CN112014356A - 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 - Google Patents
一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112014356A CN112014356A CN202010849999.2A CN202010849999A CN112014356A CN 112014356 A CN112014356 A CN 112014356A CN 202010849999 A CN202010849999 A CN 202010849999A CN 112014356 A CN112014356 A CN 112014356A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- optical fiber
- nano optical
- waist region
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 171
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 68
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 67
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 96
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 21
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 230000008447 perception Effects 0.000 abstract description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 50
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 34
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 16
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 12
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 12
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 12
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 5
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 3
- 229920002873 Polyethylenimine Polymers 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 3
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 3
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 3
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器，包括柔性基底、柔性薄膜、以及第一微纳光纤和/或第二微纳光纤，第一微纳光纤的腰区涂覆有对pH敏感的第一敏感涂层，第二微纳光纤的腰区涂覆有对盐度敏感的第二敏感涂层，所述柔性薄膜与柔性基底之间设有微流控通道，第一微纳光纤的腰区、第二微纳光纤的腰区封装于柔性基底与+柔性薄膜之间，且所述第一敏感涂层、第二敏感涂层置于所述微流控通道中，所述柔性基底和柔性薄膜的折射率小于各微纳光纤的纤芯的折射率。本发明可实现对pH值和盐度的同时检测，具有高灵敏度、高分辨率、高稳定性及良好的柔性，便于应用在可穿戴设备、智能机器人等的触觉感知控制系统中。
Description
技术领域
本发明涉及利用微纳光纤监测红外光、可见光或紫外光的强度或偏振变化，以及涉及用于控制系统的测试装置，尤其涉及一种触觉感知控制系统的pH传感器和盐度传感器。
背景技术
触觉是人类获得外界信息的重要渠道之一，近些年来研究者们致力于柔性触觉传感器的开发，以模仿人类皮肤的功能为机器与周围环境的交互提供解决方案。然而，目前报道的触觉传感器多用于检测所接触的固体界面或气体界面处产生的机械力、温度、湿度等信号，而对于所接触的液体界面性质如pH、盐度等信息的感知则鲜有报道。因此，开发可精确感知所接触液体pH值和盐度的高性能传感器，对于识别所接触液体的酸碱度、盐度等信息，丰富触觉传感器的功能和应用场景具有巨大意义。
目前研究的pH或盐度传感器多基于电学原理，易受电磁干扰、难以在核辐射及化学腐蚀性条件下工作，且其灵敏度受到Nernst方程的限制，难以突破59 mV/decade的极限，这在很大程度上限制其在实际中的应用。此外电学传感器与外部器件的连接仍需导线，这使得器件的稳定性和集成度在很大程度上受到制约。基于光学原理的光纤pH/盐度传感器具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀等特性，可克服电学传感器的缺陷。但由于普通光波导的尺寸较大，所得传感器往往灵敏度和分辨率较低，响应时间较慢，且不易于制备微型化、紧凑型的高集成度传感器件。
