基于薄芯光纤模式干涉的氨传感器制备与传感特性研究

摘要

由于体积小，可抗电磁干扰，高灵敏性与稳定性等优势，光纤传感器得到广泛关注，应用于临床诊断、环境保护和食品安全等各个领域。本文设计并研制了一种基于薄芯光纤模式干涉的氨传感器。将一段薄芯光纤嵌入标准单模光纤中，并在薄芯光纤表面利用层层（LbL）自组装技术进行敏感薄膜的涂覆。传感过程基于敏感薄膜对氨的选择性吸附，从而导致敏感薄膜折射率和输出干涉光谱发生改变，通过对中心波长移动量的分析来对氨实现传感检测。本文主要研究工作如下：
　　①利用BeamPROP软件，对薄芯光纤传感器进行模型的构建。通过仿真获得了不同长度的传感器透射谱。考虑成本以及便于操作等问题，后期的模拟以及实验全部采取2cm薄芯光纤进行传感器的构建。模拟该传感器的折射率灵敏性，再与实验进行对比验证。结果皆显示随着外界折射率的逐渐增大，透射谱的中心波长逐渐发生红移，呈线性递增。对薄芯光纤模式干涉仪型传感器进行温度灵敏性的测试，温度灵敏性只有17.47pm/℃。结果说明该传感器抗温度干扰能力强，是理想的折射率传感器。
　　②采用层层静电自组装技术在基底上制备了(PAH/PAA)和[(PVPMC+PAH)/PAA]无孔薄膜。扫描电镜结果显示 PAH/PAA双分子层厚度为40nm，(PVPMC+ PAH)/PAA双分子层厚度为46nm。在氯化钠溶液中对[(PVPMC+PAH)/PAA]薄膜进行处理，将 PVPMC从三组分体系中去除，可形成大小为20-40nm的纳米孔洞。（PAH：聚丙烯胺盐酸；PAA：聚丙烯酸；PVPMC：羧酸类聚甜菜碱）
　　③将(PAH/PAA)薄膜组装至薄芯光纤的外表面，在不同浓度的氨溶液中进行传感实验。随着浓度的逐渐增加，透射谱中心波长向短波长方向线性移动，移动量为6.87nm，传感器的灵敏性为0.027nm/ppm。传感器在选择性实验中表现出对氨良好的选择性，并且恢复性良好，动力学响应时间约为160s，恢复时间约为200s。利用折射率仪对不同氨浓度下(PAH/PAA)薄膜的折射率变化进行监测，结果显示随氨浓度增加，折射率总共减小0.006625，理论折射率灵敏性为850nm/R.I.U.。将(PAH/PAA)多孔薄膜组装至薄芯光纤的外表面，响应时间由160s缩短至70s，恢复时间也由200s缩短至80s。
　　④敏感薄膜(PAH/PAA)+[PAH/(PAA+SWCNTsCOOH)]组装至薄芯光纤表面制作氨气传感器，在不同浓度的氨气中进行传感实验。随着氨气浓度逐渐增加，透射谱的中心波长向短波长方向移动，在氨浓度1-20ppm之间，呈线性移动。氨气浓度范围1-20ppm时，传感器的灵敏性为0.031nm/ppm。传感器在选择性实验中表现出对氨良好的选择性，并且恢复性良好，动力学响应时间约为30s，恢复时间约为75s。（SWCNTs-COOH：羧酸修饰的单臂碳纳米管）。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 氨气对大气环境的影响及检测手段

1.3 水溶氨对水体环境的影响及检测手段

1.4 氨对人体的影响及医学检测

1.5层层静电自组装技术

1.6论文的研究目的与研究内容

2 薄芯光纤传感器的模拟仿真与实验验证

2.1 引言

2.2透射式薄芯光纤传感器结构及原理

2.3薄芯光纤传感器的模拟仿真与实验验证

2.4本章小结

3 静电自组装薄膜的制备与表征

3.1引言

3.2 PAH/PAA多层薄膜的制备与表征

3.3 PAH/PAA多孔结构的自组装薄膜的制备及表征

3.4 本章小结

4 自组装膜修饰的薄芯光纤传感器在水环境中对氨的检测

4.1 引言

4.2基于PAA/PAH自组装膜的氨传感器性能

4.3传感器响应时间优化

4.4本章小结

5 自组装膜修饰的薄芯光纤传感器对氨气的检测

5.1引言

5.2羧基修饰碳纳米管的分散

5.3基于碳纳米管自组装膜的氨气传感器制备

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1论文主要结论

6.2论文创新点

6.3展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B作者在攻读学位期间参与的科研项目