一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置和方法

摘要

本发明公开了一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置，包括液体混合池，测试池，光纤激光器和光谱分析仪；液体混合池设置有待测液进样口和高折射率液体进样口；测试池可与液体混合池连通；并且测试池内设置有温度控制装置和长周期光栅；光纤激光器发出的光信号通过光纤传入长周期光栅，并经长周期光栅传输至光谱分析仪。并且公开了使用该装置进行检测的方法。本发明无需在长周期光栅表面修饰薄膜，可直接实现对低浓度物质的高灵敏度检测，大大简化了检测过程和操作工艺，节约了检测成本，并且避免了使用薄膜修饰所带来的待测液残留难以冲洗的麻烦；适于在低浓度物质的检测中推广应用。

说明书

技术领域

本发明涉及分析传感技术领域，更具体的说是涉及一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置和方法。

背景技术

溶液中物质的浓度是液体中重要的生化物质参数。通过提高检测待测液中物质浓度的灵敏度，可以更准确地掌握液体中物质的含量，从而对工农业生产做出更好的指导。因此，提高对待测液中物质浓度的检测灵敏度在工业生产、环境监测、食品检测、临床检验、药物筛选及冶金科研等领域有着重要的意义。

长周期光纤光栅是一种对环境折射率比较敏感的无源光学器件，已被直接用于溶液中甘油、氯化钠、氯化钙、乙二醇、甘醇、糖等物质浓度的测量。一般裸长周期光栅的灵敏度较为有限，因此，一些研究者采用纳米材料对长周期光栅进行修饰以提高其对环境介质的灵敏度，如文献“Optimization ofsensitivity in Long Period Fiber Gratings withoverlay deposition”通过在光栅表面修饰PDDA+/PolyS-119-薄膜提高了长周期光栅对环境介质的灵敏度，文献“Enhanced sucrose sensing sensitivity of long period fibergrating by self-assembled polyelectrolyte multilayers”通过在长周期光栅表面修饰PAH/PSS薄膜提高了长周期光栅对蔗糖溶液的灵敏度，文献“Improved detectingsensitivity oflong period fiber gratings bypolyelectrolyte multilayers:Theeffect offilm structures”通过在光栅表面修饰薄膜修饰PDDA/PSS薄膜提高了长周期光栅对甲醇和乙醇的灵敏度，文献“High-sensitivity optical chemosensorbased oncoated long-period gratings for sub-ppm chemical detection inwater”通过在光栅表面修饰薄膜修饰聚苯乙烯薄膜提高了长周期光栅对氯仿浓度的灵敏度。

虽然上述表面涂覆纳米薄膜的方法能提高长周期光栅的灵敏度，但这些方法存在着一些不利因素：(1)涂覆的纳米薄膜容易受环境温度、溶液温度、溶液酸碱度、溶剂类别、溶剂溶度、溶剂浓度等因素的影响；(2)纳米薄膜涂覆制备操作过程繁琐；(3)薄膜对待测物会产生一定的吸附作用，致使待测物质在薄膜表面残留，造成后续清洗处理较为困难，进而影响长周期光栅对后续物质的检测，影响长周期光栅对物质检测的重复性和稳定性。因此有必要寻找新的提高长周期光栅检测物质灵敏度的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置和方法，无需在长周期光栅表面修饰薄膜，即可直接实现对低浓度物质的高灵敏度检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置，包括液体混合池，测试池，光纤激光器和光谱分析仪；

液体混合池设置有待测液进样口和高折射率液体进样口；

测试池可与液体混合池连通；并且测试池内设置有温度控制装置和长周期光栅；

光纤激光器发出的光信号通过光纤传入长周期光栅，并经长周期光栅传输至光谱分析仪。

液体混合池用于将待测液和高折射率液体混合均匀；测试池可与液体混合池通过泵、阀门等可关闭部件连通，进而在液体混合均匀后直接将混合液体转入测试池。测试池内设置有长周期光栅，连接于光纤激光器和光谱分析仪之间，光纤激光器用于提供光源信号，长周期光栅用于感应混合液体物性变化，光谱分析仪用于接收并显示光谱信号，根据光谱数据进行分析即实现对待测液中物质浓度的检测。测试池内设置有温度控制装置，可用于保持混合液体恒温，进而使检测状态更为稳定。

优选地，液体混合池内安装有搅拌装置，进一步保证待测液和高折射率液体混合均匀。

优选地，搅拌装置为磁力搅拌器。

优选地，还包括第一蠕动泵，第二蠕动泵和第三蠕动泵；

第一蠕动泵将待测液由待测液进样口泵入液体混合池；

第二蠕动泵将高折射率液体由高折射率液体进样口泵入液体混合池；

第三蠕动泵将液体混合池中的混合液体泵入测试池或将测试完的混合液体从测试池中泵出。

蠕动泵的设置使得检测过程自动化，并且使得待测液和高折射率液体的混合更为充分、准确。

优选地，温度控制装置包括带有温度传感器的恒温控制装置，在检测测试池中混合液体温度的同时根据预设温度进行温度调整。

一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的方法，通过加入折射率等于或大于1.41的高折射率液体来提高长周期光栅对待测液的响应灵敏度。

