[发明专利]金属卟啉兰格缪尔布洛季特膜光纤气体传感器

说明书

技术领域

本发明属于检测大气环境中有害气体的技术领域，特别涉及检测工业生产环境中有害气体的传感器。

背景技术

随着工业技术的高速发展，工业生产给人类生活环境带来了大量的污染物，其中以挥发性有机物(VOCs)气体为主，如：二氧化氮(NO₂)、一氧化氮(NO)、氨气(NH₃)、硫化氢(H₂S)、光气等等。这些挥发性有机气体严重影响了人类的日常生活环境，并不断危及着人们的身心健康。其中二氧化氮具有腐蚀性和生理刺激作用，会造成肺部发育受损，导致肺部构造改变，它是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是酸雨的来源之一，对人体，环境以及农作物等都会造成相当严重的危害；而硫化氢对人体中枢神经具有极大危害作用，可引发肺水肿、支气管炎、肺炎等病症；另外特别指出，光气是一种特殊的工业生产原料，它具有极大的毒性，十分微量的光气就足以使一名成年人丧命。光气大多来源于工业生产废气的处理不完全以及工业生产装置的泄漏等等。因此检测这些有毒气体(光气等)，并采取相应的治理措施，对净化人们的生存环境及防止环境重大事故发生等方面都具有重要意义。

光化学传感器是近年来发展起来的一种新型微痕量测量技术，现已得到广泛应用。现有检测气体的光纤传感器，如公开号为CN1057904A的“滤光式氨气敏光纤传感器”专利，公开的光纤传感器由护套，入射光纤，出射光纤，入射透镜，出射透镜，二氧化锡敏感膜以及紫外光滤光片组成。该光纤传感器采用透射的方式，通过检测光源通过与氨气反应后的敏感膜，其光学特性产生的变化，实现对目标物氨气的检测。现有的光纤气体传感器一般是采用透射式或者反射式两种光路传输机理制成。这类光纤气体传感器，其最大的特点在于采用单入单出的光路传输形式，其中有个别采用单入多出的光学结构的传感器，但其采用的多束出射光纤所检测的仍然是目标物质的某种单一信息，无论是入射信号还是出射信号都仅能代表一种物质的某一特定敏感特性。这样的光纤气体传感器只能实现对一种物质或者具有相同特性的一类物质的识别，并且其选择性识别能力较差，灵敏度也不够高。对于用金属卟啉作为敏感物质的传感器，如四川大学的《四对溴苯基铂卟啉聚氯乙烯敏感膜溶解氧传感器的研究》，其敏感膜直接由旋转做膜仪制备，这样的传感器敏感膜，常常会因为反应不完全，检测精度和选择性等问题而影响此类传感器的推广和应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有光纤气体传感器的不足，提供一种金属卟啉兰格缪尔布洛季特膜光纤气体传感器。该传感器具有气体敏感性好，体积小，选择性识别能力强，分辨力高，可重复使用等优点。

本发明的原理：对于敏感物质，卟啉是卟吩外环带有取代基的同系物以及衍生物的总称，当卟啉上氮的2个质子被金属离子取代后即形成金属卟啉配合物。金属卟啉具有兰格缪尔布洛季特膜(简称LB膜)成膜特性，可以通过拉膜机或者膜转移法制成LB膜。LB膜技术是在分子水平上制备超薄膜的几种先进技术之一，它是一种能够精确控制薄膜厚度以及分子排列的单分子膜沉积技术，它能在分子水平上控制物质的结构和物理、化学性能，实现分子水平上的排列组合，从而组建超分子结构和超微复合材料，以及观察一般情况下无法进行的化学反应和物理现象，乃至其他一些特殊功能以及生物活性等等。在实验中，敏感物LB膜与被检测的目标气体发生化学作用，由于LB膜为单分子膜，其最大优点是可以使敏感物质同目标气体发生完全反应。从作用机制上来讲，研究表明有环状共轭结构的卟啉及衍生物LB膜，具有半导体性质，金属卟啉同目标气体结合后，分子内发生电子授受关系，从而使得敏感物质金属卟啉LB膜的吸光特性，反光特性等光电物理性质发生改变。因此，当光源通过入射光纤传至金属卟啉LB膜时，光信号就会在同目标气体反应后的LB膜的作用下发生不同程度的光电性能改变，使得从出射光纤传出的光产生不同程度的改变，包括波长、颜色等性质的改变。因此，通过出射光纤传出的光信号就代表了这种被测气体的唯一的光学特征信息，据此可检测到对应气体分子的存在。例如，现有的研究已发现铜卟啉对NO₂具有很高的敏感性。并且铜、钴、镍、锰卟啉及一些其他金属卟啉的LB膜制成的敏感元件已成功地应用在对NO₂、H₂S、CO和Cl₂等气体的检测上。

另外，相对于其他敏感膜，LB膜具有以下突出特点：

(1)LB膜有序超薄，可在分子尺度上设计薄层结构，所以可精确控制膜厚；

(2)膜层内分子呈二维有序排列，在用于气体探测时，薄膜的超薄性可导致敏感层电学和光学参数的最大变化；