微纳光纤作为一种新型光纤，多使用加热拉伸法得到，使用加热拉伸法制备的微纳光纤通常包括腰区、过渡区和未拉伸区。微纳光纤的腰区直径接近或小于所传输的光的波长，当光在微纳光纤中传输时，相当一部分能量以倏逝场的形式存在于光纤外部的介质。微纳光纤以其尺寸小、光场约束能力强、倏逝场比例大、机械强度好、弯曲半径小、损耗低等特点，被称为“下一代光纤”。以微纳光纤为基础制备的光学传感器具有尺寸小、灵敏度和分辨率高，响应快速等特点，为制备高性能、微型化、紧凑型的传感器件提供了可能。
目前，基于微纳光纤的pH或盐度传感器尚未见报道，制备高灵敏度的微纳光纤pH/盐度传感器可一定程度上填补该领域的技术空白。另一方面，pH/盐度传感器应用于可穿戴设备或智能机器人等领域时，还要求具有较好的柔性，以便稳定地贴附于人体或机器人表面。因此，开发一种高灵敏度的柔性微纳光纤pH/盐度传感器非常有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明基于微纳光纤的pH/盐度传感器包括柔性基底和柔性薄膜，还包括第一微纳光纤和/或第二微纳光纤，第一微纳光纤的腰区涂覆有对pH敏感的第一敏感涂层，第二微纳光纤的腰区涂覆有对盐度敏感的第二敏感涂层，所述柔性薄膜与柔性基底之间设有微流控通道，第一微纳光纤的腰区、第二微纳光纤的腰区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，且所述第一敏感涂层、第二敏感涂层置于所述微流控通道中，所述柔性基底和柔性薄膜的折射率小于各微纳光纤的纤芯的折射率。
进一步地，本发明所述第一微纳光纤的腰区横跨所述微流控通道，所述第二微纳光纤的腰区横跨所述微流控通道。
进一步地，本发明所述微流控通道的入液口、出液口均设于柔性基底上、或者均设于柔性薄膜上、或者分设于柔性基底和柔性薄膜上。
进一步地，本发明所述第一微纳光纤的过渡区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，所述第二微纳光纤的过渡区封装于柔性基底与柔性薄膜之间。
进一步地，本发明所述第一微纳光纤的未拉伸区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，所述第二微纳光纤的未拉伸区封装于柔性基底与柔性薄膜之间。
进一步地，本发明所述微流控通道设有第一支通道和第二支通道，所述第一敏感涂层置于所述第一支通道中，所述第二敏感涂层置于所述第二支通道中。
进一步地，本发明所述第一敏感涂层涂覆于所述第一微纳光纤的腰区的曲率最大处，所述第二敏感涂层涂覆于所述第二微纳光纤的腰区的曲率最大处。
进一步地，本发明所述第一微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区，第二微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明通过在微纳光纤的腰区表面修饰pH或盐度敏感性材料，利用敏感涂层与被测液体接触后，在不同pH或盐度下发生不同程度的溶胀导致微纳光纤的腰区表面介质的折射率发生变化，或利用敏感涂层在不同pH或盐度下发生光吸收性的改变，从而改变微纳光纤的倏逝场，进而改变微纳光纤的输出光强或偏振，同时，微纳光纤自身受待测液体流动影响产生的形变微小，引起的光强变化甚微，可以忽略不计，使得本发明传感器具有高灵敏度、高分辨率和高稳定性等性能特点。（2）微纳光纤呈U型有利于提高传感器的结构紧凑性，便于传感器的使用和集成；敏感涂层涂覆于U型微纳光纤腰区的曲率最大处，可进一步提高测量的灵敏度和分辨率。（3）本发明可根据性能需求不同，采用不同的敏感涂层修饰微纳光纤的腰区，分别起到pH检测和盐度检测的功能。（4）本发明传感器由光驱动，可免受电磁干扰、漏电、短路等因素的干扰，安全性和环境适应性较高。（5）本发明中微纳光纤的腰区、过渡区和两端未拉伸区包埋于柔性微流控芯片中，具有良好的稳定性和柔性，便于应用在可穿戴设备、智能机器人等的触觉感知控制系统中。
附图说明
图1是包含一条微纳光纤且入液口和出液口均位于柔性薄膜上的传感器结构示意图；
图2是图1的A-A剖面放大图；
图3是包含两条微纳光纤和一条微流控通道，且入液口和出液口均位于柔性薄膜上的传感器的结构示意图；
图4是包含两条微纳光纤和两条微流控通道，且入液口和出液口均位于柔性薄膜上的传感器的结构示意图；
图中，1-柔性基底，2-柔性薄膜，3-微纳光纤，31-微纳光纤的腰区，321-微纳光纤的过渡区，322-微纳光纤的过渡区，331-微纳光纤的未拉伸区，332-微纳光纤的未拉伸区，301-第一微纳光纤，302-第二微纳光纤，4-敏感涂层，401-第一敏感涂层，402-第二敏感涂层，5-微流控通道，501-第一支通道，502-第二支通道，503-总液体通道，6-入液口，601-第一入液口，602-第二入液口，7-出液口，8-光源，801-第一光源，802-第二光源，9-探测器，901-第一探测器，902-第二探测器，P-交叉处，P1-第一交叉处，P2-第二交叉处。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
