专利名称：一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，具体地是涉及一种现场在线测
定空气中低浓度二氧化氮气体的光学传感器，属于传感器领域技术。
背景技术：
二氧化氮(N02)主要来自煤燃烧产生的废气和汽车尾气，是一种毒性较强的空气 污染物，是酸雨、光化学烟雾等环境问题的主要成分，危害人体健康。检测二氧化氮的方法 主要有化学发光法与电化学法。前者容易受共存气体影响，后者则需精密控制电极电势与 温度等实验条件。基于这2种方法的检测仪器多为大型仪器，价格昂贵，均不便于进行二氧 化氮现场监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测低浓度二氧化氮的荧光光纤传感器，其成本低、性 能高、响应迅速、稳定性好、易于微型化；利用二氧化氮对特定荧光试剂发射的荧光具有猝
灭作用，对低浓度二氧化氮进行检测。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是 —种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，包括激发光源、分支光纤、N02纳米荧光薄 膜，所述激发光源的光路与分支光纤的入射端相耦合，分支光纤的接收端与光电转换器件 相耦合，分支光纤的总端端面外侧设置有N02纳米荧光薄膜。 所述N02纳米荧光薄膜涂敷于透明载体片上表面，分支光纤的接收端与光电转换 器件之间设置有滤光片。 所述分支光纤的总端通过光学耦合器固定耦合于透明载体片下表面，与涂敷于透 明载体片上表的N02纳米荧光薄膜相对应。 所述分支光纤的入射端通过光学耦合器与激发光源固定耦合，分支光纤的接收端 通过光学耦合器与光电转换器件固定耦合；分支光纤的总端通过光学耦合器固定于一检测 池的顶部，且分支光纤的总端伸入检测池，涂敷于透明载体片上的N02纳米荧光薄膜置于检 测池内、且位于分支光纤总端端面的正下方，在透明载体片的下表面设置有反射镜，以增强 辐射到分支光纤总端接收光纤端面的荧光强度；所述检测池设有样品气入口和样品出口 ； 位于检测池顶部的光学耦合器与检测池之间通过"O"圈进行气体密封。 所述的激发光源为高功率发光二极管或能发射出合适波长的脉冲灯；所述的分支 光纤的入射端将激发光传输至荧光敏感薄膜；所述的石英分支光纤接收端将荧光传输至光 电转换器件；所述N02纳米荧光薄膜(201)指包埋有荧光探针perylene或Ti (Pc)2的荧光 传感膜。 所述的检测池可以由金属材料或非金属材料，如聚醚醚酮(PEEK)或特氟龙 (Teflon)或聚氯乙烯(PVC)等不透明材质加工而成。
本发明具有如下优点
所述的一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，该传感器由光学系统和二氧化氮的 荧光纳米薄膜组成。该传感器具有以下优点 1.传感系统可以与不同的二氧化氮荧光纳米薄膜组合，极大地简化了操作和仪器 结构，有利于扩大仪器的应用范围。
2.采用廉价的发光二极管为光源，可以极大地降低仪器的制作成本。 3.与传统的化学发光法与电化学法相比，荧光法具有灵敏度高和选择性好的优
点。选择对二氧化氮具有特异响应的荧光试剂，可以消除别的气体，如S(^，C0，Cl2及NH3等
气体的干扰。 总之，所述的传感器成本低、性能高、响应迅速、稳定性好、易于实现传感器的微型 化，可用于低浓度的二氧化氮气体的实时在线检测。
图1为一种检测带有检测池的二氧化氮的荧光光纤传感器的示意图； 图2为一种无检测池的探头式二氧化氮的荧光光纤传感器的示意图； 图中101为激发光源(如高功率发光二极管或脉冲式光源)，102为分支光纤，
103为接收荧光的光电转换器件(如光电倍增管或硅光电池或CCD光谱仪)，104为滤光
片，105为光学耦合器，201为二氧化氮纳米荧光薄膜，202为透明载体片，203为反射镜面，
