CN210376136U - 一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 - Google Patents
一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有PEI/SA敏感膜。本实用新型装置结构简单，对待测溶液的pH值检测精确度高，对待测溶液pH变化敏感度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器。
背景技术
pH值是表征各种溶液酸碱度的一个重要化学参数。它对溶液的性质和化学反应速度及生成物有很大影响，与生物界及非生物界的关系都十分密切，因此在化学、生物医药、环境科学等许多领域都需要测量乃至控制pH值。另外，采用的pH敏感膜为现有技术中的PEI/SA敏感膜(聚乙烯亚胺/海藻酸钠)。所述PEI/SA敏感膜在不同pH值的溶液中发生溶胀及消溶胀，导致折射率变化，实现pH值的传感及测量。
微纳光纤以其损耗小、价格低廉、易于批量生产等优点，被广泛应用于探测、医疗、通信等各个领域，发挥着不可或缺的作用。近年来，由于微纳光纤具有倏逝场大，高非线性等优点，已经越来越多研究将其应用到测量物质的折射率方向。例如基于微纳光纤环形谐振腔的湿度传感器、基于微纳光纤的结型折射率传感器等，这些传感器体积较大、制备不简单、设计不灵活。
实用新型内容
本实用新型提供了一种结构简单的基于微纳光纤检测pH值的pH传感器。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：
一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有PEI/SA敏感膜。
作为上述技术方案的进一步改进，所述激光光源的波长为1550nm。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
本实用新型的有益效果是：本实用新型装置结构简单，对待测溶液的pH值检测精确度高，对环境pH变化敏感度高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明创造传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，包括：激光光源100、光功率计300、耦合器200和微纳光纤500，所述激光光源100与耦合器200的第一端口连接，所述耦合器200的第二端口与光功率计300连接，所述耦合器200的第三端口与微纳光纤500连接，所述微纳光纤500的表面涂覆有PEI/SA敏感膜400。
所述PEI/SA敏感膜400在不同pH值的溶液中发生溶胀及消溶胀，导致所述PEI/SA敏感膜400的折射率发生变化。所述PEI/SA敏感膜400为现有技术，所述PEI/SA敏感膜400为通过参考文献1和参考文献2制作出来的膜：
参考文献1：Mei-Hua Huang,Yang M C.Swelling and biocompatibility ofsodium alginate/poly(γ-glutamic acid)hydrogels[J].Polymers for AdvancedTechnologies,2010,21(8):561-567.
参考文献2：Yin M,Gu B,Zhao Q,et al.Highly sensitive and fastresponsive fiber-optic modal interferometric pH sensor based onpolyelectrolyte complex and polyelectrolyte self-assembled nanocoating[J].Analytical&Bioanalytical Chemistry,2011,399(10):3623-3631.
将所述微纳光纤500放入到待测溶液中，激光光源100的光从耦合器200的第一端口输入，光束通过耦合器200后从耦合器200的第三端口输入到微纳光纤500中，输入的激光光束在微纳光纤500内在PEI/SA敏感膜400的作用下发生菲涅尔反射，产生倏逝波，形成倏逝场。倏逝波通过微纳光纤500后从耦合器200的第三端口进入耦合器200，所述倏逝波从耦合器200的第二端口输出到光功率计300检测，所述光功率计300用于检测反射光强。
所述PEI/SA敏感膜400在不同pH值的溶液中其折射率发生变化可表示为：
其中，所述ΔpH为微纳光纤500放入待测溶液前后的pH变化值，Δn为PEI/SA敏感膜400折射率的变化值，
为折射率n对pH求偏导，
为常数。
根据Fresnel(菲涅尔)公式，反射光强Ir与入射光强Iin的关系为：
其中，nf为微纳光纤500的有效折射率，nx为PEI/SA敏感膜400的折射率。
根据公式(1-2)可得到微纳光纤500的入射光强、反射光强和所述PEI/SA敏感膜400的折射率的关系。激光光源100发射的入射光强以及耦合器200的分光比可知，根据激光光源100发射的入射光强以及耦合器200的分光比可得到微纳光纤500的入射光强，同时微纳光纤500的有效折射率可知的，所述微纳光纤500出射的倏逝波为微纳光纤500的反射光，所述光功率计300采集微纳光纤500倏逝波的光强，得到所述微纳光纤500的反射光强。因此根据公式(1-2)可以得到PEI/SA敏感膜400的折射率。
本实施例工作过程：