以下以图1至图2所示的实施例为例，说明本发明基于微纳光纤的pH传感器的结构和制备方法，及其在pH检测中的应用。本实施例传感器包含一条微纳光纤，且入液口和出液口均位于柔性薄膜上。
制备表面光滑的PDMS柔性基底1，随后利用模板法制备具有微流控通道5的柔性薄膜2，微流控通道5的两端分别为直径为3-8mm的入液口6、出液口7，微流控通道5的入液口6和出液口7之间的液体通道的直径为100-500μm。利用打孔机分别在入液口6、出液口7所在处将柔性薄膜2打通，使得微流控通道5的入液口6和出液口7均设于柔性薄膜2上。入液口6和出液口7的直径设为3-8mm仅为适配后续用于提供负压的注射器。
使用加热拉伸法制备得到拉伸区域（腰区）的直径小于2μm的微纳光纤3，将其放置在PDMS柔性基底1上。微纳光纤3在柔性基底1上的形状可呈现为直线型、U型等不同形状，优选地，本实施例1中呈U型（参见图1）。将具有微流控通道5的柔性薄膜2贴附于柔性基底1上，从而使微流控通道5设于柔性薄膜2与柔性基底1之间，同时，如图1所示，将微纳光纤3的腰区31与微流控通道5交叉而使微纳光纤3的腰区31横跨微流控通道5。微纳光纤3的腰区31与微流控通道5的交叉部分为腰区31横跨微流控通道5后置于微流控通道5中的那部分，可位于微纳光纤3的腰区31的任意位置，优选地，本实施例中的交叉部分包含了U型微纳光纤3的腰区31的曲率最大处P（参见图1）。由于PDMS具有一定粘性，柔性基底1和柔性薄膜2相互可牢固贴合在一起，封装于其中的微纳光纤3不会发生移动。其中，在微纳光纤3的腰区31的曲率最大处P修饰有对pH敏感的聚合物（聚乙烯亚胺/海藻酸钠双分子层），从而在微纳光纤3的腰区31与微流控通道5的交叉部分涂覆有对pH敏感的敏感涂层4。因敏感涂层4置于微流控通道5内，使得敏感涂层4能够与微流控通道5内的被测溶液接触。在本实施例中，如图1所示，可将微纳光纤3的腰区31、过渡区321、过渡区322和两端未拉伸区331、332的局部一并封装于柔性基底1与柔性薄膜2之间。
当该pH传感器工作时，微纳光纤3两端未拉伸区331、332分别连接光源8、探测器9，待测溶液借助负压或毛细管力由入液口6进入微流控通道5，并与微纳光纤3的腰区31表面涂覆的敏感涂层4接触，敏感涂层4在不同pH下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致微纳光纤3周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响微纳光纤3传输到探测器9的光信号的特性。根据探测器9中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的pH值，随后待测液体经出液口7排出。
实施例2
本实施例详细说明基于微纳光纤的盐度传感器的结构和制备方法，及其在盐度检测中的应用。本实施例传感器包含一条微纳光纤，该传感器与实施例1的不同之处在于，入液口和出液口分别位于柔性薄膜和柔性基底上。
参看图1和图2，制备表面光滑的PDMS柔性基底1，随后利用模板法制备具有微流控通道5的柔性薄膜2，微流控通道5的两端分别为直径为3-8mm的入液口6、出液口7，微流控通道5的入液口6和出液口7之间的液体通道的直径为100-500μm。利用打孔机在入液口6所在处将柔性薄膜2打通，使得微流控通道5的入液口6设于柔性薄膜2上。随后在柔性基底1上用打孔机制出直径为3-8mm的通孔，以便后续将柔性薄膜2和柔性基底1贴附在一起时，柔性基底1上的该通孔与微流控通道5的出液口7对齐，从而将微流控通道5的出液口7设于柔性基底1上。入液口6和出液口7的直径设为3-8mm仅为适配后续用于提供负压的注射器。
使用加热拉伸法制备得到拉伸区域（即腰区）的直径小于2μm的微纳光纤3，将其放置在PDMS柔性基底1上。微纳光纤3在柔性基底1上的形状可呈现为直线型、U型等不同形状。优选地，本实施例2与实施例1相同，微纳光纤3在柔性基底1上的形状亦呈现为U型（可参见图1）。将带有微流控通道5的柔性薄膜2贴附于柔性基底1上，从而使微流控通道5设于柔性薄膜2与柔性基底1之间，同时，令柔性基底1上的通孔与微流控通道5的出液口7对齐，使微纳光纤3的腰区31与微流控通道5交叉，从而令微纳光纤3的腰区31横跨微流控通道5。微纳光纤3的腰区31与微流控通道5的交叉部分为腰区31横跨微流控通道5后置于微流控通道5中的那部分，可位于微纳光纤3腰区的任意位置，优选地，本实施例中的交叉部分包含了U型微纳光纤3的腰区的曲率最大处P。由于PDMS具有一定粘性，柔性基底1和柔性薄膜2可牢固贴合在一起，并使封装于其中的微纳光纤3不会发生移动。其中，在微纳光纤3的腰区31的曲率最大处P修饰有对盐度敏感的聚合物（聚丙烯酰胺），从而在微纳光纤3的腰区31与微流控通道5的交叉部分涂覆有对盐度敏感的敏感涂层4。因敏感涂层4置于微流控通道5内，使得该敏感涂层4能够与微流控通道5内的被测溶液接触。在本实施例中，可使微纳光纤的腰区、过渡区和两端未拉伸区的局部同时封装于柔性基底1与柔性薄膜2之间。
