研究硬脂酸復(fù)合薄膜光波導(dǎo)傳感器的氣敏性

山東省壽光市維坊科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 黃長(zhǎng)永

苯乙烯是一種常見的工業(yè)原料，在常溫下，以液體形態(tài)存在，氣味芳香，無色透明，但是是 WHO和IRAC確認(rèn)的致癌有毒物質(zhì)，并是一種危害較大的空氣污染物，因此需要一種靈敏度、準(zhǔn)確度較高的元件來對(duì)這種氣體進(jìn)行有效的檢測(cè)［1］。光波導(dǎo)元件就是一種集高靈敏度、低成本等優(yōu)點(diǎn)于一身的一種便于操作與攜帶的傳感器。本文用硬脂酸復(fù)合薄膜制作光波導(dǎo)元件并對(duì)揮發(fā)性蒸汽苯乙烯進(jìn)行檢測(cè)，從而研究其靈敏度［2］。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1．1 準(zhǔn)備苯乙烯氣體

將苯乙烯氣體食量放入到一定容量的容器中，讓其自然揮發(fā)，完全揮發(fā)后測(cè)定其濃度，并與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比［3］。采用稀釋法得到不同濃度的氣體蒸汽用于單個(gè)氣體的靈敏度實(shí)驗(yàn)，按照1×10－3%（體積分?jǐn)?shù)）來進(jìn)行選擇性實(shí)驗(yàn)。

1．2 玻璃光波導(dǎo)元件的準(zhǔn)備

將顯微鏡的載玻片做為基板放入熔化了的硝酸鉀液體中，讓其發(fā)生離子交換反應(yīng)，反應(yīng)完畢后取出載玻片，在常溫下冷卻，沖洗后觀察備用。

1．3 光敏層準(zhǔn)備

利用勻膠機(jī)把制備好的溶液（用無水乙醇溶解0．245g的硬脂酸粉末，用進(jìn)行磁力攪拌過濾）固定于上一步中制備的玻璃光波導(dǎo)元件表面，最后放入干燥器中干燥備用。

1．4 氣體檢測(cè)

1．4．1 氣體檢測(cè)系統(tǒng)組成

詳細(xì)的檢測(cè)系統(tǒng)如圖一所示

圖一 （A）光波導(dǎo)元件檢測(cè)系統(tǒng)

（B）原件中導(dǎo)波光的傳播

整個(gè)系統(tǒng)是由光波導(dǎo)元件、光電倍增管、記錄儀、空氣（作為被檢測(cè)氣體的載氣）、流量計(jì)、光源、流動(dòng)池、反射鏡以及光源等部分組成。具體構(gòu)成見圖一中的（A）。

1．4．2 檢測(cè)流程

使用棱鏡耦合法激勵(lì)導(dǎo)波光→用記錄儀記錄光電倍增管檢測(cè)到的并輸入電腦的數(shù)據(jù)→激光通過棱鏡進(jìn)入光波導(dǎo)發(fā)生內(nèi)反射→產(chǎn)生倏逝波沉頭到硬脂酸復(fù)合薄膜，詳見圖一（B）。

2 結(jié)果與討論

2．1 相關(guān)公式

2．1．1 透射率與折射率的關(guān)系

2．1．2 靈敏度與表面折射率的關(guān)系

2．2 計(jì)算

把2．1．1與2．1．2的公式結(jié)合起來，經(jīng)過計(jì)算可得，表面靈敏度與敏感膜的透射率是成反比的。這個(gè)結(jié)果可以指導(dǎo)光波導(dǎo)元件的開發(fā)。

2．3 靈敏度檢測(cè)結(jié)果

對(duì)不同濃度的苯乙烯使用所制備的元件進(jìn)行測(cè)定，獲得的結(jié)果如圖二所示。

從圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所制備的光波導(dǎo)傳感器對(duì)苯乙烯氣體的靈敏度非常高，可以監(jiān)測(cè)到1×10－7%（體積分?jǐn)?shù)）。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)成功地證實(shí)了：以硬脂酸復(fù)合薄膜制備的光波導(dǎo)元件能夠成功的檢測(cè)到體積分?jǐn)?shù)為1×10－7%的苯乙烯蒸汽。而且使用硬脂酸復(fù)合薄膜制備的光波導(dǎo)元件具有以下的優(yōu)點(diǎn)：制備簡(jiǎn)單，成本低［4］。體積較小，便于攜帶。對(duì)氣體的靈敏度較高，檢測(cè)較準(zhǔn)確［5］。能夠檢測(cè)多種氣體，可以廣泛應(yīng)用［6］。應(yīng)運(yùn)而生，能夠解決當(dāng)前空氣污染的檢測(cè)問題［7］。

在目前空氣污染嚴(yán)重的局勢(shì)下，使用硬脂酸復(fù)合薄膜制備的光波導(dǎo)元件能夠很好的檢測(cè)空氣中的有害氣體，對(duì)防治空氣污染具有非常好的價(jià)值，而且擁有光明的開發(fā)前景，值得我們研究開發(fā)［8］。

［1］秦宏兵，顧海東，尹燕敏．吹掃捕集氣相色譜質(zhì)譜法測(cè)定土壤中揮發(fā)性有機(jī)［J］．中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2009．25（4）：39一II．

［2］杜振輝，翟雅瓊，李金義等．空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的光譜學(xué)在線監(jiān)淵技術(shù)［J］．光譜學(xué)與光譜分析．29（12）：3199—3203．

［3］張?jiān)巛W，謝長(zhǎng)生，李登峰等．基于納米ZnO氣體傳感器陣列的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的識(shí)別研究［J］傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（3）：552－554．

［4］彭夫敏，謝品華，邵士勇等．差分吸收光譜法對(duì)大氣中揮發(fā)性有機(jī)物光化學(xué)作用指示劑的監(jiān)測(cè)與反演［J］．光譜學(xué)與光譜分析．2008，28（3）：507—511．

［5］張皓，張成立．用于氣體傳感器的多孔硅的制備方法研究［J］．化學(xué)通報(bào)．2010．73（6）：568—572．

［6］熱扎克－卡地爾，海日沙·阿布萊提，阿布力孜·伊米提等．MB／PVP薄膜光波導(dǎo)傳感元件對(duì)甲醛的氣敏性研究［J］傳感技術(shù)學(xué)報(bào)．2009．22《9）：1239—1242．

［7］麥麥提依明·馬合木提，阿達(dá)來提·阿不都熱合曼，阿布力孜·伊米提等．摻雜三乙醇胺銅配合物的PVA復(fù)合薄膜／K＋交換玻璃光波導(dǎo)器件檢測(cè)SO2氣體［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)．2008，21（10）：1665－1668．

［8］陳凱，吳文鵬，郟順鏇．ZnO／TiO：多層薄膜氨氣敏光學(xué)特性研究［J］．激光技術(shù)．2001，25（3）：209—213．