一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及三聚氰胺检测技术、细芯光纤传感技术，利用的是细芯光纤对外 界折射率敏感特性以及纳米金和三聚氰胺的特异性结合。该系统结构简单、设计合理，成本 低廉、直接实时、结果有效准确等诸多优点。
【背景技术】
[0002] 三聚氰胺（Melamine)是一种对身体有害的有机物，不可用于食品加工或食品添 加物。三聚氰胺本身为低毒性，一般成年人身体会排出大部分的三聚氰胺，不过如果与三聚 氰酸并用，会形成无法溶解的氰尿酸三聚氰胺，造成严重的肾结石。已经有报道称，三聚氰 胺在人体的消化过程中，特别是在胃酸的作用下，自身即可能部分转化为三聚氰酸，而与未 转化部分形成结晶。
[0003] 金纳米颗粒可以与三聚氰胺进行结合，通过附着在细芯光纤表面的纳米金颗粒与 三聚氰胺结合后会导致细芯光纤表面附近折射率发生变化，根据细芯光纤对于表面附近折 射率敏感的特性，我们可以通过光谱仪检测细芯光纤的光谱，进而检测三聚氰胺的存在与 否，并且判断其浓度。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是为了克服上述产生的问题，满足人们的需求，提出一种基于 纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传感系统，该系统结构简单、设计合理，成本 低廉、直接实时、结果有效准确。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于纳米金修饰细芯光纤 检测三聚氰胺含量的光纤传感系统，由宽带光源、输入单模光纤、细芯光纤、输出单模光纤、 光谱仪组成。本实用新型先使用硅烷偶联剂在细芯光纤端面修饰上纳米金颗粒，当细芯光 纤浸入到含有三聚氰胺的液体中时，纳米金会与三聚氰胺进行结合，引起细芯光纤表面附 近折射率的变化。从宽带光源出来的入射光经不同浓度的三聚氰胺溶液接触的细芯光纤 后，透射光谱的谐振波长会发生变化，再通过观察光谱仪上的透射光谱谐振波长值，拟合计 算出谐振波长值与三聚氰胺浓度的关系，则通过谐振波长值就可以实现检测被测三聚氰胺 浓度的目的。
[0006] 谐振波长值应满足以下条件：
[0008] 其中Cra(X)表示纤芯有效折射率，，和入射光波长有关，且不随外界液体折射率 变化而变化；< 表示包层第j阶模式的有效折射率，与入射光波长和外界液体折射 率均有关；Hext表示外界折射率，与附着在纳米金上的三聚氰胺的量有关；L表示细芯光纤 的长度；Ad表示干涉信号的峰值波长，对应式中透射光谱某个波峰处的波长。由上式可推 导出峰值波长随外界液体折射率变化而变化的关系式
[0010] λ [)受到外界液体折射率的影响而产生向左或向右漂移，通过测量峰值特征波长 或漂移量从而获得外界折射率或其改变量。通过拟合，即可得知外界三聚氰胺溶液的浓度。 [0011] 本实用新型所述的细芯光纤利用硅烷耦合剂在其表面修饰上纳米金颗粒。本实用 新型所述的输出单模光纤和输出单模光纤的纤芯直径为8 μ m，包层直径为125 μ m，所用细 芯光纤的纤芯为2. 3 μ m，包层直径为125 μ m，长度为3cm。
[0012] 本实用新型所述宽带光源的光谱范围为650nm到1700nm，能够包含单模-细 芯-单模结构光纤所通过的谐振波长值。
[0013] 本实用新型所述光谱仪的光谱范围为650nm到1700nm，波长分辨率为0.0 lnm，能 精确测得不同浓度三聚氰胺作用下不同谐振波长值。
[0014] 本实用新型所具有的特点优势为：1.所有仪器材料都很普遍，系统结构简单； 2.三聚氰胺的浓度测定直接实时，且操作简单；3.将细芯光纤使用纳米金修饰后能够排 除更多外界干扰因素，保证仅有三聚氰胺浓度这个外界参数对透射光谱的谐振波长进行作 用，大大减小误差，使得到的结果更加精确；4.所有操作都没涉及危险药品，安全可靠。
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型的结构示意图，1-宽带光源，2-输入光纤，3-纳米金修饰的细芯 光纤，4-输出光纤，5-光谱仪。
[0016] 图2为本实用新型不同浓度三聚氰胺的透射光谱图。
【具体实施方式】
[0017] 本实用新型适用的温湿度条件为：> 15°C，0_90% RH。
