CN103163110A

CN103163110A - 一种光纤气体阵列传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103163110A
Application number: CN2013100583119A
Authority: CN
Inventors: 顾忠泽; 丁海波; 徐华; 赵远锦
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2013-06-19

Abstract

一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，包括激发光源、光纤分路器、传感头、光纤光谱仪和计算机，所述光纤分路器的第一头端与激发光源连接，所述光纤分路器的第二头端与光纤光谱仪的输入端连接，光纤分路器的尾端与传感头阵列连接，计算机通过数据线与光纤光谱仪的输出端连接。其制作方法为，首先光纤头的处理，其次，卟啉溶液的配置，再次，传感头的制备，第四，干燥和保存。通过上述方式，本发明的传感器灵敏度高、响应时间快、稳定性好、易于微型化和产业化。

Description

一种光纤气体阵列传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体传感器领域，特别是涉及一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器及其制备方法

背景技术

光纤具有传输损耗小，抗电磁干扰，化学性质稳定，耐腐蚀，易于复用组网等众多优点，因此光纤传感器可广泛应用于工业气体的在线检测、有害气体分析、环境空气质量检测和爆炸气体检测等众多领域。光物质受特定波长激励光照射时，会产生波长大于激励波长的荧光，其波长差称为strokes位移。由于荧光型气体传感器的激励光波长不同于吸收光波长，对荧光进行探测时可以达到较好的分辨率，从而提高探测器的灵敏度。在实际应用中应选择strokes位移较大的荧光物质作为指示剂。

卟啉是由四个吡咯类亚基的

碳原子通过次甲基桥（=CH）互联而形成的大分子杂环化合物。卟啉结晶呈深红色，通过改变卟啉化合物周边取代基便可改变，因此成为传感器研究的理想材料。卟啉与气体能产生配位作用，从而使荧光光谱发生改变，能够定性和定量分析气体。根据现在国内外研究气体传感器在灵敏度、检测时间、可分析气体种类等方面不能有效协调的问题，结合卟啉类化合物光敏性好、性能稳定、易于修饰、易于检测的特点，提出基于卟啉类化合物为荧光指示剂的光纤气体阵列传感器，用于环境中有机挥发性气体的检测和预警。

发明内容

本发明提供一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器及其制作方法，其灵敏度高、响应时间快、稳定性好、易于微型化和产业化；

本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，包括激发光源、光纤分路器、传感头、光纤光谱仪和计算机，所述光纤分路器的第一头端与激发光源连接，所述光纤分路器的第二头端与光纤光谱仪的输入端连接，光纤分路器的尾端与传感头阵列连接，计算机通过数据线与光纤光谱仪的输出端连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述激发光源为LED光源，所述激发光源中心波长对应于所述传感头上荧光物质的吸收峰。

在本发明一个较佳实施例中，所述光纤分路器的分光比根据激发光源强度和待检测荧光强度进行调整。

在本发明一个较佳实施例中，所述光纤分路器的尾端与传感头阵列通过光纤法兰阵列或者光开光连接。

本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制作用于检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，包括以下步骤：

首先，光纤头的处理：去除多模光纤头部的套层和涂覆层，随后浸入浓硫酸中2小时，取出后，利用丙酮和超纯水反复清洗；

其次，卟啉溶液的配置：选择对于待测气体具有荧光响应的卟啉化合物作为荧光指示剂，配合适量聚合物材料作为基质材料溶于有机溶剂中；

再次，传感头的制备：处理后的光纤头在卟啉溶液中多次蘸取，直至在光纤端面和侧壁形成均匀的传感薄膜；

第四，干燥和保存：制得的传感头在真空避光环境下干燥待用。

在本发明一个较佳实施例中，所述方法中制备传感头的光纤选自普通多模光纤（62.5/125）。

在本发明一个较佳实施例中，所述荧光指示剂选自吸收峰为400nm-500nm的卟啉化合物。

在本发明一个较佳实施例中，所述基质材料选自聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），聚氯乙烯（PVC），聚四氟乙烯（PTFE）或者共聚物Nafion。