301为检测池体，302为检测腔，303为样品入口，304为样品出口，305为密封"O"圈； 图3是二氧化氮的荧光光纤传感器对不同浓度二氧化氮的荧光光谱响应图。
具体实施方式
实施例1 如图1所示，一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，其为带有检测池的探头结构， 包括激发光源101 (高功率发光二极管)、分支光纤102、 N02纳米荧光薄膜201，所述激发 光源101的光路与分支光纤102的入射端相耦合，分支光纤102的接收端与光电转换器件 103(CCD光谱仪)相耦合，分支光纤102的总端端面外侧设置有冊2纳米荧光薄膜201。所 述N(^纳米荧光薄膜201涂敷于透明载体片202上表面，分支光纤102的接收端与光电转 换器件103之间设置有滤光片104。 所述分支光纤102的入射端通过光学耦合器105与激发光源101固定耦合，分支 光纤102的接收端通过光学耦合器105与光电转换器件103固定耦合；分支光纤102的总端 通过光学耦合器105固定于一检测池301的顶部，且分支光纤102的总端伸入检测池301， 涂敷于透明载体片202上的N02纳米荧光薄膜201置于检测池301内、且位于分支光纤102 总端端面的正下方，在透明载体片202的下表面设置有反射镜203，以增强辐射到分支光纤 102总端接收光纤端面的荧光强度。 所述检测池301设有样品气入口 303和样品出口 304，检测池301内部的空腔为检 测腔302 ;位于检测池301顶部的光学耦合器105与检测池301之间通过"O"圈305进行
气体密封。 本发明检测池体和光纤耦合器可以由金属材质或高分子等非金属材质加工而 成。其中金属材料可以是不锈钢、钛铝合金等；非金属材料如陶瓷；高分子材料如聚醚醚酮
4(PEEK)、特氟龙(Teflon)或聚氯乙烯(PVC)等。 所述的激发光源101为高功率发光二极管或能发射出合适波长的脉冲灯；所述 CCD光谱仪用于接收和处理荧光信号；二氧化氮荧光敏感薄膜201由对二氧化氮光敏感分 子经包埋技术固定在一定的溶胶凝胶基质或有机聚合物的透明材料内获得；
二氧化氮的检测过程如下 1)检测池池体301通过分支光纤102与发光二极管101偶联，通过分支光纤102 与信号接收和处理系统103偶联。 2)分支光纤102与信号接收和处理系统103之间设置有滤光片104。
3)传感器采用一个高功率发光二极管为激发光源IOI，激发光源101通过光纤耦 合器105与分支光纤102耦合，激发光通过分支光纤102入射端照射到二氧化氮荧光敏感 薄膜201上，产生的荧光被分支光纤102接收端收集和传输经过滤光片104至CCD光谱仪 103中进行检测。 4)荧光敏感薄膜201通常涂覆于载体玻璃片202上表面，载体玻璃片202下表面 固定于反射镜片203上表面，反射镜片203固定于流通池301底部中心位置，与分支光纤 102总端相对。 5) 二氧化氮荧光敏感薄膜的选择选择包埋有荧光探针的二氧化氮荧光敏感 薄膜，如包埋有perylene [Sens. Actuators B Chem. 2001,72 :51.]或Ti (Pc) 2 (Sens. Actuators B Chem. 2001， 74 :12.]等荧光探针分子作为荧光传感膜。
应用例 将包埋有荧光探针perylene的二氧化氮荧光敏感薄膜安装在实施例1所述流 通池内上，以中心波长为390nm的紫色高功率发光二极管为光源，通过分支光纤一端对二 氧化氮荧光敏感膜进行激发，发射荧光经发射分支光纤另一端的传输，通过长通滤光片 (LP400)进入CCD光谱仪(USB4000)进行检测。当有二氧化氮存在时，激发态perylene分子 与二氧化氮分子发生反应，产生荧光猝灭，其结果如图3所示，谱线从上到下依次为lO卯m， 20卯m，50卯m和100ppm的二氧化氮对perylene发射荧光的作用响应。作为传感器使用时， 只取470nm波长的荧光。
