痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112362619A(43)申请公布日2021.02.12(21)申请号202011262991.2(22)申请日2020.11.12(71)申请人重庆理工大学地址400054重庆市巴南区红光大道69号(72)发明人杨晓占冯文林蒋毅(74)专利代理机构重庆航图知识产权代理事务所(普通合伙)50247代理人孙方(51)Int.Cl.G01N21/45(2006.01)权利要求书2页说明书8页附图9页(54)发明名称痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法(57)摘要本发明公开了痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法，该传感器由铝掺杂氧化锌涂层和端面封装的光纤迈克尔逊干涉仪组成，该传感器在薄芯光纤端面镀一层银膜，以增强其反射，再用紫外固化胶对镀银端面进行封装，防止银膜被氧化。通过氟离子改变铝掺杂氧化锌涂层的折射率，使传感器的干涉谱发生变化，因此可以根据相应的波长移动确定氟离子浓度。实验结果表明，该传感器可以用于检测痕量(0‑50ppb)的氟离子，灵敏度高达57.02pm/ppb，并在氟离子浓度较低的情况下性能最好，其灵敏度随着氟浓度的增加而降低；在5ppb‑50ppb范围内，线性度R2＝0.97835；传感器的响应时间为40s；该传感器具有高灵敏度、高选择性、体积小、制作简单和较快的响应速度等优点。CN112362619ACN112362619A权利要求书1/2页1.痕量氟离子传感器，其特征在于：包括单模光纤(5)、粗锥(6)、薄芯光纤(7)、敏感膜(8)和银膜(9)；所述单模光纤(5)、薄芯光纤(7)通过粗锥(6)依次连接；从所述单模光纤(5)传输的光通过粗锥(6)后，在薄芯光纤(7)激发形成芯层模和包层模；所述敏感膜(8)包覆于薄芯光纤(7)外壁；所述银膜(9)设置于薄芯光纤(7)端面。2.如权利要求1所述的痕量氟离子传感器，其特征在于：还包括紫外胶(10)，所述紫外胶(10)设置于银膜(9)外侧。3.如权利要求1所述的痕量氟离子传感器，其特征在于：所述敏感膜为铝掺杂氧化锌涂层。4.如权利要求1所述的痕量氟离子传感器，其特征在于：所述薄芯光纤(7)包括纤芯、包层；所述纤芯的一端与粗锥中心连接，所述纤芯的另一端延伸至银膜。5.如权利要求1所述的痕量氟离子传感器，其特征在于：所述粗锥按照以下方式制作：切取一段薄芯光纤，使用熔融拉锥的微处理方式在薄芯光纤和单模跳线之间形成一个粗锥。6.如权利要求1所述的痕量氟离子传感器，其特征在于：所述敏感膜按照以下方式制作：采用溶胶-凝胶法制备铝掺杂氧化锌溶胶；将六水合硝酸锌加入乙醇中作为溶液A，将九水合硝酸铝加入去离子水中作为溶液B；然后将溶液B逐渐滴加到溶液A中，搅拌得到均匀透明的溶液；通过滴加氢氧化钠溶液使透明溶液变为白色，调节pH后，再次搅拌白色溶液，即得铝掺杂氧化锌溶胶；用浸渍提拉镀膜机将制备的传感器浸入溶胶中，保持预设时间后取出，在空气中干燥；再将传感器浸入的乙醇和去离子水混合物中，保持预设时间后取出并干燥。7.利用如权利要求1-6任一项所述的痕量氟离子传感器组成的痕量氟离子浓度检测装置，其特征在于：包括光源(1)、光谱分析仪(2)、环形器(3)以及置于样本溶液(4)中的痕量氟离子传感器；所述光源(1)用于发出连续光谱；所述光谱分析仪(2)用于显示传感波形；所述环形器(3)用于连接光源、痕量氟离子传感器和光谱分析仪；所述单模光纤(5)通过环形器(3)分别与光源(1)和光谱分析仪(2)连接。8.如权利要求7所述的浓度检测装置，其特征在于：所述光源(1)为C+L波段光源。9.利用如权利要求1-6任一项所述的痕量氟离子传感器对痕量氟离子浓度检测方法，其特征在于：包括以下步骤：对痕量氟离子传感器进行定标确定光谱移动值与浓度关系；根据定标得到的光谱移动值与浓度关系建立数据库；所述数据库中设置有光谱移动值与对应的浓度值；将痕量氟离子传感器设置于待测溶液中，获取光源发出的光经过痕量氟离子传感器形成的检测干涉图谱；计算检测干涉图谱与标准干涉图谱之间的光谱移动值；根据光谱移动值在数据库中检索与光谱移动值相对于的浓度值；2CN112362619A权利要求书2/2页输出检索到的浓度值并作为待测溶液中氟离子浓度。10.如权利要求9所述的浓度检测方法，其特征在于：所述对痕量氟离子传感器进行定标，是按照以下方式进行的：配置已知浓度的氟离子，通过传感器来检测已知浓度的氟离子，从而确定光谱移动与浓度的线性关系。3CN112362619A说明书1/8页痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法技术领域[0001]本发明涉及氟离子传感器技术领域，特别是一种痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法。背景技术[0002]氟是一种对人体健康很重要的微量元素，主要通过