在本发明一个较佳实施例中，所述卟啉溶液溶剂选自二氯甲烷或三氯甲烷。

在本发明一个较佳实施例中，所述传感头阵列制备时，光纤头连接到光纤气体阵列传感器中，通过实时监测传感头的荧光强度控制传感薄膜的厚度。

本发明的有益效果是：本发明的传感器灵敏度高、响应时间快、稳定性好、易于微型化和产业化；

附图说明

图1是本发明光纤气体阵列传感器的结构示意图；

图2是本发明传感头阵列的剖面图；

图3是本发明的光纤气体阵列传感器对于丙酮和乙醇饱和气体的响应；

附图中各部件的标记如下：1、激发光源；2、光纤分路器；3、传感头；4、光纤光谱仪；5、计算机；6、裸光纤；7、传感膜；8、内芯；9、包层；10、套层；11、丙酮；12、乙醇；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-3，本发明实施例提供如下技术方案

在一个实施例中，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，包括激发光源1、光纤分路器2、传感头3、光纤光谱仪4和计算机5，所述光纤分路器2的第一头端与激发光源1连接，所述光纤分路器2的第二头端与光纤光谱仪4的输入端连接，光纤分路器2的尾端与传感头3连接，计算机5通过数据线与光纤光谱仪4的输出端连接。

优选的，所述激发光源1为LED光源，所述激发光源中心波长对应于所述传感头3上荧光物质的吸收峰。

优选的，所述光纤分路器2的分光比根据激发光源1强度和待检测荧光强度进行调整。

优选的，所述光纤分路器2的尾端与传感头3阵列通过光纤法兰阵列或者光开光连接。

首先，光纤头的处理：去除多模光纤头部的套层和涂覆层，随后浸入浓硫酸中2小时，取出后，利用丙酮11和超纯水反复清洗；

其次，卟啉溶液的配置：选择对于待测气体具有荧光响应的卟啉化合物作为荧光指示剂，配合适量聚合物材料作为基质材料溶于有机溶剂中。

再次，传感头3的制备：处理后的光纤头在卟啉溶液中多次蘸取，直至在光纤端面和侧壁形成均匀的传感薄膜。

第四，干燥和保存：制得的传感头3在真空避光环境下干燥待用。

优选的，所述方法中制备传感头3的光纤选自普通多模光纤（62.5/125）。

优选的，所述荧光指示剂选自吸收峰为400nm-500nm的卟啉化合物。

优选的，所述基质材料选自聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），聚氯乙烯（PVC），聚四氟乙烯（PTFE）或者共聚物Nafion。

优选的，所述卟啉溶液溶剂选自二氯甲烷或三氯甲烷。

优选的，所述传感头3阵列制备时，光纤头连接到光纤气体阵列传感器中，通过实时监测传感头3的荧光强度控制传感薄膜的厚度。

一种检测有机挥发性气体的荧光光纤阵列传感器，包括激发光源1、光纤耦合器、气体检测传感头3和检测单元，所述的激发光源1的光路与光纤耦合器的一个头端（入射端）相耦合，光纤耦合器的另一个头端（接收端）与检测单元的光纤光谱仪4相耦合，光纤耦合器的尾端与气体检测传感头3相耦合。所述的气体检测传感膜涂敷于多模光纤的侧面和端面上。所述的光纤光谱仪4通过数据线与计算机5相连。

激励光从LED光源发出，经过光纤分路器2一端射到另一端的传感头3。荧光指示剂涂覆在光纤的端面及侧面，受激发的荧光物质上产生荧光，受外界气体浓度调制的荧光向四处散射，部分沿原路返回的荧光再次经过分路器从另一出口被光纤光谱仪4检测。气体分子与荧光物质相互作用，导致荧光强度下降和荧光寿命减短。以和

分别表示检测气体前和检测气体时传感头3受激发产生的荧光强度，

和

为对应的荧光寿命，则气体的浓度和荧光的强度寿命之间的关系可以用Stern-Volmer方程来表示：

。

为Stern-Volmer系数，

，

为待测气体浓度。记录检测气体前和检测气体时传感头3受激发产生的荧光强度，从而达到检测气体浓度的目的。

利用不同的荧光指示剂制作传感器阵列，记录检测气体前和检测气体时传感头3受激发产生的荧光强度，计算检测气体后荧光强度的相对变化值，利用传感阵列不同传感头3对于同一种气体的相对变化值组成该气体的特征编码，从而达到区分不同气体的目的。

