[发明专利]痕量氟离子传感器及浓度检测装置和方法

说明书

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。

技术领域

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

氟是一种对人体健康很重要的微量元素，主要通过饮用水获得。它是一把双刃剑，一方面，它在牙齿、头发、指甲和骨骼的正常生长和维护以及治疗骨质疏松症方面发挥着重要的生物学和医学作用。另一方面，过量接触氟会导致氟斑牙、氟骨症、肾病和急性胃病；这是因为它独特的特性很容易被身体吸收，但排泄很慢。一旦出现，氟中毒的症状是不可逆转的。在水安全方面，世界卫生组织(WHO)关于氟化物的指导值为1.5ppm，超过10ppm就会出现致残性氟骨症；美国公共卫生署证实人体每天氟元素的最佳摄入量是1mg。氟化物对人体的双重性质取决于其浓度，这使得对氟化物的定量检测至关重要。

目前，已经开发了一些氟离子浓度的检测方法，如离子选择电极，核磁共振波谱分析，基于荧光的传感器。然而，复杂的仪器、设备齐全的实验室和训练有素的人员是离子选择电极和核磁共振波谱分析的主要限制因素，限制了它们在资源有限实验室中的应用。基于荧光的检测，成本低且快速，但高度依赖于激发功率和探测器灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种痕量氟离子传感器及浓度检测装置，该传感器为基于端面封装的光纤迈克尔逊干涉式传感器。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的痕量氟离子传感器，包括单模光纤、粗锥、薄芯光纤、敏感膜、银膜；

所述单模光纤、薄芯光纤通过粗锥依次连接；

从所述单模光纤传输的光通过粗锥后，在薄芯光纤激发形成芯层模和包层模；

所述敏感膜包覆于薄芯光纤外壁；

所述银膜设置于薄芯光纤端面。

进一步，还包括紫外胶，所述紫外胶设置于银膜外侧。

进一步，所述敏感膜为铝掺杂氧化锌涂层。

进一步，所述薄芯光纤包括纤芯、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。

进一步，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。

进一步，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。