当该盐度传感器工作时，微纳光纤3的两端的未拉伸区分别连接光源8、探测器9，待测溶液借助负压或毛细管力由入液口6进入微流控通道5，并与微纳光纤3的腰区表面涂覆的敏感涂层4接触，敏感涂层4在不同盐度下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致微纳光纤3周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响微纳光纤3传输到探测器9的光信号的特性。根据探测器9中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的盐度，随后待测液体经出液口7排出。
实施例3
本实施例详细说明本发明基于微纳光纤的pH/盐度传感器的结构和制备方法，及其在pH/盐度同步检测中的应用。本实施例传感器包含第一微纳光纤和第二微纳光纤，微流控通道未设有支通道，且入液口和出液口均位于柔性薄膜2上（参见图3）。
制备表面光滑的PDMS柔性基底1，随后利用模板法制备具有微流控通道5的柔性薄膜2，微流控通道5的两端分别为直径为3-8mm的入液口6、出液口7，微流控通道5的入液口6和出液口7之间的液体通道的直径为100-500μm。利用打孔机分别在入液口6、出液口7所在处将柔性薄膜2打通，使得微流控通道5的入液口6和出液口7均设于柔性薄膜2上。入液口6和出液口7的直径设为3-8mm仅为适配后续用于提供负压的注射器。
使用加热拉伸法制备得到拉伸区域（即微纳光纤的腰区）的直径小于2μm的第一微纳光纤301和第二微纳光纤302。将第一微纳光纤301和第二微纳光纤302均呈U型放置在PDMS柔性基底1上（参见图3）。将柔性薄膜2贴附于柔性基底1上，从而使微流控通道5设于柔性薄膜2与柔性基底1之间，同时，使第一微纳光纤301的腰区与微流控通道5交叉，从而令第一微纳光纤301的腰区横跨微流控通道5。第一微纳光纤301的腰区与微流控通道5的交叉部分为第一微纳光纤301的腰区横跨微流控通道5后置于微流控通道5中的那部分，可位于第一微纳光纤301的腰区的任意位置，优选地，本实施例中，第一微纳光纤301的腰区与微流控通道5的交叉部分包含了第一微纳光纤301的腰区的曲率最大处P1。第二微纳光纤302的腰区同样与微流控通道5交叉，从而令第二微纳光纤302的腰区横跨微流控通道5。第二微纳光纤302的腰区与微流控通道5的交叉部分为第二微纳光纤302的腰区横跨微流控通道5后置于微流控通道5中的那部分，可位于第二微纳光纤302的腰区的任意位置，优选地，本实施例中，第二微纳光纤302的腰区与微流控通道5的交叉部分包含了第二微纳光纤302的腰区的曲率最大处P2。由于PDMS具有一定粘性，柔性基底1和柔性薄膜2可牢固贴合在一起，可使封装于其中的第一微纳光纤301和第二微纳光纤302不会发生移动。其中，在第一微纳光纤301的腰区的曲率最大处P1修饰有对pH敏感的聚合物（例如为聚乙烯亚胺/海藻酸钠双分子层），从而在第一微纳光纤301的腰区与微流控通道5的交叉部分涂覆有第一敏感涂层401；在第二微纳光纤302的腰区的曲率最大处P2修饰有对盐度敏感的聚合物（例如为聚丙烯酰胺），从而在第二微纳光纤302的腰区与微流控通道5的交叉部分涂覆有第二敏感涂层402。因第一敏感涂层401和第二敏感涂层402置于微流控通道5内，使得第一敏感涂层401和第二敏感涂层402分别能够与微流控通道5内的被测溶液接触。在本实施例中，将第一微纳光纤301的腰区、过渡区和两端未拉伸区的局部以及第二微纳光纤302的腰区、过渡区和两端未拉伸区的局部一并封装于柔性基底1与柔性薄膜2之间。在此予以说明的是，图3中未对微纳光纤的腰区、过渡区和未拉伸区作区别式标记，因此可参看图1。
如图3所示，当该pH/盐度传感器工作时，第一微纳光纤301的两端未拉伸区的分别连接第一光源801和第一探测器901，第二微纳光纤302的两端未拉伸区分别连接第二光源802和第二探测器902。待测溶液由入液口6进入微流控通道5，分别与第一微纳光纤301的腰区表面涂覆的第一敏感涂层401及第二微纳光纤302的腰区表面涂覆的第二敏感涂层402接触。第一敏感涂层401在不同pH下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致第一微纳光纤301周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响第一微纳光纤301传输到第一探测器901的光信号的特性，根据第一探测器901中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的pH值。第二敏感涂层402在不同盐度下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致第二微纳光纤302周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响第二微纳光纤302传输到第二探测器902的光信号的特性，根据第二探测器902中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的盐度值。随后待测液体经出液口7排出，完成对待测液体的pH和盐度的同步测量。
实施例4
以下以图4所示的实施例为例，说明本发明基于微纳光纤的pH/盐度传感器的结构和制备方法，及其在pH/盐度同步检测中的应用。本实施例传感器包含第一微纳光纤和第二微纳光纤，微流控通道上设有两条支通道，且入液口和出液口均位于柔性薄膜上。
