CN115656127A

CN115656127A - 一种光纤探头及其VOCs荧光传感检测装置

Info

Publication number: CN115656127A
Application number: CN202211318117.5A
Authority: CN
Inventors: 唐诗阅; 柴文祥; 宋莉; 贾一凡; 戴鼎秋; 郭冰; 朱煜帆; 林永杰
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2022-10-26
Filing date: 2022-10-26
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明涉及VOCs检测(监测)及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤探头及其VOCs荧光传感检测装置，包括探头外壳、传感膜、Y型光纤、LED光源、滤光片及光纤光谱仪。探头外壳为圆筒状且壁上有通气小孔，对VOCs敏感的传感膜固定在探头外壳底部中间位置；将探头外壳以SMA接口与光纤公共端口连接组成光纤探头。而Y形光纤的两侧分支，一端加上滤光片后连接LED紫外光源，另外一端通过滤光片后与光谱仪连接。应用时将光纤探头置于VOCs气氛，待检测气体从外壳小孔进入后与传感膜接触；而光源激发光经由光纤照射薄膜，激发其中敏感成分发出荧光，再由光纤传输回光谱仪，最终通过光谱仪显示的荧光信号变化实现VOCs检测。

Description

一种光纤探头及其VOCs荧光传感检测装置

技术领域

本发明涉及VOCs检测和监测技术领域，特别是涉及光纤传感检测领域技术领域。

背景技术

针对挥发性有机物(VOCs)进行检测/监测，实现环境空气质量的有效评价，是当前国家和社会的迫切需求。现在已有的方法有：气相色谱法，高效液相色谱法(HPLC)，膜技术处理挥发性有机物，仪器法测VOCs，化学法分析挥发性有机物等。然而这几种方法存在一定的短处，比如仪器小型化困难、灵敏度和选择性较低、不易携带、检测手续复杂、花费太高、检测时间过长、检测消耗样品、产生二次排放污染等问题，同时也会违背实时性检测的初衷。总体而言，这些VOCs测试方法不够简便、高效和廉价。

随着荧光材料对VOCs荧光响应的发现，基于荧光传感材料的VOCs检测正在成为新的具有很好前景的发展方向。膜传感器是在确定被测物质后，选择能与被测物质形成荧光传感的荧光材料固定在膜材料上，从而实现传感的一类传感器。一般常用的膜材料为有机高聚物膜和无机材料膜等。固定方式则有采用通过共价键结合、物理吸附和包埋等。作为基材的有机高聚物膜主要有聚偏氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及阳离子交换树脂等，无机材料膜主要是借助于玻璃、陶瓷或者其他氧化物等制作成膜。

光纤传感器是光学和电极的混合体，结构与电极相似但作用机理完全不同，所以又被称为光极。光纤化学传感器通过光导纤维将敏感层与待测物的相互作用而形成的发光、光强变化及光吸收等信息传递到报告端，以此来获得被分析物的性质。由于光纤具有抗电磁干扰特性、信息传输损耗低、探头制作简单、易于微型化等特点，可广泛应用于pH检测、气体测量、金属离子测定、医学测量等领域。

当今社会信息技术和计算机技术已经渗透到日常生活，传感器的研究也应该与时俱进。光纤的日益发展为传感器与计算机系统的连接提供了可能。光纤传感是20世纪80年代初由光纤技术、光谱技术、信息技术和计算机技术相互交叉、渗透而形成的传感技术，现已有比较成熟的体系。它可实现实时监测，快速方便地进行检测分析，可以更好地适应日常检测的需求。在此基础上，结合膜传感是一条新的思路。膜传感装置可以将发光物质用膜固定和保护，除此之外，有些大分子发光材料无法进入光导纤维的孔径，但是膜传感可以实现。将膜传感技术与光纤传感技术相结合，可以改善传感器的使用局限性。