优选地，待测液与高折射率液体组成的混合溶液的折射率不小于1.400且不大于1.461。

优选地，待测液与高折射率液体之间的混合为物性混合，不发生化学反应。

优选地，使用上述任意一项装置进行检测，包括如下步骤：

(1)将长周期光栅拉直固定于测试池中，并对长周期光栅进行洁净处理；

(2)将待测液和高折射率液体分别经待测液进样口和高折射率液体进样口通入液体混合池充分混合；

(3)将步骤(2)获得的混合液体转移至测试池内，通过温度控制装置使混合液体保持恒温；

(4)将光纤激光器发出的光信号通过光纤传送入长周期光栅，使用光谱分析仪接收并实时显示长周期光栅对待测液响应的光谱信号，根据光谱信号对待测液进行分析。

优选地，上述方法还包括：

(5)测试完后将混合液体从测试池中去除；

(6)用去离子水充分冲洗液体混合池，测试池和长周期光栅，冲洗后用氮气吹干；

(7)再按照(2)、(3)和(4)步骤操作，测试下一样品。

由上述技术方案可知，本发明无需在长周期光栅表面修饰薄膜，即可直接实现对低浓度物质的高灵敏度检测，大大简化了检测过程和操作工艺，节约了检测成本，并且避免了使用薄膜修饰所带来的待测液残留难以冲洗的麻烦；适于在低浓度物质的检测中推广应用。

附图说明

图1所示为本发明非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置结构示意图；

图中：1、第一蠕动泵，2、第二蠕动泵，3、待测液进样口，4、高折射率液体进样口，5、液体混合池，6、磁力搅拌器，7、第三蠕动泵，8、光纤激光器，9、测试池，10、温度控制装置，11、长周期光栅，12、光谱分析仪。

图2所示为没加入高折射率液体之前，长周期光栅对氯化钠溶液的响应光谱；

图3所示为加入1.42044的高折射率液体之后，长周期光栅对氯化钠溶液的响应光谱；

图4所示为加入1.42789的高折射率液体之后，长周期光栅对氯化钠溶液的响应光谱；

图5所示为加入1.43534的高折射率液体之后，长周期光栅对氯化钠溶液的响应光谱。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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1

如图1所示，一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的装置，包括第一蠕动泵1，第二蠕动泵2，液体混合池5，第三蠕动泵7，测试池9，光纤激光器8和光谱分析仪12。

液体混合池5为10cm长，设置有待测液进样口3和高折射率液体进样口4；

第一蠕动泵1将待测液由待测液进样口3泵入液体混合池5；

第二蠕动泵2将高折射率液体由高折射率液体进样口4泵入液体混合池5；

第三蠕动泵7将液体混合池5中的混合液体泵入测试池9或将测试完的混合液体从测试池9中泵出。

液体混合池5内安装有磁力搅拌器6。

测试池9内设置有温度控制装置10和长周期光栅11。

温度控制装置10用于检测测试池9中混合液体温度，根据预设温度对混合液体温度进行调整。

长周期光栅11连接于光纤激光器8和光谱分析仪12之间，光纤激光器8发出的光信号通过光纤传入长周期光栅11，并经长周期光栅11传输至光谱分析仪12。

一种非涂膜式提高长周期光栅检测灵敏度的方法，通过加入折射率等于或大于1.41的高折射率液体来提高长周期光栅对待测液的响应灵敏度。

优选地，待测液与高折射率液体组成的混合溶液的折射率不小于1.400且不大于1.461。待测液与高折射率液体之间的混合为物性混合，不发生化学反应。

使用上述装置进行检测，包括如下步骤：

(1)将长周期光栅11拉直固定于测试池9中，并对长周期光栅11进行洁净处理；

(2)分别使用第一蠕动泵1、第二蠕动泵2将待测液和高折射率液体经待测液进样口和高折射率液体进样口通入液体混合池5；在磁力搅拌器6的作用下，待测液和高折射率液体充分混合；

(3)使用第三蠕动泵7将步骤(2)获得的混合液体转入测试池9内，并在测试过程中通过温度控制装置使混合液体保持恒温；

(4)将光纤激光器8发出的光信号通过光纤传送入长周期光栅11，使用光谱分析仪12接收并实时显示长周期光栅11对待测液响应的光谱信号，根据光谱信号对待测液进行分析；

