CN214539243U - 一种复合型微腔和重金属离子检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合型微腔，包括具有两开口端的回音壁模式微腔，所述回音壁模式微腔的内壁上附着有一折射率可变层，所述折射率可变层在与重金属离子相结合后可发生折射率变化。该复合型微腔可高效、简便地检测及去除液体中的微量重金属离子。本实用新型还提供公开了基于上述复合型微腔的重金属离子检测系统。

Description

一种复合型微腔和重金属离子检测系统

技术领域

本实用新型涉及微腔传感领域，尤其涉及一种复合型微腔和重金属离子检测系统。

背景技术

纺织、造纸等行业排出的废水中含有大量有毒、难降解且致癌的重金属离子，重金属在人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互结合，使它们失去活性， 也可能在人体的某些器官中累积，造成慢性中毒。

目前，重金属离子检测技术仍存在着检测限不够低、精度不够高、非可视化、难以定量化等不足，如何高效、简便地检测及去除液体中的微量重金属离子成为亟待解决的现实问题。

实用新型内容

为了解决上述现有技术的不足，本实用新型提供一种复合型微腔，可高效、简便地检测及去除液体中的微量重金属离子。

本实用新型还提供基于上述复合型微腔的重金属离子检测系统。

本实用新型所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种复合型微腔，包括具有两开口端的回音壁模式微腔，所述回音壁模式微腔的内壁上附着有一折射率可变层，所述折射率可变层在与重金属离子相结合后可发生折射率变化。

进一步地，所述折射率可变层可与重金属离子发生物理结合、化学结合或生物结合。

进一步地，所述折射率可变层为二维MXene材料层。

进一步地，所述二维MXene材料层为二维碳化钛纳米层。

进一步地，所述回音壁模式微腔为微毛细管腔、微泡腔或微瓶腔。

进一步地，所述回音壁模式微腔为微泡腔，其两开口端之间具有一球形微泡内腔，所述球形微泡内腔的两端分别通过毛细管通道与对应的开口端连通。

进一步地，所述折射率可变层附着于所述球形微泡内腔的内壁上。

一种重金属离子检测系统，包括

上述的复合型微腔，用于通入待检流体；

可调谐激光器，用于向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内发射调制激光；

光谱仪，用于采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内出射的调制激光，并将采集到的调制激光转换为所述复合型微腔的回音壁模式共振谱；

控制计算装置，用于控制所述可调谐激光器向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内发射调制激光，以及控制所述光谱仪采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内出射的调制激光，然后依据所述光谱仪转换来的所述复合型微腔的回音壁模式共振谱分析计算出待检流体中的重金属离子浓度。

进一步地，还包括

耦合装置，用于将所述可调谐激光器和光谱仪分别与所述复合型微腔连接，以将所述可调谐激光器发射的调制激光耦合进所述回音壁模式微腔内，以及供所述复合型微腔内的调制激光出射至所述光谱仪。

进一步地，所述耦合装置包括一微纳光纤，所述微纳光纤的两端分别与所述可调谐激光器和光谱仪连接，其光纤锥区与所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位接近，以使调制激光以倏逝场的形式从所述微纳光纤输出耦合进所述复合型微腔内，并发生全反射现象以产生回音壁模式，最后再从所述复合型微腔耦合输出到所述微纳光纤内。

本实用新型具有如下有益效果：该复合型微腔利用回音壁模式微腔对重金属离子进行检测，所述回音壁模式微腔具有很高的品质因子和较小的模式体积，能极大地增强腔内光场与物质的相互结合，是超高灵敏光学传感的优异平台，当所述折射率可变层与腔内待检流体中的重金属离子相结合而发生折射率变化时，所述复合型微腔的回音壁模式共振谱会发生漂移，通过检测共振谱漂移量即可反推出所述折射率可变层的折射率变化量，进而反推出腔内待检流体中的重金属离子浓度，在离子检测方面，具有检测限低、精度高、所需样品少、可视化监测等优势，能对生物体内的重金属离子进行选择性的检测，在生物化学应用、医疗医药、环境监测等方面将会有更广泛的应用前景,同时所述折射率可变层与待检流体中的重金属离子相结合后可降低重金属离子浓度。