因此，我们设计出了膜传感器和光纤传感器的结合体。其荧光传感和微电极传感方法具有可便携、可实时监测、非破坏检测、可组网等优点，同时契合5G推进、万物互联的时代要求，因此综合优势非常明显。这种传感器是通过定量的特定化学反应来对检测客体进行识别的，因此具有很高的选择性，并且检测信号具有叠加增强效应，与被分析客体分子的浓度直接相关。总之，基于部分气体的易挥发性，利用其与传感材料的反应性，开发高灵敏度、高选择性的气体传感器具有材料可行性基础。同时也通过研究表明，基于初步的材料和敏感薄膜验证光纤集成的传感检测效果更为精准。而相对于普遍的荧光探针研究，将传感材料制作成光纤集成的传感探头，将能实现集成后的全光纤检测监测系统架构。

发明内容

VOCs荧光传感检测装置的制作方法，包括以下步骤：

1)装置由探头外壳、传感薄膜、Y型光纤、滤光片、LED光源、光纤光谱仪和电脑组成；

2)在内径为3.5mm、外径为6.3mm、内高为15.5mm、外高为16.5mm的光纤帽上距底部4mm处打穿几个小孔作为光纤帽的通气孔，即成为探头外壳；

3)对VOCs敏感的传感薄膜置于探头外壳底部的中间位置并固定；

4)将光纤光谱仪和LED激发光源与Y型光纤(SMA905接口)的两侧分支端连接；

5)将装好传感薄膜的探头外壳安装在Y型光纤的汇总端上，即成为光纤传感探头；

6)将光纤探头装置放入VOCs氛围中，即可用于传感检测。

进一步地，在步骤3中放入光纤帽中的传感薄膜用打孔机制作，直径大小为3.3mm左右。如果传感薄膜脆性较大，则可用切割的方法。切勿太大，否则放不进光纤帽；切勿太小，否则放入光纤帽后在测试过程中光纤探头发出的光不完全照射在传感薄膜上，造成测试误差偏大。

进一步地，在步骤4中Y型光纤与光谱仪和LED光源连接处要分别加上对应的滤光片，以便更好地消除对信号荧光的影响。

进一步地，在检测时LED光源先开到最小，能预热即可。切勿将光源强度开到很大，以免在未进行正式测试时就已经对传感薄膜造成损坏。在正式测试时，要对传感薄膜与相应VOCs的响应强度有预测，然后再调整光源到合适强度。

本发明的有益效果：

1、VOCs荧光传感检测装置利用低成本的反应型荧光传感材料及其复合敏感薄膜，并通过器件设计将敏感薄膜与光纤端口集成为方便布局的传感探头装置，最终通过可组网的光纤光源和探测器架构成易操作的全光纤VOCs荧光传感检测系统。具有制作方式简单、可操作性强、可便携、可实时监测、非破坏检测等优点。

2、VOCs荧光传感检测装置中Y型光纤在光谱仪端和LED光源端都加了一个滤光片装置，能滤去绝大部分光源一开始发出的光和光源发出的光照射在薄膜上反射回光谱仪上的光，最终留下我们需要检测的特定波长的光。检测效果好。

3、VOCs荧光传感检测装置敏感度好，所需敏感薄膜量少，所以成本低。

附图说明

图1是光纤探头结构图；

图2是VOCs检测系统图。

附图标记如下：

1-光纤、2-接头、3-密封圈、4-光纤帽(探头外壳)、5-光纤头、6-通气孔、7-传感薄膜、8-光谱仪、9-数据传输线、10-电脑、11-滤光片、12-LED光源、13-调节旋钮、14-Y型光纤、15-支架、16-VOCs气氛、17-光纤探头装置。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步阐述：