制备表面光滑的PDMS柔性基底1，随后利用模板法制备具有微流控通道的柔性薄膜2。如图4所示，微流控通道呈Y字型，具有第一支通道501和第二支通道502。第一支通道501和第二支通道502分别设有第一入液口601、第二入液口602，出液口7设于微流控通道的总液体通道503上。第一入液口601、第二入液口602和出液口7的直径为3-8mm。第一支通道501和第二支通道502的直径为100-500μm，总液体通道503的直径为100-500μm。利用打孔机分别在第一入液口601、第二入液口602，出液口7所在处将柔性薄膜2打通，使得微流控通道5的第一入液口601、第二入液口602，出液口7均设于柔性薄膜2上。第一入液口601、第二入液口602，出液口7的直径设为3-8mm仅为适配后续用于提供负压的注射器。
使用加热拉伸法制备得到拉伸区域的直径小于2μm的第一微纳光纤301和第二微纳光纤302。将第一微纳光纤301和第二微纳光纤302放置在PDMS柔性基底1上，其中，第一微纳光纤301呈U型，第二微纳光纤302呈直线型。将柔性薄膜2贴附于柔性基底1上，从而使微流控通道设于柔性薄膜2与柔性基底1之间，同时，使第一微纳光纤301的腰区与第一支通道501交叉，以使第一微纳光纤301的腰区横跨微流控通道的第一支通道501。第一微纳光纤301的腰区与第一支通道501的交叉部分为第一微纳光纤301的腰区横跨第一支通道501后置于第一支通道501中的部分，可位于第一微纳光纤301的腰区的任意位置，优选地，本实施例中，第一微纳光纤301的腰区与第一支通道501的交叉部分包含了第一微纳光纤301的腰区的曲率最大处P1。第二微纳光纤302的腰区与第二支通道502交叉，以使第二微纳光纤302的腰区横跨微流控通道的第二支通道502。第二微纳光纤302的腰区与第二支通道502的交叉部分为第二微纳光纤302的腰区横跨第二支通道502后置于第二支通道502中的部分，可位于第二微纳光纤302的腰区的任意位置，优选地，本实施例中，第二微纳光纤302的腰区与第二支通道502的交叉部分包含了第二微纳光纤302的腰区的曲率最大处P2。由于PDMS具有一定粘性，柔性基底1和柔性薄膜2可牢固贴合在一起，并使封装于其中的第一微纳光纤301和第二微纳光纤302不会发生移动。其中，在第一微纳光纤301的腰区的曲率最大处P1修饰有对pH敏感的聚合物（例如为聚乙烯亚胺/海藻酸钠双分子层），从而在第一微纳光纤301的腰区与第一支通道501的交叉部分涂覆有第一敏感涂层401；在第二微纳光纤302的腰区的曲率最大处P2修饰有对盐度敏感的聚合物（例如为聚丙烯酰胺），从而在第二微纳光纤302的腰区与第二支通道502的交叉部分涂覆得到第二敏感涂层402。因第一敏感涂层401置于第一支通道501内、第二敏感涂层402置于第二支通道502内，使得第一敏感涂层401和第二敏感涂层402分别能够与微流控通道内的被测溶液接触。本实施例中，可使第一微纳光纤301的腰区、过渡区和两端未拉伸区的局部以及第二微纳光纤302的腰区、过渡区和两端未拉伸区的一部分封装于柔性基底1与柔性薄膜2之间。在此予以说明的是，图3中未对微纳光纤的腰区、过渡区和未拉伸区作区别式标记，因此可参看图1。
如图4所示，当该pH/盐度传感器工作时，第一微纳光纤301的两端未拉伸区分别连接第一光源801和第一探测器901，第二微纳光纤302的两端未拉伸区分别连接第二光源802和第二探测器902。待测溶液由第一入液口601和第二入液口602进入微流控通道，在第一支通道501中与第一微纳光纤301的腰区表面涂覆的第一敏感涂层401接触，在第二支通道502中与第二微纳光纤302的腰区表面涂覆有第二敏感涂层402接触。第一敏感涂层401在不同pH下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致第一微纳光纤301周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响第一微纳光纤301传输到第一探测器901的光信号的特性，根据第一探测器901中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的pH值。第二敏感涂层402在不同盐度下发生不同程度的溶胀，其折射率会因此发生改变，导致第二微纳光纤302周围倏逝场中的光发生不同程度的散射和吸收，继而影响第二微纳光纤302传输到第二探测器902的光信号的特性，根据第二探测器902中所检测的光信号变化，计算出待测溶液的盐度值。随后待测液体经出液口7排出，完成对待测液体的pH和盐度的同步测量。
本发明中，微流控通道既可以开设在柔性薄膜2上，也可以开设于柔性基底1上。柔性基底1和柔性薄膜2的材料可以相同，也可以不相同。
在本发明中，作为一种实施方式，在柔性基底1与柔性薄膜2之间可以仅封装有微纳光纤的腰区。技术人员也可以考虑实际需要以及制作工艺的方便等因素，将对微纳光纤的封装由腰区向两端延伸，例如，将微纳光纤的过渡区一并封装进来，或者将微纳光纤的过渡区和一部分未拉伸区一并封装进来。以上实施例将各微纳光纤的腰区、过渡区以及两端未拉伸区的局部同时封装于柔性基底1与柔性薄膜2之间，仅是本发明的优选实施方式。
由于本发明利用敏感涂层与微流控通道内的被测液体接触而改变微纳光纤的倏逝场，最终获得被测液体的pH和盐度，因此，并不局限于仅将微纳光纤的腰区中涂覆有敏感涂层的那部分置于微流控通道内，微纳光纤的腰区中的其它部分、过渡区、未拉伸区等部分亦可根据实际情况置于微流控通道内。此外，在以上实施例中，将微纳光纤横跨微流控通道仅是使敏感涂层置于微流控通道内的一种优选实施例。
