CN101419217B - 检测硝基芳烃类爆炸物的传感头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头及其制备方法，传感头由塑料光纤制成的，传感头的头部为被剥去护套的U形光纤，U形光纤的外壁上涂覆有敏感材料，此检测硝基芳烃类爆炸物的传感头解决了目前荧光爆炸物传感器易受外界光的干扰，易坏可操作性差的问题，具有高灵敏度、不易受外界环境干扰、结构简单、价格低廉的特点。

Description

检测硝基芳烃类爆炸物的传感头及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头。

背景技术

当前，国际恐怖主义活动日益猖狂，恐怖分子利用隐藏爆炸物进行讹诈、劫持民航客机的事件时有发生，非法携带爆炸物的各种事件更是屡见不鲜，例如2001年美国的911事件、20世纪80年代中期发生的空难(美国泛美航空、环球航空公司、印度航空、法国联合航空运输公司等)，因此在机场、码头、车站等地及时准确的将隐藏的爆炸物检测出来，已成为一项十分紧迫和至关重要的任务。另外爆炸物的检测还可用于非金属地雷探测、环境质量监测等领域。

爆炸物的检测技术可分为体探测技术和微痕量检测技术。爆炸物的体检测技术是对爆炸物的整体外观进行探测的技术。主要有X射线、中子分析以及核四极矩共振等技术。但是上述方法存在价格昂贵、灵敏度低、设备体积大等缺点，因而在应用方面存在局限性。爆炸物的微痕量检测技术主要是对爆炸物挥发出的蒸汽和对粘附于爆炸物容器表面以及任何接触过爆炸物的物(包括人体)表面所残留的微痕量爆炸物进行检测的技术。目前，可用于对微痕量爆炸物进行检测的技术主要是各种波谱技术、基于荧光猝灭原理的传感技术以及生物传感技术等。波谱检测方法主要有气相色谱法(GC)、质谱法(MS)和离子迁移法(IMS)等。目前，这些微痕量检测技术都还处在不断探索和发展中。就开发前景而言，荧光猝灭爆炸物传感器具有检测速度快、检测灵敏度高、稳定性好、传感器成本低、体积小、操作简便等优点，被认为是目前爆炸物痕量检测、探测方面最好的技术之一。

荧光爆炸物传感器基于荧光猝灭原理，TNT等硝基芳烃类爆炸物对一些荧光物质具有猝灭作用，从而使其光强度减弱和荧光寿命降低。荧光强度和荧光寿命与TNT等硝基芳烃类爆炸物的浓度之间满足线性关系，通过检测荧光强度或者荧光寿命就可以间接的探测TNT等爆炸物的浓度。

目前的传感头主要有以下几种：

(1)含有敏感材料的薄膜，这种传感头是将敏感材料涂覆于某种基底上，然后用激发光打到基底上，再用探测器接收产生的荧光。但是这种方法接受的荧光光强较弱，易受外界光的干扰；

(2)含有敏感材料的石英光纤端面，这种传感头是将敏感材料涂覆于石英光纤端面上，但是需要复杂的光学系统接收光；

(3)直接将敏感材料涂到石英光纤的侧面，但是这种传感头接收到的荧光信号很少，不利于探测。用以上的石英光纤做传感头的缺点是普通的石英光纤纤芯较细，与光源的耦合效率低；传感头的形状比较单一，会影响到传感的灵敏度；另外石英光纤易碎，可操作性差。

发明内容

本发明是针对现有传感头易受外界干扰、易坏可操作性差的问题，提出了一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头及其制备方法，该传感头应具有高灵敏度、不易受外界环境干扰、结构简单、价格低廉的特点。

本发明的技术方案为：一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头，由塑料光纤制成的，传感头的头部为被剥去护套的U形光纤，U形光纤的外壁上涂覆有敏感材料。

所述的塑料光纤为聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤，所述的敏感材料是含有荧光物质的溶胶-凝胶。

一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头的制备方法，制备方法包括如下步骤：

1)将塑料光纤用刀片将中间部分剥去约3厘米长的护套，然后将剥去护套的光纤用酒精棉球擦干净，将剥去护套的光纤弯成U形；

2)配制溶胶-凝胶溶液：将体积比为1：3：1：0.55的正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、酒精、0.03mol/l的盐酸水溶液依次倒入烧瓶中配成溶液，然后将荧光物质MEH-PPV加入溶液中；使MEH-PPV在溶液中的浓度为2mg/ml，将配好的溶液在50℃水浴条件下搅拌6小时即得到透明的含敏感材料溶胶-凝胶溶液；

