[发明专利]光纤爆炸物传感器荧光敏感薄膜制备方法、光纤爆炸物传感器及爆炸物蒸气检测系统

说明书

本发明公开了一种光纤爆炸物传感器荧光敏感薄膜制备方法、光纤爆炸物传感器及爆炸物蒸气检测系统。荧光敏感薄膜制备方法包括对光纤的纤芯空气孔内壁进行清洗，活化石英表面上的羟基，将光纤置于乙烯基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中处理，制备荧光混合溶液，采用气压驱动装置将荧光混合溶液通入纤芯空气孔中形成爆炸物蒸气荧光敏感薄膜。光纤爆炸物传感器包括空芯光子晶体光纤和爆炸物蒸气荧光敏感薄膜。爆炸物蒸气检测系统包括半导体激光器、光纤爆炸物传感器、测试气室、光谱仪和计算机。本发明中的荧光敏感薄膜的荧光量子产率高，荧光光强稳定；当爆炸物蒸气分子与荧光敏感薄膜充分接触时，会使荧光强度发生显著的变化，传感器灵敏度高。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种获取爆炸物蒸气浓度的基于荧光猝灭的空芯光子晶体光纤爆炸物蒸气传感装置。

背景技术

在全球范围内，恐怖份子活动猖獗，恐怖爆炸事件呈逐年上升趋势，严重威胁人民的生命财产安全。据相关资料统计，在大部分恐怖爆炸事件中使用的是常见易得的三硝基甲苯(TNT)，二硝基甲苯(DNT)等硝基芳烃类爆炸物，但是此类爆炸物的饱和蒸气压极低，不易被探测到。因此，实现快速，远程，安全，痕量检测TNT，DNT等，对国家安全，社会安全及人民财产安全具有重要的意义。

目前，对爆炸物挥发出的蒸气和黏附于爆炸物容器表面以及任何接触过爆炸物的人和物表面所残留的痕量爆炸物检测的技术主要分为非光学法和光学法。非光学法包括：气相色谱法，离子迁移谱法，声表面波法，MEMS传感技术，质谱法和生物传感技术等。光学法包括：太赫兹光谱法，拉曼光谱法和荧光光谱法等。许多物质的太赫兹光谱包含了丰富的物理和化学信息，如分子的振动和转动光谱。太赫兹在爆炸物及其相关材料检测研究中的优势主要有：①不同爆炸物材料在太赫兹波段具有不同的特征吸收，可以进行爆炸物的鉴别；②太赫兹波可以穿透非金属和非极性材料，可以探测隐藏在这些包装材料中的爆炸物；③太赫兹波的能力比较低，可以对人体和生物材料等进行无损检测。但是这种方法存在技术不成熟，还处于实验室阶段且空气水蒸气对太赫兹光的吸收限制了检测距离等缺点。拉曼光谱法具有样品不需要预处理、是非侵入非破坏性的测量、需要样品很少等优势，但存在拉曼光谱较弱，易受荧光干扰，仪器笨重等缺点。荧光光谱法响应速度快，灵敏度高，稳定性好，体积小，特别适合痕量检测。

隋峰(舰船电子工程,2017,37(2):121-125)使用聚苯撑乙炔(PPE)荧光薄膜对TNT进行检测。紫外LED光源发出的激发光通过准直透镜耦合到样品池中并与样品池上的荧光聚合物薄膜相互作用从而发射出荧光，并通过滤波片将多余的激发光滤除掉，减少激发光对荧光强度测量的干扰，最后已滤波的荧光通过准直透镜耦合到光电探测器中进行探测。同时TNT样品通过进样口进入样品池中并与荧光聚合物薄膜相互作用产生荧光猝灭效应，通过加入TNT样品前后荧光强度的检测可以得到TNT的浓度。该方法最低检出限为10ppb。陕西师范大学的杜海英(化学通报,2011,74(10):881-889.)开发了一种基于自组装单层膜的化学荧光薄膜荧光传感器，通过界面反应将共轭荧光高分子或其寡聚物化学单层组装到玻璃基质表面得到荧光传感薄膜，该传感器对水相中硝基苯(NB)表现出极高的传感选择性和传感灵敏度。但是传统荧光爆炸物传感器存在不能远程检测，电磁干扰影响大，实时检测实现困难等缺点。

光纤传感技术是上世纪年代末随着光纤的实用化和光通信技术的发展而形成的,它综合了物理、化学、生物和信息处理等多学科技术,具有广阔的应用前景。光纤传感器能够实现“传”和“感”的合二为一,具有其他传感器所不具有的许多优点。首先,可以抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀；其次,重量轻、体积小、灵活弯曲,易于加工做成各种形状,可以实现某些特殊条件下的测量工作；第三,由于光纤本身以及光纤放大器的高质量传输、低衰减率,使得光纤传感器可以进行远距离测量,这种特性对危险区的检测是十分必要的。