以上实施例仅是为清楚描述本发明的技术方案而进行的示例性说明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器，其特征在于：包括柔性基底和柔性薄膜，还包括第一微纳光纤和/或第二微纳光纤，第一微纳光纤的腰区涂覆有对pH敏感的第一敏感涂层，第二微纳光纤的腰区涂覆有对盐度敏感的第二敏感涂层，所述柔性薄膜与柔性基底之间设有微流控通道，第一微纳光纤的腰区、第二微纳光纤的腰区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，且所述第一敏感涂层、第二敏感涂层置于所述微流控通道中，所述柔性基底和柔性薄膜的折射率小于各微纳光纤的纤芯的折射率。
2.根据权利要求1所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一微纳光纤的腰区横跨所述微流控通道，所述第二微纳光纤的腰区横跨所述微流控通道。
3.根据权利要求1或2所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述微流控通道的入液口、出液口均设于柔性基底上、或者均设于柔性薄膜上、或者分设于柔性基底和柔性薄膜上。
4.根据权利要求1或2所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一微纳光纤的过渡区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，所述第二微纳光纤的过渡区封装于柔性基底与柔性薄膜之间。
5.根据权利要求4所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一微纳光纤的未拉伸区封装于柔性基底与柔性薄膜之间，所述第二微纳光纤的未拉伸区封装于柔性基底与柔性薄膜之间。
6.根据权利要求1、2或5所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述微流控通道设有第一支通道和第二支通道，所述第一敏感涂层置于所述第一支通道中，所述第二敏感涂层置于所述第二支通道中。
7.根据权利要求1、2或5所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一敏感涂层涂覆于所述第一微纳光纤的腰区的曲率最大处，所述第二敏感涂层涂覆于所述第二微纳光纤的腰区的曲率最大处。
8.根据权利要求6所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一敏感涂层涂覆于所述第一微纳光纤的腰区的曲率最大处，所述第二敏感涂层涂覆于所述第二微纳光纤的腰区的曲率最大处。
9.根据权利要7所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区，第二微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区。
10.根据权利要8所述的pH/盐度传感器，其特征在于：所述第一微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区，第二微纳光纤呈U型且其曲率最大处位于腰区。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010849999.2A CN112014356A (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010849999.2A CN112014356A (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112014356A true CN112014356A (zh) | 2020-12-01 |
Family
ID=73504635
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010849999.2A Pending CN112014356A (zh) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112014356A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114441461A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-05-06 | 之江实验室 | 一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104155246A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 中国海洋大学 | 海水盐度的检测装置与方法 |
| CN106840226A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-06-13 | 南京大学 | 基于微光纤结构的柔性可穿戴健康传感器及其制备和测量方法 |
