比色皿的宽度与待测液体折射率的乘积,由
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.61774027）； 国家自然科学基金（61376050）,面向光电子集成的高性能硅基Ⅲ-Ⅴ族纳米线红外光电探测器； 对外科技合作（2015DFR10970）,基于异质结纳米线的专用传感芯片及微型环境监测仪的研制；
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物联网与人工智能产业的兴起,对低功耗和小型化的传感器（或检测仪）提出了迫切需求。液体痕量分析,通常采用光学或电学的方法。其中,作为光学检测方法的代表,分光光度计具有操作简单、成本低、分析速度快的优势;作为电学检测方法的代表,半导体生物传感器具有低功耗和易集成的优势。分光光度计通常采用比色皿作为样品池,其检测灵敏度主要取决于比色皿的光程长度。比色皿的光程长度等于比色皿的宽度与待测液体折射率的乘积,由于比色皿的宽度有限,因此分光光度计的检测灵敏度受到制约;而且,分光光度计通常采用氘灯或钨灯作为光源,仪器的功耗较高。半导体生物传感器通常采用纳米材料作为敏感材料。由于半导体纳米线自身是最小的导电通道,单根纳米线即可作为一个独立器件,这对于减小传感器的体积和功耗具有重要意义;而且,纳米线易于排列形成器件阵列,集成度高。但是,纳米线生物传感器存在稳定性差和使用寿命短的问题。基于上述问题,本论文研制高灵敏度、低功耗、便携式的金属导光毛细管（MWC）光度计;并研制InAs/InP芯/包层纳米线传感器,利用InP包层延缓InAs纳米线的表面氧化过程,以提高纳米线的稳定性（由于时间有限,目前只研究了气敏特性,液体检测工作后续开展）。主要成果如下:1.研究了 MWC中的光程倍增效应。由于金属管内壁可以在很宽的入射角度范围内保持较高的反射率,而且MWC的两端存在微型倒角结构,可以将探测光束约束在管内多次反射传输,使得毛细管内的光程达到物理长度的3.4倍。2.研制出MWC光度计,其中采用MWC取代比色皿作为样品池,以提高检测灵敏度,并利用LED光源以降低功耗。当MWC的长度为7 cm时,光度计对水中的微量葡萄糖、柴油和重金属Cr（Ⅵ）的检出限分别达到5.12 nM、2.14 μg/L和0.1 μg/L。与Agilent Cary 300分光光度计（配1 cm 比色皿）相比,检出限分别改善了 125、125和100倍,而且MWC光度计的体积仅13×14×22 cm3。3.研制出InAs/InP芯/包层纳米线传感器,并探索InP包层对传感器的稳定性和灵敏度的影响。实验表明:InP包层厚度达到3.3 nm时,能有效减缓InAs纳米线的表面氧化过程,使得InAs/InP纳米线在空气中放置6年仍能保持高灵敏度;而且,InAs/InP纳米线对NO2的检出限达到了 3 ppb,与没有包层的InAs纳米线相比,检出限改善了300多倍,该灵敏度提升来自纳米线表面的InAs/InP异质结势垒。这项工作为后续研究纳米线生物传感器奠定基础。
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