CN109557131A - 金纳米结构光热变构的原位监测传感装置及制作、测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金纳米结构光热变构过程实时监测的传感装置及制作、测量方法，该装置包括锥形微纳光纤干涉仪和金纳米结构分散液；锥形微纳光纤干涉仪的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤干涉仪作为光纤传感探针与单模光纤熔接；光纤传感探针浸泡入含有金纳米结构的分散液中；用激光照射金纳米结构分散液，并将光源输入到微纳光纤干涉仪中，利用锥形微纳光纤干涉仪表面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对所处环境中金纳米结构光热变构过程中产生的温度变化进行监测。本发明不仅大大降低了成本，而且利用光纤传感探针体积小的特点，可实现金纳米结构光热变构过程的原位监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学实时监测装置及方法，尤其是一种金纳米结构光热变构过程实时监测的传感装置及制作、测量方法，属于光传感技术设计领域。
背景技术
近年来，金纳米结构作为典型的具有光热效应的材料，近年来得到了广泛的研究。除了金纳米结构外，以石墨烯及其衍生物为代表的二维材料，其光热性能也得到了广泛的关注。将石墨烯与金纳米结构复合后，可得到性能优于单一组分的光热材料。近年来，过渡金属二硫化物(TMDCs)作为另一种拓扑绝缘体出现，也受到了广泛的关注。二硫化钼作为其中一员，具有独特的电学、光学、机械和化学性能。由于其与石墨烯在形貌和性能上的相似性，石墨烯-金纳米结构在光热方面的成功开发鼓励了人们对二硫化钼-金纳米结构的探索。因此，深入了解这些材料的光热过程，对评价材料性能和指导复合材料设计具有重要意义。然而，据我们所知，到目前为止，对光热过程进行实时追踪的传感手段还相对滞后，不能实时、原位地反映光热过程的变构效应。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有追踪金纳米复合材料光热过程技术的缺陷与不足之处，提供一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，该装置将光纤传感探针置于金纳米结构的分散液中，用激光触发金纳米结构的光热效应，通过光纤追踪所处溶液环境温度变化速率从而获得材料变构信息，并通过波长解调方法，不仅大大降低了成本，提高了光纤传感的灵敏度，而且利用光纤传感探针体积小的特点，可实现光热变构过程的实时、原位、痕量监测。
本发明的另一目的在于提供一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的制作方法。
本发明的又一目的在于提供一种基于金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的测量方法。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，该装置包括锥形微纳光纤干涉仪1和金纳米结构分散液2；锥形微纳光纤干涉仪1具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，锥形微纳光纤干涉仪1的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接；光纤传感探针浸泡于金纳米结构分散液2中，分散液在光纤传感探针周围形成其周围环境；利用激光激发纳米材料的光热效应，并将光源输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，利用锥形微纳光纤干涉仪1对周围液态环境温度变化敏感的特性，对光热过程产生的金纳米结构变构作用进行监测。
进一步地，金纳米结构分散液2为均一的水分散液。
进一步地，锥形微纳光纤干涉仪1的直径为5-10mm，优选地直径为7.185mm，可以理解的是锥形微纳光纤的直径还可以为5mm、6mm等。
进一步地，输入到锥形微纳光纤干涉仪1中光源采用宽带光，宽带光的波段为1250～1650nm波段。
进一步地，金纳米结构3采用50nm直径的金壳@二硫化钼纳米复合物为模型。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的制作方法，将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接；将光纤传感探针浸泡在金纳米结构分散液2中；利用激光激发纳米材料的光热效应，并将光源输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，利用锥形微纳光纤干涉仪1对周围液态环境温度变化敏感的特性，对光热过程产生的金纳米结构变构作用进行监测。
进一步地，上述金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的制作方法，具体法包括下列步骤：
S1、将光敏光纤在火焰上拉制成直径为5-10mm的锥形微纳光纤干涉仪1，该锥形微纳光纤干涉仪1具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，过渡区和均匀区形成干涉结构，将锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接；
S2、将金纳米结构均匀分散于去离子水中，形成均一的金纳米结构分散液2；
S3、将光纤传感探针浸入金纳米结构分散液2中，光纤传感探针的传感区域被金纳米结构3环绕。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的测量方法，所述的测量方法包括下列步骤：