| CN106940299A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-07-11 | 南京航空航天大学 | 一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器 |
| CN107014411A (zh) * | 2017-04-05 | 2017-08-04 | 浙江大学 | 一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法 |
| CN108982414A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-12-11 | 广州特种承压设备检测研究院 | 一种石墨烯光纤传感器及其制备方法和应用 |
| CN109030413A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-12-18 | 东北大学 | 一种涂覆pva薄膜的u型微纳光纤耦合器及制备方法和应用 |
| CN208818643U (zh) * | 2018-05-25 | 2019-05-03 | 南京邮电大学 | 一种基于回音壁薄壁柱对称微腔盐度传感器 |
| CN110411959A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-11-05 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器 |
| CN110567917A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种光纤分布式水体盐溶液浓度传感器 |
| CN210376136U (zh) * | 2019-06-21 | 2020-04-21 | 佛山科学技术学院 | 一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 |
| CN111229345A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-05 | 浙江大学 | 一种基于微纳光纤的微流控芯片流速传感器 |
| CN111257284A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-09 | 南京信息工程大学 | 一种光纤折射率传感器及其制备方法 |
| CN211235538U (zh) * | 2019-12-20 | 2020-08-11 | 中国计量大学 | 一种基于三芯光纤的新型微纳结构pH值传感器 |
-
2020
- 2020-08-21 CN CN202010849999.2A patent/CN112014356A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104155246A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-11-19 | 中国海洋大学 | 海水盐度的检测装置与方法 |
| CN106840226A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-06-13 | 南京大学 | 基于微光纤结构的柔性可穿戴健康传感器及其制备和测量方法 |
| CN107014411A (zh) * | 2017-04-05 | 2017-08-04 | 浙江大学 | 一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法 |
| CN106940299A (zh) * | 2017-04-11 | 2017-07-11 | 南京航空航天大学 | 一种用于变压器油中溶解氢气检测的微纳光纤传感器 |
| CN109030413A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-12-18 | 东北大学 | 一种涂覆pva薄膜的u型微纳光纤耦合器及制备方法和应用 |
| CN208818643U (zh) * | 2018-05-25 | 2019-05-03 | 南京邮电大学 | 一种基于回音壁薄壁柱对称微腔盐度传感器 |
| CN108982414A (zh) * | 2018-08-01 | 2018-12-11 | 广州特种承压设备检测研究院 | 一种石墨烯光纤传感器及其制备方法和应用 |
| CN110411959A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-11-05 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 用于海水盐度和温度同时测量的低探测极限内腔传感器 |
| CN210376136U (zh) * | 2019-06-21 | 2020-04-21 | 佛山科学技术学院 | 一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 |
| CN110567917A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种光纤分布式水体盐溶液浓度传感器 |
