基于可降解微纳米功能薄膜的光纤传感器研究

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光纤传感器由于具有体积小、成本低、灵敏度高、抗电磁干扰、可分布式测量等优点,近年来获得了越来越多的关注。但是当前对于光纤传感器的研究关注点主要集中在光纤传感器的灵敏度,忽略了传感器制造过程中使用到的原材料对环境的影响。本文采用羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇等可降解的环境友好型高分子聚合物材料为基础,研究了多种可降解的环境亲和型光纤传感器。采用这些可降解材料的微纳米功能薄膜的光纤传感器实现了对温度、湿度、葡萄糖浓度等参数的测量。具体研究内容如下:(1)从理论上阐述了光纤传感器的分类、发展以及工作原理。结合光纤本身结构,介绍了可以用于光纤微纳米功能薄膜制备的方法并且将静电纺丝技术引入光纤传感器的光纤微纳米功能薄膜制备。(2)以羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素为原料,采用浸涂技术分别制备相应的可降解环境亲和型微纳米功能薄膜光纤传感器。首先,采用可降解羟丙基甲基纤维素为原料,通过在长100μm空芯光纤端面浸涂一层10μm的羟丙基甲基纤维素薄膜来实现对环境湿度的测量,表明羟丙基甲基纤维素是一种优秀的可用于光纤湿度传感的湿敏材料;其次,采用同样的结构设计了一种基于羟乙基纤维素的光纤传感器,通过在长150μm空芯光纤的端面浸涂一层厚度为10μm的羟乙基纤维素薄膜组成,所设计传感器的灵敏度达224.5pm/%RH且湿度从35%至85%的响应时间只需2.75s,表明羟乙基纤维素是一种优秀湿敏材料;然后,设计了一种采用羧甲基纤维素的光纤传感湿度传感器,通过在长100μm空芯光纤的端面浸涂一层羧甲基纤维素薄膜组成,实验结果表明羧甲基纤维素薄膜光纤传感器的湿度灵敏度为170.55pm/%RH,在添加碳纳米管以后,进一步提高了该传感器的灵敏度,实验结果表明在添加碳纳米管以后传感器的灵敏度为230.95pm/%RH,其湿度灵敏度提高了35.41%;最后,设计了一种采用羧甲基纤维素的多模干涉型光纤温湿度传感器,通过使用氢氟酸将一段6mm长的多模光纤从直径125μm腐蚀到60μm,在腐蚀后的多模光纤侧壁浸涂一层羧甲基纤维素薄膜,实验结果表明所设计传感器的湿度灵敏度达69.6pm/%RH,温度灵敏度约为15pm/℃。(3)提出了一种利用静电纺丝进行光纤微纳米薄膜制备的技术,并且研究了静电纺丝微纳米功能薄膜的光纤传感特性。首先,从原理上阐述了静电纺丝的过程以及各个参数对于静电纺丝制备纳米纤维膜的影响;然后,设计了一种在光纤锥形区域覆盖有静电纺丝聚乙烯醇纳米纤维膜的光纤温湿度传感器,实验结果表明聚乙烯醇纳米纤维膜光纤湿度传感器的湿度灵敏度为0.0369d B/%RH,并制造了采用聚乙烯醇/碳纳米管复合纳米纤维膜的光纤传感器,结果表明在加入碳纳米管以后传感器的灵敏度提高到0.0484d B/%RH,相较于采用聚乙烯醇纳米纤维薄膜的传感器的湿度灵敏度提高了约31.16%,此外在添加碳纳米管以后纳米纤维裂隙减少,纳米纤维的机械强度进一步提高;最后,设计了一种空芯光纤端面覆盖有静电纺丝微纳米功能薄膜湿度传感器,结果表明传感器对湿度变化响应灵敏,湿度灵敏度为368pm/%RH。(4)提出了一种采用静电纺丝作为光纤酶固定的方法,研究了利用聚乙烯醇固定葡萄糖氧化酶进行葡萄糖检测的光纤生物传感器。首先,通过将葡萄糖氧化酶混合在聚乙烯醇溶液中,对混合溶液进行静电纺丝,从而产生包封有葡萄糖氧化酶的聚乙烯醇纳米纤维,使用戊二醛对聚乙烯醇纳米纤维进行交联,从而利用所设计传感器完成对葡萄糖的检测;此外,还采用聚乙烯吡咯烷酮和醋酸锌混合以后进行静电纺丝,然后对所产生的静电纺丝纳米纤维进行退火从而产生纳米氧化锌,并展望了其在葡萄糖传感器以及其他方面的应用。
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