T1、将1250～1650nm波段的宽带光作为光源输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，锥形微纳光纤干涉仪1激发干涉光，并在锥形微纳光纤干涉仪1表面上形成倏逝波；
T2、用750～950nm波段的激光照射金纳米结构分散液，触发金纳米结构3的光热作用，由于锥形微纳光纤干涉仪1表面倏逝波对外界环境温度变化敏感，使得在光纤干涉谱中干涉峰位置发生变化，根据干涉峰位置变化随时间的响应实时监测其周围金纳米结构的温度变化过程。
进一步地，所述的步骤T2中，锥形微纳光纤干涉仪1所处环境温度变化时，光纤材料的热光系数使其折射率发生相应变化，从而将温度变化信息转化为干涉峰的位置变化信息，从温度变化速率获得光热效率和变构信息。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明将锥形微纳光纤与单模光纤熔接形成光纤传感探针，并将光纤探针浸泡于含有金纳米结构的分散液中，通过监测激光照射下分散液中温度随时间的变化速率，来追踪金纳米结构的光热变构过程，可实现过程的实时监测，具有可实现实时、原位及痕量监测，同时具有简便、快速等优点。
2、本发明与现有的监测温度的红外热像仪相比，灵敏度高、器件小巧灵活，省去了大型、昂贵的仪器，可实现对光热变构过程的实时、原位测量，并且对金纳米结构的用量要求很低。
3、本发明利用光纤体积小、光纤传感探针与信号传输线集成于一根光纤、灵敏度高的特点，可实现材料特性的原位、实时监测，材料用量极少，在化学材料评估方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明中金纳米结构光热变构实时监测的光纤传感原理图；
图2是本发明中金纳米结构分散液及激光光源的位置示意图；
图3是本发明中微纳光纤干涉仪对环境温度的响应曲线(干涉峰的位置随温度变化的漂移量)；
图4是本发明中微纳光纤干涉仪监测金纳米结构光热过程中，其表面倏逝波干涉峰某一模式的波长随时间变化曲线及相应速率。
其中，1-锥形微纳光纤干涉仪，2-金纳米结构分散液，3-金纳米结构，4-光源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
光纤传感技术以百微米尺度的光纤物理媒介，以光波为信息载体，具有成本廉价、结构小巧、灵敏度高、可远程监测、耐腐蚀、生物兼容性强等优点，成为近些年来发展最为迅速的传感技术之一。最具代表性的就是近些年发展起来的微纳光纤干涉仪传感器，此类光纤传感器除了兼具常规光纤传感器特点之外，还可利用其激发的对周围环境敏感的倏逝波模式，不仅大大丰富了其检测对象，还提高了测量精度。在生物化学材料检测领域中具有非常广阔的应用前景。
如图1所示，本实施例提供了一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，该装置包括锥形微纳光纤干涉仪1和金纳米结构分散液2；锥形微纳光纤干涉仪1具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，锥形微纳光纤干涉仪1的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接；光纤传感探针浸泡于金纳米结构分散液2中，分散液在光纤传感探针周围形成其周围环境，具体地，金纳米结构分散液2为均一的水分散液。
本实施例的光催化剂催化过程实时监测的传感装置工作原理为：光纤传感探针浸泡入金纳米结构分散液2中，周围被金纳米结构3环绕(此处该纳米结构以50nm直径的金壳@二硫化钼纳米复合物为模型)中，将光源4输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，光源4经过锥形微纳光纤干涉仪1形成干涉波，利用锥形微纳光纤干涉仪1表面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对金纳米结构3的光热作用产生的温度变化进行监测。
本实施例中，锥形微纳光纤干涉仪1的直径为5-10mm，优选地直径为7.185mm，可以理解的是锥形微纳光纤的直径还可以为5mm、6mm等；光源采用宽带光，优选地，宽带光的波段为1250～1650nm波段。
实施例二
如图1所示，本实施例提供了一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的制作方法，该制作方法包括：将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接，；将光纤传感探针浸泡入金纳米结构分散液2中；将光源4输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，光源4经过锥形微纳光纤干涉仪1形成干涉波，利用锥形微纳光纤1表面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对金纳米结构3的光热作用产生的温度变化进行监测。具体包括以下步骤：
R1、将光敏光纤在火焰上拉制成直径为5-10mm的锥形微纳光纤干涉仪1，该锥形微纳光纤干涉仪1具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，该锥形微纳光纤干涉仪1的过渡区和均匀区形成干涉结构，将锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接；
R2、将金纳米结构3(本实施例中以50nm直径的金壳@二硫化钼纳米复合物为模型)均匀分散于去离子水中，形成均一的金纳米结构分散液2；
R3、将光纤传感探针浸泡入金纳米结构分散液2中，光纤传感探针的传感区域被金纳米结构3环绕。
实施例三
本实施例公开了一种基于金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的测量方法
