一种基于荧光碳点的pH光纤传感系统及方法

一种基于荧光碳点的ph光纤传感系统及方法
技术领域
1.本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于荧光碳点的ph光纤传感系统及方法。


背景技术：

2.众所周知，ph值是体现溶液酸碱性的重要参数，可表示溶液中氢离子的浓度。在生产和日常生活中的许多重要过程，例如农作物的生长、化学反应和人体的生理活动等，都与ph值的变化密切相关。
3.目前报道的ph检测方法仍然存在一些缺点。传统ph值的测量是通过指示剂法(酚酞，甲基橙和石蕊等)和电化学法实现的。但前者通常需要复杂的检测过程和较长的反应时间。尽管 ph试纸广泛用于快速估计ph值，但结果的准确性和可靠性很差，只能定性检测。基于电化学的ph计虽然使用范围最广且操作简单，但是需要频繁的校准，且电极内阻和电阻温度系数较高。同时，难以实现远程和在线测量。核磁共振法(nmr)所需仪器体积较为庞大，操作复杂，也难以进行实时在线检测。


技术实现要素：

4.针对现有ph检测技术存在的上述问题，本发明提供一种基于荧光碳点的ph光纤传感系统及方法，通过荧光碳点的ph光纤传感探头，紫外光源，y型光纤耦合器和光谱仪构成传感系统，进行待检测水样的ph检测。该系统检测所需时间短，操作简便，能够实现狭窄水样环境的ph 实时在线检测。
5.本发明的技术方案之一为，一种基于荧光碳点的ph光纤传感探头，其特征在于包括锥形光纤， ph敏感荧光碳点，pegda和2-羟基-2-甲基苯丙酮形成的水凝胶；其中锥形光纤使用纤芯/包层直径为105μm/125μm的多模光纤制作；pegda的数均分子量为700。
6.其中，所述的ph敏感荧光碳点，其制作方法包括如下步骤：
7.1)将0.5g柠檬酸、500μl二乙烯三胺、0.2g还原型谷胱甘肽和0.1g尿素添加到50ml锥形瓶中，并通过超声处理10分钟使其溶解分散于40ml超纯水中；
8.2)将混合均匀的溶液倒入50ml聚四氟乙烯内衬水热反应釜中；将反应釜拧紧放置在鼓风干燥箱中，180℃下连续加热8个小时；
9.3)加热结束待反应釜冷却至室温，打开以获得黄色的透明液体；液体经0.22μm的水系滤膜过滤后，用分子截留量为500的透析膜在超纯水中透析纯化48个小时，得到ph敏感荧光碳点溶液；
10.4)将纯化后的ph敏感荧光碳点溶液在65℃的真空干燥中烘干，得到了干燥的ph敏感荧光碳点。
11.所述的基于荧光碳点的ph光纤传感探头，其制作方法包括如下步骤：
12.1)将一定量的ph敏感荧光碳点溶解在含有38％(w/v)pegda和1.8％(w/v)2-羟基-2-甲基苯丙酮的溶液中，使ph敏感荧光碳点的浓度为1.44
×
10-2％，获得包含ph敏感荧光
碳点的水凝胶溶液；
13.2)将锥形光纤的端头插入制备好的ph敏感荧光碳点水凝胶溶液，而光纤的另一端连接到紫外光源；紫外光在纤芯中全反射传播，到达锥形端头并传输到外部溶液；
14.3)紫外光照射数秒后，含有ph敏感荧光碳点的水凝胶溶液可以涂覆在纤维尖端的表面上，形成基于荧光碳点的ph光纤传感探头。
15.本发明的技术方案之二为，一种基于荧光碳点的ph光纤传感系统，其特征在于包括基于荧光碳点的ph光纤传感探头，紫外光源，y型光纤耦合器和光谱仪；其中紫外光源采用375nm激光光源；y型光纤耦合器的分光比为50:50；
16.紫外光源连接在y型光纤耦合器的一个分光端，光谱仪连接在y型光纤耦合器的另一个分光端，基于荧光碳点的ph光纤传感探头连接在y型光纤耦合器的耦合端。
17.本发明的技术方案之三为，
18.一种基于荧光碳点的ph光纤传感方法，其特征在于，采用权利要求5所述的基于荧光碳点的 ph光纤传感系统，按以下步骤进行：
19.1)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制不同ph的酸性标准溶液，标准溶液的ph在2.00～3.92之间；
20.2)开启紫外光源和光谱仪，至光强稳定；
