新型荧光微结构光纤二氧化碳传感器

The measurement of carbon dioxide (CO2) level is of great significance in fields such as agricultural production, health care, environmental protection. Especially in recent years, the increase in concentration of carbon dioxide causes global warming, namely the greenhouse effect, resulting in the destruction of the Earth's environment. It further increases the importance of monitoring the concentration of carbon dioxide. The project will prepare a new type of fluorescent fiber-optic carbon dioxide sensor based on microstructured polymer optical fiber. This sensor uses the microstructured optical fiber with hundreds of holes as the substrate, uses a highly sensitive fluorescent indicator or joint-indicator method, and uses solid or ionic liquid as the sensing film. The inner surfaces of microstructured optical fiber channels are modified with highly sensitive carbon dioxide chemical sensing film, resulting in the microchannels of the optical fiber being both gas flow chambers and gas detection channels. This unique structure makes the sensor have hundreds of sensing channels, which greatly increases the surface area of the sensing film on the premise of small volume of the sensor. Therefore, compared with conventional fiber-optic chemical sensor, this sensor will have higher sensitivity. Moreover, the sensor can implement micro-measurement of carbon dioxide due to the very small volume of the sensing channels. The fluorescent microstructured optical fiber sensor with small volume, high sensitivity, flexibility and convenience, which is proposed in this project, will have great significance for measurement of carbon dioxide.

二氧化碳含量的测量对于农业生产、医疗卫生、环境保护等领域都有着重要的意义。尤其是近年来二氧化碳浓度的增加导致全球气候变暖，即温室效应，造成地球环境的破坏，更增加了二氧化碳浓度监测的重要性。本项目将制备一种新型的以微结构聚合物光纤为基础的荧光光纤二氧化碳传感器，这种传感器以数百孔的微结构光纤为基材，采用高灵敏的荧光指示剂或联合指示剂法，以固体或离子液体为敏感膜，在微结构光纤的通道内表面修饰高敏感的二氧化碳化学传感膜，使光纤的微通道既是气体的流通室，又是气体的检测通道。这种独特的结构使传感器同时具有数百个传感通道，在体积较小的前提下极大地增加了传感膜的表面积。因此，相比于传统光纤化学传感器，此传感器将具有更高的灵敏度。而且，由于传感通道体积很小，所以此传感器可以实现二氧化碳的微量测量。本项目提出的这种小体积、高灵敏、灵活方便的微结构荧光光纤传感器对二氧化碳的测量将具有重要意义。

二氧化碳既是地球上分布最广、储量最丰富的碳资源之一，也是产生温室效应，造成地球环境破坏的主要气体，同时，二氧化碳浓度的增加，还会促使海洋碳酸化，杀死大量微生物。因此，二氧化碳含量的测量对于农业生产、医疗卫生、环境保护等领域都有着重要的意义。. 本项目对二氧化碳传感器的荧光指示剂、传感膜和光学系统分别进行了研究，设计了一种微结构光波导荧光二氧化碳传感器。在微结构光波导内部修饰传感膜，气体在孔道内流通并与指示剂相作用，采用高灵敏的荧光离子对型指示剂，通过测定荧光强度的变化，实现对二氧化碳浓度的测定。传感器具有小体积、大传感面积的特点。本项目首先成功地制备了荧光型离子，即将荧光试剂8-羟基-1,3,6-三磺酸芘钠盐（HTPS）与季胺碱四辛基溴化铵（TOA+Br−）相结合，形成离子对。再通过膜材料对离子对进行包埋，制备了二氧化碳传感膜；通过改变不同浓度的试剂配比，获得最佳制备条件。有“绿色”液体之称的离子液体，因其具有零蒸气压，高热稳定性的特点，且二氧化碳在疏水的离子液体中有较好的溶解性能，因此被列为传感膜的研究对象。试验发现，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐可作为二氧化碳的离子液体传感膜材料。首先在微结构光波导内部通道修饰溶胶凝胶层，再利用溶胶凝胶层固定分子筛原粉，而后利用分子筛原粉的吸附能力吸附疏水性离子液体传感膜，成功制备了离子液体型传感膜。该方法解决了传感物质不易溶于离子液体和离子液体传感膜不易修饰于光波导内部通道上的问题。通过在微结构光波导内部修饰传感膜，设计具有20度夹角的光传导结构，制备了光化学二氧化碳传感器，经过优化，该传感器从氮气到二氧化碳的t90响应时间大约为12 s，响应较快。从纯二氧化碳到纯氮气的t90响应时间大约为93s。动力学研究表明，传感器所测定的信号比较稳定，重复性较好。对二氧化碳浓度在0-10%范围内，存在一定的线性关系。