[發明專利]石墨烯及二維材料納機電質譜儀器及應用方法

有效

• 申請號: 202011209511.6
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112326768B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 劉瑛;劉冠軍;邱靜;呂克洪;楊鵬;張勇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01N27/62
• 分類號: G01N27/62
• 代理公司: 湖南企企衛知識產權代理有限公司 43257
• 代理人: 任合明

1.一種石墨烯及二維材料納機電質譜儀器，其特征在于，由生化樣品霧化子系統、生化樣品輸運聚焦子系統、石墨烯及二維材料納機電振子陣列單元、諧振質譜檢測子系統、陣列解吸修復子系統以及中央測控子系統組成；所述生化樣品霧化子系統置于生化樣品輸運聚焦子系統前端并相互連通，用于將待檢測生化樣品霧化或者導入待檢測生化樣品氣氛；所述石墨烯及二維材料納機電振子陣列置于生化樣品輸運聚焦子系統末端，生化樣品聚焦輸運并被投射到納機電振子陣列上；所述納機電振子陣列通過電氣連接到所述諧振質譜檢測子系統和所述陣列解吸修復子系統；所述諧振質譜檢測子系統用于對納機電振子陣列激振和諧振檢測；所述陣列解吸修復子系統用于在質譜測試中或者測試結束后去除納機電振子陣列吸附物，重置振子工作狀態；所述中央測控子系統與生化樣品霧化子系統、生化樣品輸運聚焦子系統、諧振質譜檢測子系統、陣列解吸修復子系統電氣互聯，用于設置所連接子系統工作狀態和分析質譜檢測數據；

所述生化樣品霧化子系統的組成包括至少一路的多通管路，其中，多通管路進氣端安裝閥門或者密封蓋，并且多通管路的進氣端連接至待測氣氛；所述待測氣氛為天然大氣、或特殊采樣氣氛、或生化樣品霧化氣氛；所述待測氣氛是通過至少一種中性霧化方式或者電離霧化方式產生，霧化方式是基于聲表面波器件的中性霧化方式、或基于超聲器件的中性霧化方式、或電噴霧電離霧化方式；所述生化樣品霧化子系統由所述中央測控子系統控制；所述多通管路的出氣端與所述生化樣品輸運聚焦子系統連接；

所述生化樣品輸運聚焦子系統由子系統框架、氣動透鏡、載體氣源及管路、真空泵組、制冷單元、陣列安裝樣品臺及電氣接口組成；所述子系統框架分為三段，分別是前腔室、中腔室和后腔室，且各腔室相通，通過真空泵組抽真空，在三個腔室間形成壓力梯度；所述生化樣品霧化子系統中的生化樣品直接進入前腔室；所述真空泵組包括至少一臺機械泵和分子泵；所述載體氣源是氮氣、氦氣、氫氣和其他惰性氣體的一種或者混合；所述載體氣源通過管路進入前腔室并與生化樣品形成混合氣體；所述氣動透鏡置于中腔室，由初級限流孔板、次級聚焦孔板和末級加速噴嘴組成；所述初級限流孔板前后壓力梯度驅動進入前腔室的混合氣體加速并聚焦通過板孔，并在次級聚焦孔板前后再次加速并聚焦，混合氣體通過末級加速噴嘴噴出，進入后腔室；所述后腔室中安裝陣列安裝樣品臺及電氣接口；

所述石墨烯及二維材料納機電振子陣列單元包含至少一個石墨烯及二維材料納機電振子陣列，每一個石墨烯及二維材料納機電振子陣列包含至少一個石墨烯及二維材料納機電振子，石墨烯及二維材料納機電振子陣列單元安裝在生化樣品輸運聚焦子系統的陣列安裝樣品臺并連接至電氣接口；

所述諧振質譜檢測子系統用于在石墨烯及二維材料納機電振子和柵極之間施加高頻靜電力激勵振子共振，振子共振信號讀取包括激光干涉讀取、或射頻信號直接讀取、或低頻混頻讀取、或它們的組合信號讀取；

所述陣列解吸修復子系統采用基于電熱效應的過電流退火解吸方法，由電源、電壓監控單元、電流監控單元、柵極電壓調制單元組成；所述電源以設定的速率勻速加載石墨烯及二維材料納機電振子偏置電壓直至安全值，所述電壓監控單元用于檢測石墨烯及二維材料納機電振子兩端電壓，所述電流監控單元檢測石墨烯及二維材料納機電振子陣列中的石墨烯及二維材料納機電振子中通過的電流；所述電源保持偏置電壓，石墨烯及二維材料在電流熱效應下產生焦耳熱，石墨烯及二維材料表面污染物受熱分解后，所述電源勻速卸載偏置電壓至零；所述柵極電壓調制單元、電壓監控單元、電流監控單元以及諧振質譜檢測子系統用于測試石墨烯及二維材料納機電振子電氣特性或者諧振特性，若石墨烯及二維材料納機電振子電氣特性或者諧振特性改善，所述電源重復加載偏置電壓退火，若石墨烯及二維材料納機電振子電氣特性或者諧振特性無改善且不達要求，所述電源增大加載偏置電壓退火，直至石墨烯及二維材料納機電振子電氣特性或者諧振特性改善且達要求；

所述中央測控子系統由測控計算機、總線、連接線纜組成；所述測控計算機通過總線控制生化樣品霧化子系統、生化樣品輸運聚焦子系統、諧振質譜檢測子系統和陣列解吸修復子系統工作狀態、設置參數、記錄數據，并將諧振質譜檢測子系統測到的頻率信息轉換為質譜信息。