21.3)以水为参比溶液，将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到不同ph的酸性标准溶液中， 10s后，在493nm波长下测得各标准溶液的荧光强度i；ph为2.00时，在493nm波长下测得的荧光强度为i01，以ph值为横坐标，(i-i01)/i01为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y＝ax+b，其中y为(i-i01)/i01，x为ph标准溶液ph值。
22.4)将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到待检测水样中，10s后，在493nm波长下测得待检测溶液的荧光强度，将该荧光强度数值代入标准曲线方程，得到待检测水样的ph。本发明的技术方案之四为，
23.一种基于荧光碳点的ph光纤传感方法，其特征在于，采用权利要求5所述的基于荧光碳点的 ph光纤传感系统，按以下步骤进行：
24.1)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制不同ph的碱性标准溶液，标准溶液的ph在8.00～13.02之间；
25.2)开启紫外光源和光谱仪，至光强稳定；
26.3)以水为参比溶液，将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到不同ph的碱性标准溶液中， 10s后，在489nm波长下测得各标准溶液的荧光强度i；ph为8.00时，在489nm波长下测得的荧光强度为i02，以ph值为横坐标，(i-i02)/i02为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y＝ax+b，其中y为(i-i02)/i02，x为ph标准溶液ph值。
27.4)将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到待检测水样中，10s后，在489nm波长下测得待检测溶液的荧光强度，将该荧光强度数值代入标准曲线方程，得到待检测水样的ph。
28.与现有技术相比，本发明的优势在于：
29.1、本发明采用基于荧光碳点的ph光纤传感探头，传感结构体积微小，传感探头直径范围在 125μm～450μm，能够实现狭窄环境水样的ph检测；
30.2、本发明提出的碳点包覆方法，无需任何模具，只需数秒，即可完成光纤传感探头
的组装；
31.3、本发明提出的荧光碳点的ph光纤传感系统，响应时间短，能够实时在线检测环境水样的 ph变化情况；
附图说明
32.图1、本发明基于荧光碳点的ph光纤传感探头示意图；
33.图2、本发明基于荧光碳点的ph光纤传感系统示意图；
34.图3、本发明基于荧光碳点的ph光纤传感探头制作过程图。
35.其中，1、基于荧光碳点的ph光纤传感探头，2、锥形光纤，3、含有ph敏感荧光碳点的pegda 水凝胶薄膜，4、y型光纤耦合器，5、y型光纤耦合器耦合端，6、y型光纤耦合器分光端1， 7、y型光纤耦合器分光端2，8、紫外光源，9、光谱仪。
具体实施方式
36.y型光纤耦合器型号为suh105/125，购买自深圳市新进光通讯有限公司。
37.紫外光源为375nm激光光源，购买自上海斐波光电科技有限公司。
38.光谱仪型号为qepro，购买自ocean optics公司。
39.实施例1
40.一种基于荧光碳点的ph光纤传感探头，如图1所示，包括锥形光纤2，包含ph敏感荧光碳点的pegda水凝胶薄膜3；其中锥形光纤使用纤芯/包层直径为105μm/125μm的多模光纤制作；pegda的数均分子量为700。
41.其中，所述的ph敏感荧光碳点，其制作方法包括如下步骤：
42.1)将0.5g柠檬酸、500μl二乙烯三胺、0.2g还原型谷胱甘肽和0.1g尿素添加到50ml锥形瓶中，并通过超声处理10分钟使其溶解分散于40ml超纯水中；
43.2)将混合均匀的溶液倒入50ml聚四氟乙烯内衬水热反应釜中；将反应釜拧紧放置在鼓风干燥箱中，180℃下连续加热8个小时；
44.3)加热结束待反应釜冷却至室温，打开以获得黄色的透明液体；液体经0.22μm的水系滤膜过滤后，用分子截留量为500的透析膜在超纯水中透析纯化48个小时，得到ph敏感荧光碳点溶液；
45.4)将纯化后的ph敏感荧光碳点溶液在65℃的真空干燥中烘干，得到了干燥的ph敏感荧光碳点。
46.所述的基于荧光碳点的ph光纤传感探头，其制作方法包括如下步骤：