| CN211235538U (zh) * | 2019-12-20 | 2020-08-11 | 中国计量大学 | 一种基于三芯光纤的新型微纳结构pH值传感器 |
| CN111229345A (zh) * | 2020-01-22 | 2020-06-05 | 浙江大学 | 一种基于微纳光纤的微流控芯片流速传感器 |
| CN111257284A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-09 | 南京信息工程大学 | 一种光纤折射率传感器及其制备方法 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114441461A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-05-06 | 之江实验室 | 一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器 |
| CN114441461B (zh) * | 2021-12-16 | 2024-04-02 | 之江实验室 | 一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107014411B (zh) | 一种柔性微纳光纤角度传感芯片及传感器和制备方法 | |
| CN111229345B (zh) | 一种基于微纳光纤的微流控芯片流速传感器 | |
| CN113551831B (zh) | 一种基于聚合物光纤结形传感器的压力检测装置和方法 | |
| CN112014022A (zh) | 一种基于微纳光纤的光电融合触觉传感器 | |
| CN108180866B (zh) | 光纤光栅矢量弯曲识别器 | |
| CN109116272B (zh) | 一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器以及制备方法 | |
| CN103822666A (zh) | 基于长周期光纤光栅和马赫-曾德干涉仪的多参量传感器 | |
| CN113503917A (zh) | 一种基于微纳光纤的柔性温度和压力传感器 | |
| CN112212898B (zh) | 一种基于小尺寸分布式光纤传感阵列的智能皮肤 | |
| CN102062729A (zh) | 双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构及其制作方法 | |
| CN112014356A (zh) | 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 | |
| CN101982744A (zh) | 复合触觉传感器和传感器阵列 | |
| CN113091970B (zh) | 一种自愈型智能全光柔性膜片 | |
| Wang et al. | The principle and architectures of optical stress sensors and the progress on the development of microbend optical sensors | |
| CN206618510U (zh) | 一种多芯光纤错位熔接的透射式光纤温度传感器 | |
| CN111999263B (zh) | 一种介观尺度微纳光纤湿度传感器 | |
| CN108872110B (zh) | 一种高折射率灵敏度光纤微流传感器及其制备方法 | |
| Sidek et al. | A review paper on fiber-optic sensors and application of PDMS materials for enhanced performance | |
| CN112179412B (zh) | 一种可用于集成微纳光纤传感器的装置 | |
| Xu et al. | Ionic Liquid-Optoelectronics Based Multimodal Soft Sensor | |
| CN109883586B (zh) | 一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器及其应用 | |
| US20210106995A1 (en) | Continuous microfluidic dilatometry for physical activity monitoring with ultrahigh sensitivity | |
| CN110448268B (zh) | 基于光学微光纤的健康监测传感器及制备方法和测量系统 | |
| Lai et al. | High-sensitive and millisecond-response all-nanofiber-optic humidity sensor using evanescent coupling | |
| CN201364167Y (zh) | 一种光纤光栅传感器及光纤光栅传感系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201201 |