(5)测试完后使用第三蠕动泵7将混合液体从测试池9中移除；

(6)通过第一蠕动泵1、第二蠕动泵2、第三蠕动泵7的驱动用去离子水充分冲洗液体混合池5，测试池9以及安装于测试池9中的长周期光栅11，冲洗后用氮气吹干；

(7)再按照(2)、(3)和(4)步骤操作，测试下一样品。

实施例2

使用实施例1中的装置对氯化钠溶液进行检测：

(1)依次用丙酮、乙醇、水对液体混合池、长周期光栅和测试池冲洗，进行清洁处理；

(2)在第一蠕动泵、第二蠕动泵的作用下，将0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液和5mL折射率为1.42044的高折射率液体(65％甘油溶液)注入液体混合池，经过磁力搅拌器的搅拌，使两种液体在液体混合池中混合均匀；

(3)在第三蠕动泵的作用下，将液体混合池中混合均匀的混合液体转入到测试池中进行测试，在测试过程中保持混合液体的温度在20±0.1℃；

(4)读取和记录长周期光栅对由折射率为5mL 1.42044的高折射率液体和0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液组成的混合液体的光谱信号；

(5)用去离子水充分冲洗液体混合池、测试池和长周期光栅，并用氮气吹干；

(6)将4％的氯化钠溶液依次换为8％、12％、16％、20％、24％的氯化钠溶液和水(即氯化钠浓度0％)，按照(2)-(5)的步骤操作，依次进行测试；

(7)对数据进行处理分析：将0-24％氯化钠浓度范围内所移动的谐振波长与没加入高折射率液体之前所移动的谐振波长相比较，得出检测灵敏度提高的倍数。

通过对不同浓度氯化钠混合液体的光谱数据分析，在折射率为1.42044高折射率液体的辅助下，当氯化钠的浓度从0％增加到24％，长周期光栅的谐振波长移动了16.07nm，如图3所示。与没加入高折射率液体之前(直接使用不同浓度氯化钠溶液进行检测，长周期光栅的谐振波长移动7.82nm，如图2所示)相比，长周期光栅对氯化钠溶液的灵敏度提高了2.05倍。

实施例3

使用实施例1中的装置对氯化钠溶液进行检测：

(1)依次用丙酮、乙醇、水对液体混合池、长周期光栅和测试池冲洗，进行清洁处理；

(2)在第一蠕动泵、第二蠕动泵的作用下，将0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液和5mL折射率为1.42789的高折射率液体(70％甘油溶液)注入液体混合池，经过磁力搅拌器的搅拌，使两种液体在液体混合池中混合均匀；

(3)在第三蠕动泵的作用下，将液体混合池中混合均匀的混合液体转入到测试池中进行测试，在测试过程中保持混合液体的温度在20±0.1℃；

(4)读取和记录长周期光栅对由折射率为5mL 1.42789的高折射率液体和0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液组成的混合液体的光谱信号；

(5)用去离子水充分冲洗液体混合池、测试池和长周期光栅，并用氮气吹干；

(6)将4％的氯化钠溶液依次换为8％、12％、16％、20％、24％的氯化钠溶液和水(即氯化钠浓度0％)，按照(2)-(5)的步骤操作，依次进行测试；

(7)对数据进行处理分析，分析方法同实施例2。

通过对不同浓度氯化钠混合液体的光谱数据分析，在折射率为1.42789高折射率液体的辅助下，当氯化钠的浓度从0％增加到24％，长周期光栅的谐振波长移动了28.47nm，如图4所示。与没加入高折射率液体之前相比，长周期光栅对氯化钠溶液的灵敏度提高了3.64倍。

实施例4

使用实施例1中的装置对氯化钠溶液进行检测：

(1)依次用丙酮、乙醇、水对液体混合池、长周期光栅和测试池冲洗，进行清洁处理；

(2)在第一蠕动泵、第二蠕动泵的作用下，将0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液和5mL折射率为1.43534的高折射率液体(75％甘油溶液)注入液体混合池，经过磁力搅拌器的搅拌，使两种液体在液体混合池中混合均匀；

(3)在第三蠕动泵的作用下，将液体混合池中混合均匀的混合液体转入到测试池中进行测试，在测试过程中保持混合液体的温度在20±0.1℃；

(4)读取和记录长周期光栅对由折射率为5mL1.43534的高折射率液体和0.1mL浓度为4％的氯化钠溶液组成的混合液体的光谱信号；

(5)用去离子水充分冲洗液体混合池、测试池和长周期光栅，并用氮气吹干；

(6)将4％的氯化钠溶液依次换为8％、12％、16％、20％、24％的氯化钠溶液和水(即氯化钠浓度0％)，按照(2)-(5)的步骤操作，依次对上述浓度氯化钠的混合液体进行测试；

(7)对数据进行处理分析，分析方法同实施例2。

通过对不同浓度氯化钠混合液体的光谱数据分析，在折射率为1.43534高折射率液体的辅助下，当氯化钠的浓度从0％增加到24％，长周期光栅的谐振波长移动了60.36nm，如图5所示，与没加入高折射率液体之前相比，长周期光栅对氯化钠溶液的灵敏度提高了7.72倍。

本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。