3)将步骤1)中制备好的U形传感头插入配制好的溶胶-凝胶溶液中，用提拉法涂上一定厚度的敏感材料，在室温凉干即可。

本发明的有益效果在于：本发明检测硝基芳烃类爆炸物的传感头及其制备方法，解决了目前荧光爆炸物传感器易受外界光的干扰，易坏可操作性差的问题，具有高灵敏度、不易受外界环境干扰、结构简单、价格低廉的特点。

附图说明

图1是本发明检测硝基芳烃类爆炸物的传感头结构示意图。

具体实施方式

采用光纤做硝基芳烃类爆炸物传感，主要是利用倏逝波原理。对于直光纤，倏逝波可以传输的距离为：

$d_p=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}{n}_1{({\sin }^2\mathrm{\θ}-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c)}^{1/2}}---\left(1\right)$

其中λ是入射光波长，n₁是纤芯的折射率，θ是入射光线与纤芯-包层界面法线的夹角，θ_c＝arcsin(n₂/n₁)是纤芯与敏感层的临界角，n₂是敏感层的折射率。光纤包层的折射率n_cl大于n₂，所以θ不能无限接近于θ_c，倏逝波传输的就不远。对于U形光纤来说，在U形光纤的外侧，设θ角变为φ；在U形光纤的内测，θ角变为δ。其值分别为：

$\mathrm{\φ}={\sin }^{-1}\[\left(\frac{R+h}{R+2\mathrm{\ρ}}\right)\frac{n_{\mathrm{cl}}}{n_1}\]---\left(2\right)$

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\[\left(\frac{R+h}{R}\right)\frac{n_{\mathrm{cl}}}{n_1}\]---\left(3\right)$

其中ρ是光纤的芯径，R是U形光纤的弯曲半径，h是光线入射到U形区时的高度。聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤的芯层折射率是1.49，包层折射率是1.41，敏感材料的折射率是1.34。设入射光波长是470nm，U形光纤的弯曲半径是10mm，h＝0通过计算可以得知倏逝波在直线形光纤情况下传输的最大距离是236nm，倏逝波在U形光纤情况下传输的最大距离是在光纤外侧和内侧分别是458nm和236nm，因而U形光纤可以得到高的灵敏度。

如图1所示检测硝基芳烃类爆炸物的传感头结构示意图，传感头由塑料光纤2制成的，传感头的头部1为被剥去护套的U形光纤，U形光纤的外壁上涂覆有敏感材料。所述的塑料光纤为聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤。所述的敏感材料是含有荧光物质的溶胶-凝胶。

下面描述检测硝基芳烃类爆炸物的传感头的制备方法：

1)将塑料光纤用刀片将中间部分剥去约3厘米长的护套，然后将剥去护套的光纤用酒精棉球擦干净，将剥去护套的光纤弯成U形，如图1所示；

2)配制溶胶-凝胶溶液：

将体积比为1：3：1：0.55的正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、酒精、0.03mol/l的盐酸水溶液依次倒入烧瓶中配成溶液，然后将荧光物质MEH-PPV加入溶液中；使MEH-PPV在溶液中的浓度为2mg/ml，将配好的溶液在50℃水浴条件下搅拌6小时即得到透明的含敏感材料溶胶-凝胶溶液；

3)将步骤1)中制备好的U形传感头插入配制好的溶胶-凝胶溶液中，用提拉法涂上一定厚度的敏感材料，在室温凉干即可。

Claims (2)

1.一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头，其特征在于，由U形塑料光纤制成的，所述传感头的头部为被剥去护套的U形塑料光纤，U形塑料光纤的外壁上涂覆有敏感材料，所述的U形塑料光纤为芯层折射率为1.49，包层折射率为1.41的聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤，所述的敏感材料是含有荧光物质MEH-PPV的溶胶-凝胶。

2.一种检测硝基芳烃类爆炸物的传感头的制备方法，制备方法包括如下步骤：

1)将塑料光纤用刀片将中间部分剥去约3厘米长的护套，然后将剥去护套的光纤用酒精棉球擦干净，将剥去护套的光纤弯成U形；

2)配制溶胶-凝胶溶液：将体积比为1∶3∶1∶0.55的正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、酒精、0.03mol/l的盐酸水溶液依次倒入烧瓶中配成溶液，然后将荧光物质MEH-PPV加入溶液中；使MEH-PPV在溶液中的浓度为2mg/ml，将配好的溶液在50℃水浴条件下搅拌6小时即得到透明的含敏感材料溶胶-凝胶溶液；

3)将步骤1)中制备好的U形塑料光纤插入配制好的溶胶-凝胶溶液中，用提拉法涂上一定厚度的敏感材料，在室温凉干即可。

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