附图说明

图1为本实用新型提供的复合型微腔的示意图；

图2为本实用新型提供的重金属离子检测系统的示意图；

图3为本实用新型提供的复合型微腔的使用步骤图；

图4为本实用新型提供的复合型微腔的制备步骤图；

图5为本实用新型提供的微泡腔的制备步骤图；

图6为本实用新型提供的二维碳化钛混合液的制备步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明。

如图1所示，一种复合型微腔，包括具有两开口端的回音壁模式微腔1，所述回音壁模式微腔1的内壁上附着有一折射率可变层2，所述折射率可变层2在与重金属离子相结合后可发生折射率变化。

该复合型微腔利用回音壁模式微腔1对重金属离子进行检测，所述回音壁模式微腔1具有很高的品质因子和较小的模式体积，能极大地增强腔内光场与物质的相互结合，是超高灵敏光学传感的优异平台，当所述折射率可变层2与腔内待检流体中的重金属离子相结合而发生折射率变化时，所述复合型微腔的回音壁模式共振谱会发生漂移，通过检测共振谱漂移量即可反推出所述折射率可变层2的折射率变化量，进而反推出腔内待检流体中的重金属离子浓度，在离子检测方面，具有检测限低、精度高、所需样品少、可视化监测等优势，能对生物体内的重金属离子进行选择性的检测，在生物化学应用、医疗医药、环境监测等方面将会有更广泛的应用前景,同时所述折射率可变层2与待检流体中的重金属离子相结合后可降低重金属离子浓度。

所述折射率可变层2可与重金属离子发生物理结合（如吸附等）、化学结合（如化合、络合等）或生物结合（如抗原抗体特异性结合等）。

本实施例中，所述折射率可变层2采用物理吸附的方式与重金属离子相结合，进而发生折射率变化，具体的，所述折射率可变层2可以但不限于为二维MXene（过渡金属碳化物）材料层，最优地，所述二维MXene材料层为二维碳化钛纳米层。

二维MXene材料的比表面积较大，表面官能团种类多，因而具有较高的反应活性，可以用于催化、吸附重金属离子或者加速降解染料分子以及传感器领域，而二维碳化钛对二价 Pb 离子具有非常好的吸附性，能有效地从水中还原除去剧毒铬(VI)。

所述回音壁模式微腔1可以但不限于为微毛细管腔、微泡腔或微瓶腔。

本实施例中，所述回音壁模式微腔1采用微泡腔，其两开口端之间具有一球形微泡内腔11，所述折射率可变层2附着于所述球形微泡内腔11的内壁上；所述球形微泡内腔11的两端分别通过毛细管通道12与对应的开口端连通。

所述微泡腔由于具有可调谐性能和毛细管通道12等优点，可很好地适用于液体环境下的物理参量测量与光微流。

如图3所示，上述复合型微腔的使用方法包括如下步骤：

步骤100：向所述复合型微腔内通入待检流体。

在该步骤100中，待检流体从所述复合型微腔的一开口端流入，而从所述复合型微腔的另一开口端流出，形成流动液体；待检流体中的重金属离子与所述折射率可变层2相结合而使所述折射率可变层2的折射率发生变化。

步骤200：将调制激光以倏逝场的形式耦合进所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内，以发生全反射现象并产生回音壁模式。

在该步骤200中，将波长满足所述复合型微腔的回音壁模式共振条件的调制激光从所述复合型微腔的外壁耦合进所述复合型微腔内，由于全反射效应，调制激光在所述回音壁模式微腔1中形成回音壁模式共振，大部分光能量分布于靠近微腔内壁表面区域附近，并且具有较小的模式体积，因此调制激光与待检流体中的重金属离子的互作用很强，可以实现高灵敏度传感。

当所述复合型微腔内通入的待检流体中的重金属离子浓度不同时，调制激光在所述回音壁模式微腔1内的回音壁模式共振谱会由于所述折射率可变层2的折射率不同而产生不同程度的漂移。

步骤300：采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内出射的调制激光，并将采集到的调制激光转换为所述复合型微腔的回音壁模式共振谱。

在该步骤300中，通过对从所述复合型微腔内出射的调制激光进行采集，依据采集到的调制激光的光强分布情况得到所述复合型微腔的回音壁模式共振谱。

步骤400：依据得到的回音壁模式共振谱分析计算待检流体中的重金属离子浓度。

在该步骤400中，可通过将得到回音壁模式共振谱与往所述复合型微腔内未通入待检液体时的回音壁模式共振谱进行比较，得到往所述复合型微腔内通入待检流体时产生的共振谱漂移量，再依据得到的共振谱漂移量计算出待检流体中的重金属浓度。