所述的一种检测有机挥发性气体的荧光光纤阵列传感器，该传感器有光学系统和卟啉传感膜组成。该传感器具有如下优点：

本发明中传感头3处理方法简单，系统搭建简便易行且性能稳定。

本发明利用光纤多路复用的性质，弥补了单一传感头3的检测局限，丰富了检测气体的种类，同时能够对环境干扰提供校正。

本发明中利用卟啉类化合物作为荧光指示剂，特定波长的光源照射时会产生特定波长的荧光，荧光法具有灵敏度高和选择性好的优势。

由于卟啉易于通过修饰不同金属离子制成不同性质卟啉类化合物，传感膜可以有针对性的选用不同的荧光物质，多个传感头3并联组成阵列传感器，能够达到准确检测多种气体及确定其浓度的目标。

具体实施方式

以实施例中采用的实施条件可以调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

图1所示光纤气体阵列传感器的结构示意图，激发光源1与光纤分路器2的一个头端连接，光纤光谱仪4的输入端连接光纤分路器2的另一个头端，计算机5通过数据线连接光纤光谱仪4的输出端。光纤分路器2的尾端连接传感头3。

图2所示为传感头3剖视图，传感头3的制作方法如下：

第一步：去除多模光纤头部的套层10，去除后的光纤头部进入浓硫酸中2h，取出后，利用丙酮11和超纯水反复清洗；

第二步：取2ml二氯甲烷作为溶剂，加入1mg ZnTPP粉末后，充分溶解。再加入300mgPMMA颗粒，搅拌均匀。

第三步：处理后的光纤头插入卟啉溶液中多次蘸取，直至在光纤表面形成均匀的传感薄膜。制得的传感头3在真空环境下避光干燥。

形成的传感膜7包覆在裸光纤6上，与光纤的包层9的侧壁和内芯8的端面接触。

重复上述步骤，配置P-COOCH3TTP，P-NH2-TTP，SnTPP，TTP，ZnTPP等5种卟啉溶液，制作5种不同类型的卟啉传感头3。

将干燥待用的5种传感头3接入光纤气体阵列传感器中。

利用该传感器检测乙醇12和丙酮11饱和气体。分别记录接触气体前和接触气体后传感头3的荧光强度，计算检测气体后荧光强度的相对变化值，利用传感阵列不同传感头3对于同一种气体的相对变化值组成该气体的特征编码，从而达到区分不同气体的目的。图3所示即为传感阵列对于丙酮11和乙醇12两种饱和气体的特征编码。

本发明的传感器灵敏度高、响应时间快、稳定性好、易于微型化和产业化，可用于有机挥发性气体的检测。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，其特征在于，包括激发光源（1）、光纤分路器（2）、传感头（3）、光纤光谱仪（4）和计算机（5），所述光纤分路器的第一头端与激发光源连接，所述光纤分路器的第二头端与光纤光谱仪的输入端连接，光纤分路器的尾端与传感头阵列连接，计算机通过数据线与光纤光谱仪的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，其特征在于，所述激发光源为LED光源，所述激发光源中心波长对应于所述传感头上荧光物质的吸收峰。

3.根据权利要求1所述的用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，其特征在于，所述光纤分路器的分光比根据激发光源强度和待检测荧光强度进行调整。

4.根据权利要求1所述的用于检测有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器，其特征在于，所述光纤分路器的尾端与传感头阵列通过光纤法兰阵列或者光开光连接。

5.一种制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，所述方法中制备传感头的光纤选自普通多模光纤（62.5/125）。

7.根据权利要求5所述制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，所述荧光指示剂选自吸收峰为400nm-500nm的卟啉化合物。

8.根据权利要求5所述制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，所述基质材料选自聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚苯乙烯（PS），聚氯乙烯（PVC），聚四氟乙烯（PTFE）或者共聚物Nafion。

9.根据权利要求5所述的制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，所述卟啉溶液溶剂选自二氯甲烷或三氯甲烷。

10.根据权利要求5所述的制作权利要求1-4检测环境中有机挥发性气体的光纤气体阵列传感器的方法，其特征在于，所述传感头阵列制备时，光纤头连接到光纤气体阵列传感器中，通过实时监测传感头的荧光强度控制传感薄膜的厚度。