P1、将1250～1650nm波段的宽带光作为光源输入到锥形微纳光纤干涉仪1中，经过锥形微纳光纤干涉仪1，激发干涉光，并在锥形微纳光纤干涉仪1表面上形成倏逝波；
P2、用750～950nm波段的激光照射金纳米结构分散液，触发金纳米结构3的光热作用，由于锥形微纳光纤干涉仪1表面倏逝波对外界环境温度变化敏感，使得在光纤干涉谱中干涉峰位置发生变化，根据干涉峰位置变化随时间的响应实时监测其周围金纳米结构的温度变化过程。
本步骤中，根据干涉峰位置变化随时间的响应实时监测光热过程中温度的变化过程，具体为：锥形微纳光纤1表面的倏逝波对光纤传感探针表面温度变化过程作出响应，根据干涉峰的位置变化信息得到温度变化的信息和变化速率的信息，由光谱漂移速率计算得出在50min内的温度变化速率分为三个阶段：0.615℃/min(0-10min)、0.125℃/min(10-35min)及0.056℃/min(35-50min)，从而可推断出，在10-35min阶段中，金纳米结构发生了变构。
如图2所示，金纳米结构分散液以850nm激光照射，触发其光热效应。
如图3所示，为锥形微纳光纤对环境温度的灵敏度，在23-45℃范围内(覆盖本发明中温度变化范围)，光纤的温度灵敏度为-0.096nm/℃。
如图4所示，为将光纤传感探针浸入金纳米结构分散液中，在光热过程中，锥形微纳光纤表面倏逝波干涉峰某一模式的波长随时间变化图；根据干涉峰的位置变化信息得到温度变化的信息和变化速率的信息，由光谱漂移速率计算得出在50min内的温度变化速率分为三个阶段：0.615℃/min(0-10min)、0.125℃/min(10-35min)及0.056℃/min(35-50min)，从而可推断出，在10-35min阶段中，金纳米结构发生了变构。
综上所述，本发明将锥形微纳光纤干涉仪1作为光纤传感探针与单模光纤熔接，浸泡入含有金纳米结构的水分散液中，金纳米结构环绕在干涉仪传感区域内，并在激光照射下发生光热效应，从而改变锥形微纳光纤所处环境的温度，利用锥形微纳光纤表面倏逝波对环境温度变化敏感的特性，可实现对光热过程的实时监测，具有可实现实时、原位及痕量监测，同时具有简便、快速等优点。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，其特征在于，所述的传感装置包括锥形微纳光纤干涉仪(1)和金纳米结构分散液(2)，
其中，所述的锥形微纳光纤干涉仪(1)具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤干涉仪(1)作为光纤传感探针与单模光纤熔接，该光纤传感探针浸泡于所述的金纳米结构分散液(2)中，光纤传感探针的传感区域被分散液中金纳米结构(3)环绕，形成其周围环境；
利用激光激发纳米材料的光热效应，并将光源输入到锥形微纳光纤干涉仪(1)中，利用锥形微纳光纤干涉仪(1)对周围液态环境温度变化敏感的特性，对光热过程产生的金纳米结构变构作用进行监测。
2.根据权利要求1所述的金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，其特征在于，所述的锥形微纳光纤干涉仪(1)的直径为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，其特征在于，所述的金纳米结构分散液(2)为均一的水分散液。
4.根据权利要求1所述的金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，其特征在于，输入到锥形微纳光纤干涉仪(1)中光源采用宽带光，宽带光的波段为1250～1650nm波段。
5.根据权利要求1所述的金纳米结构光热变构的原位监测传感装置，其特征在于，所述的金纳米结构(3)采用50nm直径的金壳@二硫化钼纳米复合物为模型。
6.一种金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括下列步骤：
S1、将光敏光纤在火焰上拉制成直径为5-10mm的锥形微纳光纤干涉仪(1)，该锥形微纳光纤干涉仪(1)具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，过渡区和均匀区形成干涉结构，将锥形微纳光纤干涉仪(1)作为光纤传感探针与单模光纤熔接；
S2、将金纳米结构均匀分散于去离子水中，形成均一的金纳米结构分散液(2)；
S3、将光纤传感探针浸入金纳米结构分散液(2)中，光纤传感探针的传感区域被金纳米结构(3)环绕。
7.一种基于金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括下列步骤：
T1、将1250～1650nm波段的宽带光作为光源输入到锥形微纳光纤干涉仪(1)中，锥形微纳光纤干涉仪(1)激发干涉光，并在锥形微纳光纤干涉仪(1)表面上形成倏逝波；
T2、用750～950nm波段的激光照射金纳米结构分散液，触发金纳米结构(3)的光热作用，由于锥形微纳光纤干涉仪(1)表面倏逝波对外界环境温度变化敏感，使得在光纤干涉谱中干涉峰位置发生变化，根据干涉峰位置变化随时间的响应实时监测其周围金纳米结构的温度变化过程。
8.根据权利要求7所述的基于金纳米结构光热变构的原位监测传感装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤T2中，锥形微纳光纤干涉仪(1)所处环境温度变化时，光纤材料的热光系数使其折射率发生相应变化，从而将温度变化信息转化为干涉峰的位置变化信息，从温度变化速率获得光热效率和变构信息。
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| GR01 | Patent grant | ||
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