基于上述复合型微腔的使用方法，如图2所示，本专利还提供一种重金属离子检测系统，包括

上述复合型微腔，用于通入待检流体；

可调谐激光器，用于向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内发射调制激光；

光谱仪，用于采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内出射的调制激光，并将采集到的调制激光转换为所述复合型微腔的回音壁模式共振谱；

控制计算装置，用于控制所述可调谐激光器向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内发射调制激光，以及控制所述光谱仪采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位内出射的调制激光，然后依据所述光谱仪转换来的所述复合型微腔的回音壁模式共振谱分析计算出待检流体中的重金属离子浓度。

所述可调谐激光器和光谱仪分别与所述复合型微腔连接，所述控制计算单元分别与所述可调谐激光器和光谱仪通讯连接。

该重金属离子检测系统还包括

耦合装置，用于将所述可调谐激光器和光谱仪分别与所述复合型微腔连接，以将所述可调谐激光器发射的调制激光耦合进所述回音壁模式微腔1内，以及供所述复合型微腔内的调制激光出射至所述光谱仪。

所述耦合装置包括一微纳光纤3，所述微纳光纤3的两端分别与所述可调谐激光器和光谱仪连接，其光纤锥区与所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层2的部位接近，以使调制激光以倏逝场的形式从所述微纳光纤输出耦合进所述复合型微腔内，并发生全反射现象以产生回音壁模式，最后再从所述复合型微腔耦合输出到所述微纳光纤内。

如图4所示，上述复合型微腔的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：分别制备具有开口端和封闭端的回音壁模式微腔1以及混合有折射率可变材料的混合液，所述折射率可变材料在与重金属离子相结合后可发生折射率变化。

在该步骤1中，所述回音壁模式微腔1可以但不限于为微毛细管腔、微泡腔或微瓶腔。

在本实施例中，所述回音壁模式微腔1为微泡腔，如图5所示，制备具有开口端和封闭端的回音壁模式微腔1包括如下步骤：

步骤1.11，取适当厚度的毛细管，将所述毛细管的一开口端封闭形成所述封闭端，另一开口端接入气泵。

在该步骤1.11中，可将所述毛细管的一开口端熔融后直接封闭，也可用点上密封胶、塞入密封塞或套上密封膜等方式间接封闭。

步骤1.12：将所述毛细管软化。

在该步骤1.12中，可采用二氧化碳激光对所述毛细管进行加热，以使所述毛细管熔融软化，具体的，先将所述毛细管固定在高精度三维移动平台上，然后校正二氧化碳激光的聚焦位置，使二氧化碳激光对称地照射在所述毛细管的同一水平线的左右两端上，再调节二氧化碳激光的输出光功率，使所述毛细管被二氧化碳激光聚焦照射处熔融软化。

步骤1.13：启动所述气泵开始往所述毛细管内通入气体，使所述毛细管在开口端和封闭端之间隆起形成一球形微泡内腔11。

在该步骤1.13中，通入的气体在所述毛细管内受热膨胀，加之不断通入的气体使所述毛细管的内部气压上升，气压应力集中于所述毛细管的中间而使所述毛细管的中间隆起形成所述球形微泡内腔11。

步骤1.14：关闭所述气泵停止往所述毛细管内通入气体，对所述毛细管进行冷却使之重新硬化，得到所需的回音壁模式微腔1。

在该步骤1.14中，经冷却得到的回音壁模式微腔1中的球形微泡内腔11的两端分别通过毛细管通道12与所述封闭端和开口端连通。

在该步骤1中，所述折射率可变材料可与重金属离子发生物理结合（如吸附等）、化学结合（如化合、络合等）或生物结合（如抗原抗体特异性结合等）。

本实施例中，所述折射率可变材料采用物理吸附的方式与重金属离子相结合，进而发生折射率变化，具体的，所述折射率可变材料可以但不限于为二维MXene材料，最优地，所述二维MXene材料为二维碳化钛纳米材料。

二维MXene材料的比表面积较大，表面官能团种类多，因而具有较高的反应活性，可以用于催化、吸附重金属离子或者加速降解染料分子以及传感器领域，而二维碳化钛对二价 Pb 离子具有非常好的吸附性，能有效地从水中还原除去剧毒铬(VI)。

