详情

原文传递局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器

专利名称：	局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器
摘要：	本发明涉及激光ph值测试技术，为提出远高于电极法能够到达的精度的ph值测量技术方案；同时，实现不受环境因素的影响，在强酸碱性、远距离等特殊环境下也能够进行测量，适用的范围更广。为此，本发明，局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器，包括少模长周期光纤光栅模式转换模块和裹覆金属纳米颗粒、石墨烯和聚苯胺复合纳米材料的传感单元两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过传感单元，建立PH值与波长变化量之间的关系，实现对外界待测物质的pH值传感测量。本发明主要应用于ph值测试传感器的设计制造场合。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津大学
发明人：	桑梅;董洁;王双;韩群
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-30T00:00:00+0800
申请号：	CN201910424076.X
公开号：	CN110186875A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：	刘国威
分类号：	G01N21/59(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种局部表面等离子共振光纤型pH值测量传感器，其特征是，包括少模长周期光纤光栅模式转换模块和裹覆金属纳米颗粒、石墨烯rGO和聚苯胺Pani复合纳米材料的传感单元两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP01基模的能量转移到LP02高阶模上，然后通过传感单元，使LP02高阶模与包层中的低阶模式耦合来感知外界液体PH的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立PH值与波长变化量之间的关系，实现对外界待测物质的pH值传感测量。 2.如权利要求1所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量传感器，其特征是，模式转换模块是在少模光纤上用CO2激光器直接写入长周期光栅，用以实现少模纤芯中的模式转换，将低阶模转变为高阶模，该高阶模进入级联的由同种少模光纤制备的传感单元；所述同种少模光纤侧面/端面为贵金属纳米微结构薄膜覆盖，rGO-Pain薄膜覆盖于周期性排列的所述贵金属纳米微结构薄膜构成金属-介质界面；所述高阶模进入级联的传感单元，高阶模态倏逝波激发贵金属纳米微结构薄膜周期性阵列，形成局部表面等离子共振LSPR，其共振频率受贵金属纳米颗粒和rGO-Pain薄膜介电特性的影响并与待测溶液pH值具有间接的物理关联，从而获得传感灵敏度检测。 3.一种局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，采用还原氧化石墨烯rGO和聚苯胺Pani两种材料制备出对溶液H+和OH-离子浓度敏感的纳米混合材料，构成传感介质；用少模光纤中传输的光通过模式转换作为泵浦光源，激发光纤侧面/端面上的贵金属纳米颗粒，将rGO-Pain薄膜覆盖于周期性排列的所述贵金属纳米颗粒上构成金属-介质界面，用少模光纤中的高阶模态倏逝波激发金属纳米颗粒阵列形成局部表面等离子共振LSPR，其共振频率受金属纳米颗粒和rGO-Pain薄膜介电特性的影响并与待测溶液pH值具有间接的物理关联，获得pH值与透射光谱中LSPR波长凹陷之间的关联，从而进行pH值检测。 4.如权利要求3所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，对光纤的传感区域进行光栅刻写、拉锥、U型弯曲以及侧面切削处理，增强其对外界灵敏度的探测。 5.如权利要求3所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，在少模光纤上用CO2激光器直接写入长周期光栅，用以实现少模纤芯中的模式转换，将低阶模转变为高阶模，该高阶纤芯模进入级联的由同种少模光纤制备的pH检测敏感单元，与包层模之间相互作用，形成谐振峰，与金属-纳米复合材料中的表面等离子波相互耦合，从而提高pH值传感的灵敏度。 6.如权利要求3所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，光纤包层经过拉锥、弯曲或者切削，并且表面制作有能够激发局部表面等离子体的金属纳米阵列和石墨烯介质薄膜，这个结构在光纤纤芯-包层界面倏逝波的激发下，会发生局部表面等离子共振，共振频率的光波得到激发而停留在金属-石墨烯表面，而其他频率的光波则继续传输，因此在输出端得到的透射频谱中就出现一个明显的凹陷，这个共振频率与还原石墨烯-聚苯胺薄膜对溶液中H+或者OH-离子的吸附相关，通过检测透射谱从而分析解调出溶液的pH值。 7.如权利要求3或6所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，在预处理后的光纤表面蒸镀一层100nm左右厚度的金属薄膜Au/Ag，然后用超快纳秒激光对金属膜进行烧蚀处理，通过控制激光脉冲能量，可改变金属薄膜中原子之间的结合形态，使金属经历高温熔化、去湿、再凝结的历程，而形成直径在100nm左右，间隔在50～200nm的金属颗粒阵列，最后，将还原氧化石墨烯和聚苯胺纳米混合物均匀裹敷于金属层之上，加热烧结，就形成了LSPR的传感单元。 8.如权利要求3所述的局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法，其特征是，将rGO-Pani均匀地烧结在沉积了贵金属纳米颗粒的传感区域，形成LSPR传感单元，具体为将还原氧化石墨烯与苯胺粉末在盐酸水溶液中超声，用滴流法聚合5小时，然后经过清洗和干燥，得到rGO-Pani纳米复合材料，通过控制聚合和干燥条件将该纳米复合材料制成各种形状膜或棒，采用侧面镀膜或端面镀膜。
所属类别：	发明专利