基于聚合物的倾斜光纤光栅pH检测技术研究

论文摘要

pH值是衡量溶液酸碱度的一个重要指标,是影响物理、化学和生物反应的关键因素,pH值的检测在医疗、气象环保、养殖业和种植业等领域都具有重要的意义。特别是医学方面,由于人体的不同体液存在不同的pH值,所以在医学上常用pH来表示体液的酸碱性。传统测量pH值的工具是pH计、pH试纸、pH指示剂等,这些方法操作简单,成本低廉,但这些定性测量有其一定的局限性。另一方面,光纤光栅由于抗电磁干扰性、灵敏性等优势正逐渐成为物理传感领域的主要检测工具。因此,本文针对pH值检测的需求,结合光纤光栅传感技术的优势,提出并设计出基于聚合物包覆的倾斜光纤光栅pH传感器。本文主要工作简单介绍如下:首先,论文介绍了光纤传感器的主要类别,性能优点和发展历史与前景,并针对倾斜光纤光栅的制备工艺、性能优点、光谱特性以及应用领域等方面进行了介绍,本文着重利用其光谱特性来进行实验探究。其次,通过对聚合物水凝胶溶胀性和对聚乙烯亚胺/聚丙烯酸(PEI/PAA)多层膜的特性研究,利用层层自组装技术在TFBG基底上沉积传感膜,探究传感膜对TFBG的折射率和光谱的影响,并制成传感器实现对pH的检测。此外还利用聚苯胺的颜色在不同酸碱度环境中的可逆反应,将其在TFBG基底上进行涂敷,探究其对TFBG的折射率和光谱的影响,并制成传感器来检测pH。通过对以上两种pH传感器的实验探究及数据的处理分析,可以看到,随着pH值的增大,光谱倾角不断蓝移,同时光谱的纵向宽度逐渐变大。并且我们从实验数据可以得出:基于PEI/PAA多层膜的pH传感器的检测灵敏度为137 pm/pH;基于聚苯胺单层膜的pH传感器的检测灵敏度为91 pm/pH。最后,在PEI/PAA多层传感膜结构的最外层涂敷GOD制成葡萄糖生物传感器,使其与不同浓度的葡萄糖溶液进行反应,记录每次反应的光栅光谱,并比较它们的变化。从实验结果可以看到,将不同浓度的葡萄糖溶液分别通入葡萄糖生物传感器后,光谱倾角发生红移,并且随着葡萄糖溶液浓度的增大,光谱倾角的红移程度也变大,这是因为浓度大的葡萄糖溶液与GOD反应后更大程度地改变了原始溶液的pH,这与上述pH传感器的检测结果相一致,从而达到了利用倾斜光纤光栅检测糖分子的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 光纤传感器
•     1.1.1 光纤布拉格光栅
•     1.1.2 倾斜光纤光栅
•   1.2 聚合物水凝胶材料介绍
•   1.3 pH传感技术
•   1.4 葡萄糖传感器简介
•   1.5 论文的主要研究内容
•   1.6 本章小结
• 2 倾斜光纤光栅
•   2.1 倾斜光纤光栅的基本理论
•     2.1.1 倾斜光纤光栅的工作原理
•     2.1.2 倾斜光纤光栅的光谱特性
•   2.2 本章小结
• 3 聚合物多层膜的制备和特性
•   3.1 聚合物传感特性
•     3.1.1 PEI与 PAA结合的特性介绍
•     3.1.2 聚苯胺的特性介绍
•   3.2 层层自组装（layer-by-layer self-assembly,LBL）技术
•   3.3 膜的制备与检测
•     3.3.1 实验仪器介绍
•     3.3.2 膜制备与检测所需的材料
•     3.3.3 膜制备步骤
•     3.3.4 膜的检测与光谱特性
•   3.4 本章小结
• 4 TFBG传感器对pH和糖分子的检测
•   4.1 倾斜光纤光栅pH传感器的设计
•   4.2 倾斜光纤光栅pH传感器对pH值的响应
•   4.3 倾斜光纤光栅糖分子检测技术
•     4.3.1 基于TFBG的葡萄糖传感器工作原理
•     4.3.2 制备基于TFBG的葡萄糖传感器的仪器与材料
•     4.3.3 基于TFBG的葡萄糖传感器的制备和性能测试
•     4.3.4 实验结果分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 高佳文

导师: 张扬

关键词: 光纤传感,倾斜光纤光栅,聚苯胺,值检测,葡萄糖检测

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 大连理工大学

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002113

总页数: 69

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