在本实施例中，所述折射率可变材料为二维碳化钛纳米材料，如图6所示，制备混合有折射率可变材料的混合液包括如下步骤：

步骤1.21：将钛碳化铝浸泡在氢氟酸中进行刻蚀，然后进行洗涤以去除残余的氢氟酸。

在该步骤1.21，钛碳化铝在氢氟酸中刻蚀45 min左右，然后可采用超纯水对其进行离心洗涤三次左右，使其pH 值不小于6。

步骤1.22：将步骤1.21中得到的产物进行干燥，得到刻蚀的多层碳化钛纳米片。

在该步骤1.22中，多层碳化钛纳米片的干燥在室温下进行即可。

步骤1.23：将得到的多层碳化钛纳米片加入到DMSO（二甲基亚砜）中进行搅拌，然后进行洗涤以去除残余的 DMSO。

步骤1.24：将步骤1.23中得到的产物经超声波处理后进行离心。

在该步骤1.24中，超声波处理的时间为2 小时左右，离心转速为3500 rpm左右，离心时间为1小时左右。

步骤1.25：取离心后的上清液，得到所需的混合液。

在该步骤1.25中，经离心得到的混合液中混合有大量单层或少层碳化钛纳米片，即二维碳化钛。

所述混合液依据所述折射率可变材料的粒径大小可以为溶液、胶体或悬浊液，本实施例中的二维碳化钛混合液为悬浊液。

步骤2：将所述混合液通入到所述回音壁模式微腔1内。

步骤3：将所述回音壁模式微腔1内的混合液中的液体去除，而留下所述折射率可变材料附着于所述回音壁模式微腔1的内壁上形成一折射率可变层2。

在该步骤3中，直接在室温环境下对所述回音壁模式微腔1内的混合液进行风干即可。

步骤4：将所述回音壁模式微腔1的封闭端去除形成另一开口端，得到所需的复合型微腔。

在该步骤4中，若所述封闭端是通过熔融方式进行直接封闭的话，则可采用切割方式将所述封闭端去除，若所述封闭端是通过密封塞或密封膜方式进行间接封闭的话，则直接将密封塞或密封膜去除即可。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重金属离子检测系统，其特征在于，包括

复合型微腔，用于通入待检流体，包括具有两开口端的回音壁模式微腔，所述回音壁模式微腔的内壁上附着有一折射率可变层，所述折射率可变层在与重金属离子相结合后可发生折射率变化；

可调谐激光器，用于向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内发射调制激光；

光谱仪，用于采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内出射的调制激光，并将采集到的调制激光转换为所述复合型微腔的回音壁模式共振谱；

控制计算装置，用于控制所述可调谐激光器向所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内发射调制激光，以及控制所述光谱仪采集从所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位内出射的调制激光，然后依据所述光谱仪转换来的所述复合型微腔的回音壁模式共振谱分析计算出待检流体中的重金属离子浓度。

2.根据权利要求1所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述折射率可变层可与重金属离子发生物理结合、化学结合或生物结合。

3.根据权利要求1所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述折射率可变层为二维MXene材料层。

4.根据权利要求3所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述二维MXene材料层为二维碳化钛纳米层。

5.根据权利要求1所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述回音壁模式微腔为微毛细管腔、微泡腔或微瓶腔。

6.根据权利要求1所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述回音壁模式微腔为微泡腔，其两开口端之间具有一球形微泡内腔，所述球形微泡内腔的两端分别通过毛细管通道与对应的开口端连通。

7.根据权利要求6所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述折射率可变层附着于所述球形微泡内腔的内壁上。

8.根据权利要求1所述的重金属离子检测系统，其特征在于，还包括

耦合装置，用于将所述可调谐激光器和光谱仪分别与所述复合型微腔连接，以将所述可调谐激光器发射的调制激光耦合进所述回音壁模式微腔内，以及供所述复合型微腔内的调制激光出射至所述光谱仪。

9.根据权利要求8所述的重金属离子检测系统，其特征在于，所述耦合装置包括一微纳光纤，所述微纳光纤的两端分别与所述可调谐激光器和光谱仪连接，其光纤锥区与所述复合型微腔中内壁附着有所述折射率可变层的部位接近，以使调制激光以倏逝场的形式从所述微纳光纤输出耦合进所述复合型微腔内，并发生全反射现象以产生回音壁模式，最后再从所述复合型微腔耦合输出到所述微纳光纤内。

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