实施例2 如图2所示，一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，其为开放的无池探头结构，包 括激发光源101、分支光纤102、 N02纳米荧光薄膜201，所述激发光源101的光路与分支光 纤102的入射端相耦合，分支光纤102的接收端与光电转换器件103相耦合，分支光纤102 的总端端面外侧设置有N02纳米荧光薄膜201。所述N02纳米荧光薄膜201涂敷于透明载 体片202上表面，分支光纤102的接收端与光电转换器件103之间设置有滤光片104。
所述分支光纤102的总端通过光学耦合器105固定耦合于透明载体片202下表 面，与涂敷于透明载体片202上表的N02纳米荧光薄膜201相对应。
权利要求
一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，包括激发光源(101)、分支光纤(102)、NO2纳米荧光薄膜(201)，其特征在于所述激发光源(101)的光路与分支光纤(102)的入射端相耦合，分支光纤(102)的接收端与光电转换器件(103)相耦合，分支光纤(102)的总端端面外侧设置有NO2纳米荧光薄膜(201)。
2. 按照权利要求l所述的传感器，其特征在于所述冊2纳米荧光薄膜(201)涂敷于透 明载体片(202)上表面，分支光纤(102)的接收端与光电转换器件(103)之间设置有滤光 片(104)。
3. 按照权利要求2所述的传感器，其特征在于所述分支光纤(102)的总端通过光学 耦合器(105)固定耦合于透明载体片(202)下表面，与涂敷于透明载体片(202)上表面的 N02纳米荧光薄膜(201)相对应。
4. 按照权利要求2所述的传感器，其特征在于所述分支光纤(102)的入射端通过光 学耦合器(105)与激发光源(101)固定耦合，分支光纤(102)的接收端通过光学耦合器 (105)与光电转换器件(103)固定耦合；分支光纤(102)的总端通过光学耦合器(105)固 定于一检测池(301)的顶部，且分支光纤(102)的总端伸入检测池(301)，涂敷于透明载体 片(202)上的N02纳米荧光薄膜(201)置于检测池(301)内、且位于分支光纤(102)总端 端面的正下方，在透明载体片(202)的下表面设置有反射镜(203)，以增强辐射到分支光纤 (102)总端接收光纤端面的荧光强度。
5. 按照权利要求4所述的传感器，其特征在于所述检测池(301)设有样品气入口 (303)和样品出口 (304);位于检测池(301)顶部的光学耦合器(105)与检测池(301)之间 通过"O"圈(305)密封。
6. 按照权利要求4所述的传感器，其特征在于检测池(301)由不透明的金属材质或 非金属材料加工而成，非金属材料为聚醚醚酮或特氟龙或聚氯乙烯。
7. 按照权利要求l所述的传感器，其特征在于所述冊2纳米荧光薄膜(201)指包埋有 荧光探针perylene或Ti (Pc)2的荧光传感膜。
全文摘要
本发明涉及一种检测二氧化氮的荧光光纤传感器，包括激发光源、分支光纤、NO2纳米荧光薄膜，所述激发光源的光路与分支光纤的入射端相耦合，分支光纤的接收端与光电转换器件相耦合，分支光纤的总端端面外侧设置有NO2纳米荧光薄膜。本发明的二氧化氮传感器成本低、性能高、响应迅速、稳定性好、易于微型化，可用于实时在线检测低浓度的二氧化氮气体。
文档编号G01N21/64GK101750403SQ20081022987
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月17日 优先权日2008年12月17日
发明者关亚风, 徐静, 朱道乾, 熊艳, 王建伟 申请人:中国科学院大连化学物理研究所