特异性检测铜离子的干涉型微纳光纤传感器及其制备方法

1.本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种特异性检测铜离子的干涉型微纳光纤传感器及其制备方法。


背景技术：

2.铜是环境中毒性较大的重金属元素之一，环境中的铜，特别是水中的铜，会通过水生食物链富集、放大，最终进入人体，对人类健康构成极大威胁。人在饮用了含有超标的铜离子(cu
2
)水后会出现胃肠道中毒现象，严重的会导致肝肾损伤。因此，开发一种廉价、稳定、环保的传感器来检测水溶液中cu
2
浓度超标，对生态、医疗监测等诸多领域具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明针对上述问题提供了特异性检测铜离子的干涉型微纳光纤传感器及其制备方法。
4.为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
5.特异性检测铜离子的干涉型微纳光纤传感器，由微纳光纤和位于微纳光纤上的功能层组成，所述微纳光纤由双包层光纤拉锥获得，包括中部的束腰均匀区、束腰均匀区两侧的过渡区以及连接在过渡区外端的正常区，在所述束腰均匀区上包裹有功能层，所述功能层为特异性识别铜离子的材料层。
6.进一步，所述过渡区的长度为4mm，所述束腰均匀区的长度为12mm，直径为12μm。
7.干涉型微纳光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1，将一段长度为2-3cm的双包层光纤去除涂覆层，再固定在光纤夹具上，采用熔融拉锥方法制得微纳光纤；
9.步骤2，将功能层修饰到微纳光纤的束腰均匀区。
10.进一步，所述步骤1中采用熔融拉锥方法制得微纳光纤的具体步骤为：首先通过氢氧或者丁烷火焰对双包层光纤中间位置加热5s左右，然后通过移动位移平台进行均匀的拉锥，制得微纳光纤。
11.再进一步，所述步骤2，将功能层修饰到微纳光纤的束腰均匀区，具体包括以下步骤：
12.步骤2.1，称取1.1069g氨丙基三乙氧基硅烷和0.4804g 2-咪唑甲醛以5ml的无水乙醇作为溶剂在60℃水浴2h，获得均匀储备溶液；
13.步骤2.2，将5g聚乙烯醇解于100ml去离子水中，得到5％的聚乙烯醇溶液；
14.步骤2.3，将步骤2.1中的均匀储备溶液与5％的聚乙烯醇水溶液按体积比1:5，在60℃下水浴2h混合，得到的混合溶液放置12h充分反应后等待使用；
15.步骤2.4，微纳光纤浸泡混合溶液中5s，取出浸泡过的微纳光纤，使用去离子水冲洗未反应的杂质，室温干燥10min，得到微纳光纤传感器。
16.与现有技术相比本发明具有以下优点：
17.1、本发明将微纳光纤和“功能化材料”相结合，将微纳光纤小型化、低成本、高灵敏度、不受电磁干扰的优势与功能化材料的高比表面积、特异性、良好生物相容性等优势有机结合在一起，通过监控铜离子与功能化材料特异性螯合情况下光谱的漂移量，为实现廉价、稳定、环保的铜离子传感器提供了新思路；
18.2、本发明将功能化材料采用简易蘸涂法修饰到微纳光纤上，构建一种稳定的新型传感界面，可实现安全简便和特异性地铜离子检测；
19.3、本发明基于干涉型微纳光纤传感器实现检测铜离子，具有操作简单、成本较低、抗干扰能力强及波长准确调制等的优点，能够保证稳定并准确的检测过程。
附图说明
20.图1为本发明的使用示意图；
21.图2为本发明的结构示意图；
22.图3为本发明实施例中传感器光谱及波长漂移图；
23.图4为本发明实施例中传感器的特异性结果图；
24.图5为本发明实施例中传感器的稳定性结果图；
25.图6为本发明实施例中3d打印检测装置的结构示意图；
26.图中，宽带光源—1、微纳光纤—2、功能层—3、光谱仪—4、束腰均匀区—201、过渡区—202、正常区—203。
具体实施方式
27.为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
28.特异性检测铜离子的干涉型微纳光纤传感器，由微纳光纤和位于微纳光纤上的功能层组成，所述微纳光纤由双包层光纤拉锥获得，包括中部的束腰均匀区、束腰均匀区两侧的过渡区以及连接在过渡区外端的正常区，在所述束腰均匀区上包裹有功能层，所述功能层为特异性识别铜离子的材料层。所述过渡区的长度为4mm，所述束腰均匀区的长度为12mm，直径为12μm。
29.干涉型微纳光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
30.步骤1，将一段长度为2-3cm的双包层光纤去除涂覆层，再固定在光纤夹具上，采用熔融拉锥方法制得微纳光纤，具体步骤为：首先通过氢氧或者丁烷火焰对双包层光纤中间位置加热5s左右，然后通过移动位移平台进行均匀的拉锥，制得微纳光纤；
31.步骤2，将功能层修饰到微纳光纤的束腰均匀区，具体包括以下步骤：
32.步骤2.1，称取1.1069g氨丙基三乙氧基硅烷和0.4804g 2-咪唑甲醛以5ml的无水乙醇作为溶剂在60℃水浴2h，获得均匀储备溶液；
33.步骤2.2，将5g聚乙烯醇解于100ml去离子水中，得到5％的聚乙烯醇溶液；
34.步骤2.3，将步骤2.1中的均匀储备溶液与5％的聚乙烯醇水溶液按体积比1:5，在60℃下水浴2h混合，得到的混合溶液放置12h充分反应后等待使用；
35.步骤2.4，微纳光纤浸泡混合溶液中5s，取出浸泡过的微纳光纤，使用去离子水冲洗未反应的杂质，室温干燥10min，得到微纳光纤传感器。
36.干涉型微纳光纤传感器的使用方法，
37.将干涉型微纳光纤传感器放置于自制的3d打印检测装置进行检测，如图6所示，该装置上设置有用于盛放被检测液体和放置微纳光纤束腰均匀区的中部凹槽，长度为5cm，宽度为5mm，深度为2mm，在中部凹槽的两端连通设置有端部凹槽，长度为2.5cm，宽度为2mm，深度为1mm。
38.本发明中特异性实现方法：
39.聚乙烯醇是一种水溶性高分子材料，具有附着力强、透气性好、无毒、环保等特点，能够与光纤连接；氨丙基三乙氧基硅烷作为聚乙烯醇和2-咪唑甲醛之间的桥梁，2-咪唑甲醛修饰到光纤表面，与铜离子具有螯合作用，实现特异性结合，其响应可以通过光谱仪观测到波长漂移，图3中观测浓度范围100nmol/l到1000nmol/l铜离子结合的光谱，得到检测极限为5.755
×
108mol/l。图4和图5分别为传感器的特异性和稳定性结果，其中非特异性离子溶液为cd
2
、ni
2
、ca
2
、fe
3
、na

、al
3
和mn
2
溶液，可以明显得到传感器对铜离子具有较强特异性响应。把传感器浸泡在不同浓度1.0、2.0、4.0、6.0、8.0和10
×
107mol/l的铜离子溶液中，每隔5min记录光谱数据，持续一个小时响应时间，可看出传感器稳定性良好。
40.以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
41.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。