[0018] 如图1所示，它是一种单模-细芯结构和纳米金的测定液体中三聚氰胺的光纤传 感系统，宽带光源（1)的光谱范围为650nm-1700nm，发出的入射光通过输入单模光纤（2)耦 合进入纳米金修饰的细芯光纤（3)。当纳米金修饰的细芯光纤（3)浸入到含有三聚氰胺的 待测样品中，得到的光谱将通过输出单模光纤（4)反馈到光谱仪（5)上形成的的透射光衰 减峰的谐振波形，在光谱仪（5)上固定此时的谐振波形，然后用去离子水进行反复清洗，使 谐振波形图恢复到空气中的波形图，再依次测量不同浓度的三聚氰胺溶液，得到与其相对 应的谐振波长值；纳米金通过硅烷偶联剂附着在光纤表面，当溶液中含有三聚氰胺时，三聚 氰胺会和光纤表面的纳米金颗粒结合，改变细芯光纤表面的折射率，从而引起透射光谱干 涉峰值波长的变化。
[0019] 如图2所示，随着三聚氰胺浓度的增加，与纳米金颗粒结合的三聚氰胺增加，细芯 光纤表面的折射率也因此变大，光谱上表现为透射光谱干涉峰值波长变大，产生红移的现 象。
[0020] 本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，由于纳米金和三聚氰胺具 有很强的结合性，宽带光源、单模细芯光纤、光谱仪可以进行新的统一搭配，装置结构可以 进行优化设计，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。
【主权项】
1. 一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传感系统，其特征是：由宽 带光源（1)、输入单模光纤⑵、细芯光纤（3)、输出单模光纤（4)、光谱仪（5)构成；宽带光 源（1)发出的光经过输入单模光纤（2)耦合到纳米金颗粒修饰的细芯光纤（3)中，在细芯 光纤（3)中激发起对外界环境敏感的包层模式，并与芯层模式发生马赫增特干涉，最后由 输出单模光纤（4)输出到光谱仪（5)上；由于纳米金颗粒与不同浓度三聚氰胺的结合会引 起细芯光纤周围的折射率的改变，进而引起光谱仪的透射干涉光谱波峰波长的变化，从而 实现三聚氰胺浓度的测定。2. 根据权利要求1所述的一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传 感系统，其特征是：利用硅烷耦合剂在细芯光纤（3)表面修饰上纳米金颗粒。3. 根据权利要求1所述的一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传 感系统，其特征是：所用输出单模光纤（2)和输出单模光纤（4)的纤芯直径为Sy m，包层直 径为125 y m，所用细芯光纤（3)的纤芯为2. 3 y m，包层直径为125 y m，长度为3cm。4. 根据权利要求1所述的一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传 感系统，其特征是：所述宽带光源（1)的光谱范围为650nm到1700nm，能够包含单模-细 芯-单模光纤结构所通过的谐振波长值。5. 根据权利要求1所述的一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传 感系统，其特征是：所述光谱仪（5)的光谱范围为650nm到1700nm，波长分辨率为0.0 lnm， 能精确测得不同浓度三聚氰胺作用下不同谐振波长值。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于纳米金修饰细芯光纤检测三聚氰胺含量的光纤传感系统，所述系统主要由宽带光源、输入单模光纤、细芯光纤、输出单模光纤、光谱仪构成；宽带光源发出的光经过输入单模光纤耦合到纳米金颗粒修饰的细芯光纤中，在细芯光纤中激发起对外界环境敏感的包层模式，并与芯层模式发生马赫增特干涉，最后由输出单模光纤输出到光谱仪上；由于纳米金颗粒与不同浓度三聚氰胺的结合会引起细芯光纤周围的折射率的改变，进而引起光谱仪的透射干涉光谱波峰波长的变化，从而实现三聚氰胺浓度的测定；该系统具有结构简单、成本低廉、操作方便、直接实时、安全无污染等优点。
【IPC分类】G01N21/41, G01N21/25
【公开号】CN204832028
【申请号】CN201520488284
【发明人】孔文, 郎婷婷, 卞继城, 俞文杰
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月3日