基于UiO-66-NH2的倾斜光纤光栅氢气传感器的制作方法

本发明提出了基于uio-66-nh2的倾斜光纤光栅氢气传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术：

uio-66-nh2是一种金属有机骨架材料(mofs)，具有三维多孔结构，可以用于氢气的吸附，当氢气进入多孔中，其uio-66-nh2的折射率将发生变化。

将采用溶剂热法制成的uio-66-nh2粉末均匀涂覆在倾斜光纤光栅上，在不同浓度氢气下，uio-66-nh2膜的折射率会不同。

由于聚二甲基硅氧烷(pdms)弹性体有着优良的弹性性能和良好的粘附性等优点，且受热易膨胀，无毒、不易燃，因此在光纤传感领域是一种很有前景的材料。

倾斜光纤光栅(tfbg)的特殊结构导致了多种复杂的模式耦合的出现其中比较特殊的是纤芯模与包层模耦合，包层模的出现使得tfbg感应环境折射率变的敏感程度比普通布拉格光纤光栅更高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于uio-66-nh2的倾斜光纤光栅氢气传感器，以uio-66-nh2膜作为氢气敏感层，uio-66-nh2膜的有效折射率的改变引起的干涉图形的波长改变，来测定氢气的浓度。

本发明通过以下技术方案实现：基于uio-66-nh2的倾斜光纤光栅氢气传感器，由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，第一单模光纤(3)，倾斜光纤光栅(4)，第二单模光纤(5)，光谱仪(6)，气室(7)，uio-66-nh2膜(8)，氢气气体流量控制阀(9)，氮气气体流量控制阀(10)，氢气瓶(11)，氮气瓶(12)，pdms(13)组成，其特征在于：宽带光源(1)与偏振控制器(2)左端连接，偏振控制器(2)右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与倾斜光纤光栅(4)左端连接，倾斜光纤光栅(4)的中心波长为1548nm，涂附有pdms(13)，通过pdms(13)再附上uio-66-nh2膜(8)，uio-66-nh2膜(8)的厚度为300nm，倾斜光纤光栅(4)右端与第二单模光纤(5)，左端连接，第二单模光纤(5)右端与光谱仪(6)左端连接，气室(7)下端与氢气气体流量控制阀(9)上端和氮气气体流量控制阀(10)上端连接，氢气气体流量控制阀(9)下端与氢气瓶(11)连接，氮气气体流量控制阀(10)下端与氮气瓶(12)连接，氢气浓度发生变化时，uio-66-nh2膜(8)吸收了的氢气量也发生变化，使得uio-66-nh2膜(8)折射率发生变化，倾斜光纤光栅(4)的透射谱发生漂移，由此可以测得氢气浓度及其变化量。

所述的uio-66-nh2膜(8)的制备过程：称取4.2g(34.3mmol)苯甲酸分散于200ml的n，n-二甲基甲酰胺(dmf)中，超声2min后加入0.8g的zrcl4(3.4mmol)，使其分散完全，再加入0.6g(3.4mmol)的2-氨基对苯二甲酸，继续超声5min，把分散好的溶液转入带有聚四氟乙烯套管的水热反应釜中，120℃下恒温24h。待冷却至室温后，将混合物在4000r/min的转速下离心分离15min，用10ml的dmf和10ml的乙醇各洗涤3次，再用30ml的甲醇在70℃的条件下回流6h，离心得到的产物真空干燥10h，制备得到uio-66-nh2。

本发明的工作原理是：在光纤光栅传感器中，当环境折射率(sri)改变时，纤芯模由于不与外界接触，故纤芯模的谐振波长不会随sri的变化而发生偏移，由于包层与外界直接接触，所以第i层包层模的有效折射率(neff,clad,i)会受到sri的影响，因此各阶包层模的谐振波长第i层包层模谐振波长(λclad,i)会随着sri的变化而发生偏移。tfbg的相位匹配条件可以用以下表达式进行表示：

由于与均为零，因此上式可以化简为：

δλbragg＝0(2-3)

式中，δns表示外界环境折射率sri的变化量，λbragg表示纤芯模谐振波长，λ表示tfbg的周期，neff,core表示纤芯折射率，θ为倾斜角。

通过式(2-3)与式(2-4)可知，当sri发生变化时，纤芯模谐振波长λbragg不会发生改变，但是包层模谐振波长λclad,i会随着sri的改变而发生偏移。因此，可以通过标定外界折射率的变化与包层模波长的关系，实现折射率传感。

uio-66-nh2是以zr⁴⁺为金属离子，以2-氨基对苯二甲酸为配体制备得到的金属有机骨架材料，是目前报道中具有较高热稳定性和化学稳定性的mofs材料。在水溶液和酸性条件下稳定。高热稳定性、热分解温度大于400℃，是一种储气材料和吸附材料。uio-66-nh2的刚性结构是良好的催化剂载体，氨基官能团适合进一步衍生。

本发明的有益效果是：提出以涂附uio-66-nh2氢气敏感膜的附有pdms(13)的倾斜光纤光栅(4)用来感知氢气浓度，该结构对温度的变化较为敏感，使得该传感器对外界氢气浓度变化的灵敏度将明显增强，为氢气检测提供了一种较为简便易搭建、可靠、灵敏度高的新方法。

附图说明

图1是本发明的基于uio-66-nh2的倾斜光纤光栅氢气传感器特征装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图1，基于uio-66-nh2的倾斜光纤光栅氢气传感器，由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，第一单模光纤(3)，倾斜光纤光栅(4)，第二单模光纤(5)，光谱仪(6)，气室(7)，uio-66-nh2膜(8)，氢气气体流量控制阀(9)，氮气气体流量控制阀(10)，氢气瓶(11)，氮气瓶(12)，pdms(13)组成，其特征在于：宽带光源(1)与偏振控制器(2)左端连接，偏振控制器(2)右端与第一单模光纤(3)左端连接，第一单模光纤(3)右端与倾斜光纤光栅(4)左端连接，倾斜光纤光栅(4)的中心波长为1548nm，涂附有pdms(13)，通过pdms(13)再附上uio-66-nh2膜(8)，uio-66-nh2膜(8)的厚度为300nm，倾斜光纤光栅(4)右端与第二单模光纤(5)，左端连接，第二单模光纤(5)右端与光谱仪(6)左端连接，气室(7)下端与氢气气体流量控制阀(9)上端和氮气气体流量控制阀(10)上端连接，氢气气体流量控制阀(9)下端与氢气瓶(11)连接，氮气气体流量控制阀(10)下端与氮气瓶(12)连接，氢气浓度发生变化时，uio-66-nh2膜(8)吸收了的氢气量也发生变化，使得uio-66-nh2膜(8)折射率发生变化，倾斜光纤光栅(4)的透射谱发生漂移，由此可以测得氢气浓度及其变化量。

采用溶剂热法制成的uio-66-nh2粉末通过pdms(13)均匀的涂附在倾斜光纤光栅(4)上作为氢气敏感层。