以微電漿產生裝置結合放射光譜偵測空氣中揮發性有機物之研究

Abstract

微電漿是任一維度在毫米尺度以下的電漿系統，常壓下的微電漿具不需真空設備、體積小、低耗能、高反應性、常溫下運作等優點，微電漿種類眾多，本文所使用的自製微電漿裝置屬於介電質微電漿系統，介電質微電漿於分析化學的應用廣泛，在質譜儀、樣品分解、放光光譜等領域都有它的蹤跡，然而，在其中的放光光譜領域，鮮少有團隊發展在空氣環境中檢測揮發性有機物的技術，其其挑戰有二，一是空氣電漿中氧氣會和有機物反應生成水氣、二氧化碳等較為安定的物種，減少產生有機物特徵放光的來源；二是大氣電漿的放光光譜被氮氣所主宰，與揮發性有機物相關的訊號可能因此被屏蔽於氮氣的放光底下而無法被觀測到。本研究透過適當調控電漿行為成功在大氣環境下測得揮發性有機物的訊號並將偵測極限自104 ppm等級推進到102 ppm等級，從微電漿裝置消耗功率的量測結果提出CN特徵放光訊號與消耗功率之間的關聯和趨勢，接著探討本研究自製的微電漿裝置在連續多個週期的放電行為與浮動電極的設計。 為了暫時排除複雜有機物含有多種官能基與元素的影響，於實際應用層面的測試，本研究使用乙醇做為被感測的揮發性有機物，藉由實驗設計說明本感測系統在空氣環境中的檢測能力與穩定性，此外，從回歸的結果得知本系統在200 ~ 3000 ppm具有良好的線性響應。氣體感測器的最終目標是能達到即時即地的監測目標環境，本研究使用自行組裝的升壓模組取代體積龐大的放大器，能夠於空氣環境下穩定的感測到3000 ppm的乙醇蒸氣。 未來本系統除了可以往更低濃度的偵測極限努力外，尚可以往探討空氣中水氣含量對於放光光譜的影響以及在檢測的揮發性有機物中添加干擾物，讓實驗室中模擬的感測環境更合乎現實的需求。