47.1)将一定量的ph敏感荧光碳点溶解在含有38％(w/v)pegda和1.8％(w/v)2-羟基-2-甲基苯丙酮的溶液中，使ph敏感荧光碳点的浓度为1.44
×
10-2％，获得包含ph敏感荧光碳点的水凝胶溶液；
48.2)将锥形光纤的端头插入制备好的ph敏感荧光碳点水凝胶溶液，而光纤的另一端连接到 365nm led紫外光源，工作电流为0.15a；紫外光在纤芯中全反射传播，到达锥形端头并传输到外部溶液；
49.3)紫外光照射10s后，含有ph敏感荧光碳点的水凝胶溶液可以涂覆在纤维尖端的表面上，形成基于荧光碳点的ph光纤传感探头。
50.将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入待检测水样后，ph敏感荧光碳点会根据水样ph的变化改变测得的荧光强度；因此，可将该基于荧光碳点的ph光纤传感探头用于检测待检测水样 ph。
51.实施例2
52.一种基于荧光碳点的ph光纤传感系统，如图2所示，包括基于荧光碳点的ph光纤传感探头 1，紫外光源8，y型光纤耦合器4和光谱仪9；其中紫外光源采用375nm激光光源；光谱仪采用海洋光学光谱仪；y型光纤耦合器的分光比为50:50；
53.紫外光源8连接在y型光纤耦合器4的一个分光端6，光谱仪连接在y型光纤耦合器的另一个分光端7，基于荧光碳点的ph光纤传感探头1连接在y型光纤耦合器的耦合端5。
54.实施例3
55.利用实施例2的基于荧光碳点的ph光纤传感方法，按以下步骤进行：
56.1)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制不同ph的酸性标准溶液，标准溶液的ph在2.00～3.92之间，分别为2.00，2.36，2.66，3.20，3.37，3.92；
57.2)开启紫外光源和光谱仪，至光强稳定；
58.3)以水为参比溶液，将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到不同ph的标准溶液中，10s 后，测得各标准溶液的荧光强度i；ph为2.00时测得的荧光强度为i01，以ph值为横坐标， (i-i01)/i01为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y＝ax+b，其中y为(i-i01)/i01，x 为ph标准溶液ph值。
59.4)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制ph为2.96和3.22 的待检测水样溶液。将基于荧光碳点的ph光纤传感反复插入ph＝2.96和ph＝3.22的溶液中，荧光强度会随之发生明显变化；将其荧光强度带入标准曲线方程，可以得到待检测水样溶液的ph分别为2.96和3.22；使用ph计检测待检测的水样，获得结果与上述方式相符。
60.综上说明本系统及方法可以实现实时在线待检测水样的ph。
61.实施例4
62.利用实施例2的基于荧光碳点的ph光纤传感方法，按以下步骤进行：
63.1)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制不同ph的碱性标准溶液，标准溶液的ph在8.00～13.02之间，分别为8.00，9.12，9.87，11.14，12.15，13.02；
64.2)开启紫外光源和光谱仪，至光强稳定；
65.3)以水为参比溶液，将基于荧光碳点的ph光纤传感探头插入到不同ph的标准溶液中，10s 后，测得各标准溶液的荧光强度i；ph为8.00时测得的荧光强度为i02，以ph值为横坐标， (i-i02)/i02为纵坐标，绘制标准曲线，形成标准曲线方程有y＝ax+b，其中y为(i-i02)/i02，x 为ph标准溶液ph值。
66.4)使用hno3(1mol/l)和naoh(1mol/l)及其逐步稀释的溶液分别配制ph为8.00和13.00 的待检测水样溶液。将基于荧光碳点的ph光纤传感反复插入ph＝8.00和ph＝13.00的溶液中，荧光强度会随之发生明显变化；将其荧光强度带入标准曲线方程，可以得到待检测水样溶液的ph分别为8.00和13.00；使用ph计检测待检测的水样，获得结果与上述方式相符。