实施例1

本实施例中VOCs荧光传感检测装置的具体用法包括以下步骤：

将含敏感成分(例如CuI(TPP)₂(MBI)材料)的复合薄膜或纸基薄膜(直径大小为3.3mm左右)放入光纤帽(探头外壳)中。所制备的复合薄膜和纸基薄膜脆性较小，所以可以用打孔机制作。薄膜制作切勿太大，否则放不进外壳；切勿太小，否则放入外壳固定后，在测试过程中光纤发出的光不完全照射在薄膜上，造成测试误差偏大。

将光谱仪与电脑用数据传输线连接，将光谱仪和LED光源通过Y型光纤连接并导出。将装好薄膜的带孔光纤帽安装在Y型导出头上，并打开电脑及软件、光谱仪、LED光源预热2min。

测试前先大致了解传感薄膜与VOCs蒸气的响应强度以便确定需要优化调节的LED光源的强度。将光纤探头放入VOCs氛围中，同时立即开始测试并计时。

最终通过测试软件得出荧光传感薄膜与VOCs响应后，在一定范围内并在相同有效时间内其荧光强度与VOCs浓度呈线性关系，在一定范围内并在相同有效VOCs浓度内其荧光强度与时间呈线性关系。

实施例2

VOCs敏感成分的CuI(TPP)₂(MBI)材料的制备：称量0.095g(0.5mmol)的CuI，0.262g(1.0mmol)的三苯基膦(TPP)，0.075g(0.5mmol)的2-巯基苯并咪唑(MBI)置于球磨罐中，随后加入1.5ml乙腈和17.2g球磨球，球料比为40:1。将球磨罐置于行星式球磨机中，设定球磨机转速为160r/min，球磨时间为240min。球磨后烘干并收集得到产物0.371g，产率86％，经PXRD检测产物为纯相。

实施例3

含敏感成分的纸基薄膜制备：称取0.045g对VOCs敏感的材料CuI(TPP)₂(MBI)，使其完全溶解在7mL二氯甲烷中，溶液淡橙色澄清透明，过滤。将纤维素薄膜利用裁剪等方法制作成适合应用的大小和形状，作为后续工序中所用的试纸原纸；取适量滤液，将滤液用打印、浸涂或刷涂的方法涂覆在试纸原纸上；将涂覆好的试纸在真空条件下干燥(60℃，30min)，干燥完成后即得荧光传感薄膜(荧光试纸)；然后将传感薄膜放入VOCs中，用于VOCs传感应用。

实施例4

含敏感成分的复合薄膜制备：称取0.8g的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，玻璃化温度：105℃)使其完全溶解在9mL二氯甲烷中，溶液无色澄清透明。称取0.040g对VOCs敏感的材料CuI(TPP)₂(MBI)，使其完全溶解在6mL二氯甲烷中，溶液淡橙色澄清透明。将敏感材料溶液缓慢导入PMMA溶液中，溶液澄清透明。在处理干净的石英片上旋涂(1200rad/min)，干燥(60℃，30min)，然后将镀膜石英片放入VOCs中，用于VOCs传感应用。

Claims

1.VOCs荧光传感检测装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

4)将光纤光谱仪和LED激发光源与Y型光纤的两侧分支端连接；

6)将光纤探头装置放入VOCs氛围中，即可用于传感检测。

2.根据权利要求1所述的对VOCs敏感的传感薄膜的制作方法，其特征在于：

在步骤3)中所述的放入探头外壳底部的传感薄膜可打孔机制作，直径大小为3.3mm左右。如果传感薄膜脆性较大，则可用切割的方法。

3.根据权利要求1所述的VOCs荧光传感检测装置的制作方法，其特征在于：

在步骤4)中所述的Y型光纤与光谱仪和LED光源连接处要分别加上对应的滤光片，以便更好地消除对信号荧光的影响。

4.根据权利要求2所述的传感薄膜的制备方法，其特征在于：

传感薄膜可以通过将对VOCs分子敏感的材料以纸基负载或聚合物基质掺杂后制膜的方式制备。制膜方式可以是旋涂，滴涂，喷涂，浇铸。