准确测量液相环境中Cu2+浓度的光纤传感器研究

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铜作为一种重要的金属元素,在电力、化工、能源及国防领域中扮演着重要角色,而近年来对铜金属的过度开发利用使得液相环境中铜离子(Cu2+)的污染范围和程度急剧增加,这已严重影响了我国的生态环境及人体健康安全,因此,对其在液相环境中的含量检测分析是一项十分必要且具有现实意义的工作。光纤传感技术由于具有灵敏度高、响应速度快、不受电磁干扰等优点而被广泛应用在物理、化学、生物等检测领域。本文研制了用于液相Cu2+浓度准确测量的塑料光纤传感器。为了获得灵敏度高的Cu2+光纤传感器,本文首先采用三氯甲烷湿腐法制备了塑料光纤折射率传感器,在此基础上采用乙酸湿腐法制备了高灵敏度塑料光纤折射率传感器,最后,利用高灵敏度塑料光纤折射率传感器耦合氧化石墨烯(GO)制备了适用于液相浓度准确测量的Cu2+光纤传感器。本文主要研究工作及成果如下:(1)三氯甲烷湿腐法制备塑料光纤折射率传感器。实验首先利用三氯甲烷和无水乙醇配制了塑料光纤腐蚀剂,其次研究了腐蚀剂浓度、温度对光纤腐蚀速率及腐蚀形貌的影响,最后分析了不同腐蚀条件下所制备的塑料光纤传感器的光传输特性和对葡萄糖溶液的响应特性。实验研究表明:当腐蚀剂浓度为70%,温度为25℃时,腐蚀制作的传感器可以获得光滑、干净的腐蚀光纤表面和较好的光传输质量,此时传感器的灵敏度为3.8[(RIU)(g/L)]-1。(2)乙酸湿腐法制备高灵敏度塑料光纤折射率传感器。为了获取高灵敏度的塑料光纤折射率传感器,实验对腐蚀剂成分和腐蚀过程进行了优化设计,首先利用乙酸和蒸馏水配置了塑料光纤腐蚀剂,其次研究了腐蚀剂浓度、温度及超声扰动功率对塑料光纤的腐蚀行为,最后通过优化腐蚀条件,可以制备获取高灵敏度的塑料光纤折射率传感器。实验研究表明:当腐蚀剂浓度为80%,温度为25℃,超声功率为130 W时,腐蚀制作的传感器可以获得高质量(更光滑、更干净)的腐蚀光纤表面和良好的光传输质量,此时传感器的灵敏度为9.1[(RIU)(g/L)]-1。(3)基于氧化石墨烯的Cu2+塑料光纤传感器。实验首先利用层层自组装法将氧化石墨烯(GO)与3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)固定在塑料光纤传感表面并将其作为Cu2+敏感薄膜,其次利用光学显微镜、电子显微镜对传感器表面形貌进行表征,最后对传感器的性能(光传输特性、灵敏度、响应时间、检测范围等)展开实验评估,为了进一步提高传感器的稳定性及灵敏度,实验同时还研究了传感器的增敏方法。实验研究表明:本文所设计的Cu2+塑料光纤传感器可以对液相环境中0.1100 mg/L的Cu2+实现准确测量,传感器灵敏度为-0.000625[(RIU)(mg/L)]-1,响应时间约为1 min,检测极限为0.05 mg/L,实际样品检测最大误差为4.7%。
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