将微纳光纤500放入待测溶液之前，先将微纳光纤500放入参考溶液，已知参考溶液的pH值为pH1，通过本实用新型装置检测PEI/SA敏感膜400在参考液体的折射率n1，激光光源100发出的光束在微纳光纤500中发生菲涅尔反射，产生倏逝波，激光光源100发射的入射光强以及耦合器200的分光比可知，检测放置在参考液体内的微纳光纤500的出射光强，将计算得到的微纳光纤500的入射光强和出射光强以及微纳光纤500的有效折射率代入公式(1-2)，得到PEI/SA敏感膜400在参考液体内的折射率n1。
将微纳光纤500放入待测溶液，待测溶液的pH值未知，保持激光光源100的入射光强和耦合器200的分光比不变，PEI/SA敏感膜400在待测溶液中折射率发生了变化，通过本实用新型装置检测PEI/SA敏感膜400在待测液体内的折射率n2。
激光光源100发出的光束在微纳光纤500内在PEI/SA敏感膜400的作用下发生菲涅尔反射，产生倏逝波，激光光源100发射的入射光以及耦合器200的分光比已知，光功率计300检测放置在待测液体内的微纳光纤500的出射光强，将计算得到的微纳光纤500的入射光强和出射光强以及微纳光纤500的有效折射率代入公式(1-2)，得到PEI/SA敏感膜400在待测液体的折射率n2。
通过求PEI/SA敏感膜400的折射率n1和n2的差值得到所述PEI/SA敏感膜400的折射率的变化值Δn。将得到的Δn代入公式(1-1)中，得到所述微纳光纤500放入待测溶液前后的pH变化值ΔpH，ΔpH为参考溶液的pH值和待测溶液的pH值的差值，根据参考溶液的pH值pH1即可得到待测溶液的pH值。
本实用新型结构简单，对待测溶液的pH值检测精确度高，利用微纳光纤500具有倏逝场大的特点，通过激光在微纳光纤500的右端面发生菲涅尔反射，通过光功率计300计算得到PEI/SA敏感膜400吸收后的折射率变化，通过PEI/SA敏感膜400的折射率变化得到液体pH值的变化。
作为优选的实施方式，所述激光光源100的波长为1550nm。
作为优选的实施方式，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤500抵接。
所述基台600呈槽状，所述微纳光纤500落入在基台600的凹槽中，其中，基台600的槽壁与微纳光纤500抵接。所述基台600的槽壁包围着所述微纳光纤500，所述基台600起到了承接和保护所述微纳光纤500的作用。
作为优选的实施方式，所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
所述微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm，产生的倏逝波更强，效果更加明显。
意外发现，通过减小微纳光纤500的直径可提高本实用新型pH传感器的灵敏度。因为微纳光纤500直径越小它的倏逝场越强，效果越明显。微纳光纤500直径越小，光的倏逝场效应越大，PEI/SA敏感膜400在不同的pH值中的折射率变化引起的光强差值越大，所以越灵敏。因此本实施例的微纳光纤500的直径为1.0-5.0μm。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，其特征在于，包括：激光光源、光功率计、耦合器和微纳光纤，所述激光光源与耦合器的第一端口连接，所述耦合器的第二端口与光功率计连接，所述耦合器的第三端口与微纳光纤连接，所述微纳光纤的表面涂覆有PEI/SA敏感膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，其特征在于，所述激光光源的波长为1550nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，其特征在于，还包括基台，所述基台呈槽状，所述微纳光纤落入在基台的凹槽中，其中，基台的槽壁与微纳光纤抵接。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器，其特征在于，所述微纳光纤的直径为1.0-5.0μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201920951520.9U CN210376136U (zh) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201920951520.9U CN210376136U (zh) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 一种基于微纳光纤和端面反射的pH传感器 |
Publications (1)
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Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112014356A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-01 | 之江实验室 | 一种基于微纳光纤的pH/盐度传感器 |
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2019
- 2019-06-21 CN CN201920951520.9U patent/CN210376136U/zh active Active
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