[发明专利]基于单根高分子纳米线的光学气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，尤其是一种基于单根高分子纳米线的光学气体传感器。

背景技术

单根高分子纳米线光学气体传感器是一种新型传感器，在科研、工业、环境、医疗、军事以及食品、卫生等很多方面有广泛的应用，而且具有广阔的应用潜力和发展前景。

随着光纤制备工艺的改进，低损耗的微纳光纤已经被制备出来，并且已应用于制作微纳光子学器件，其中微光纤环形谐振腔和全光纤add-drop滤波器已经被证明。目前国际上已经实现基于单根纳米线的气体传感的主要是基于电学机理的，如单根半导体纳米线和单根高分子纳米线电学气体传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单根高分子纳米线的光学气体传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

用一根拉锥微纳光纤通过倏逝波耦合区把光输入到单根高分子纳米线的一端，用另一根拉锥微纳光纤在单根高分子纳米线的另一端也通过倏逝波耦合区把经过单根高分子纳米线传导的光输出，以形成传输光信号变化的光学气体传感器。

所述的两根拉锥微纳光纤的尖端直径均为0.1-2μm。

所述的高分子纳米线直径为50-1000nm，传感长度为10-500μm。

本发明具有的有益效果是：

本发明的单根高分子纳米线传感器是一种光学传感器，具有小型化，结构简单，响应速度快，灵敏度高和价格低廉的特点。目前可以检测5％-95％的相对湿度，ppm量级的氨气和二氧化氮，响应速度比传统薄膜传感器快1～2个数量级

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是410nm直径的聚丙烯酰胺纳米线在相对湿度75-88之间循环的响应图；检测光波长为532nm。

图3是250nm直径的樟脑磺酸化的聚苯胺/聚苯乙烯纳米线对浓度0.1-4ppm的二氧化氮响应图；检测光波长为532nm。

图4是270nm直径的溴百里香酚蓝掺杂的聚甲基丙烯酸甲脂纳米线对浓度3-28ppm的氨气响应图；检测光波长为660nm。

图中：1、拉锥的微纳光纤，2、耦合区，3、耦合区，4、单根高分子纳米线，5、拉锥的微纳光纤。

具体实施方式

如图1所示，本发明用一根拉锥微纳光纤1通过倏逝波耦合区2把光输入到单根高分子纳米线4的一端，用另一根拉锥微纳光纤5在单根高分子纳米线4的另一端也通过倏逝波耦合区3把经过单根高分子纳米线4传导的光输出，以形成传输光信号变化的光学气体传感器。

所述的两根拉锥微纳光纤的尖端直径均为0.1-2μm。

所述的高分子纳米线直径为50-1000nm，传感长度为10-500μm。

本发明制备过程如下：

(1)首先从高分子溶液里面拉伸出各种功能的高分子纳米线，然后在显微镜下对纳米线进行切断和转移等微操作，把纳米线放置在需要的衬底上，并通过微操作把纳米线放置成需要的形状；

(2)然后把放在衬底上的纳米线放入一个密封性好的容器里面。容器里面有温湿度表可以检测容器内的环境变化。容器有供气体进出的口。为便于倏逝波耦合，在容器边特殊设计的装置既能保证拉锥的微光纤耦合纳米线又能使容器密封；

(3)用高温拉伸法拉制普通单模光纤，制备出尖端直径在0.1-2μm的微光纤

(4)把两根拉锥光纤探针深入到密封容器里面，在光学显微镜下操纵微光纤，通过倏逝波耦合区把光输入和输出。

(5)设计的一套气体控制系统可以保证各种待分析的气体进出密封容器，并接触纳米线。纳米线输出的光信号有光探测器实时监测。

应用举例：

使用普通单模光纤高温拉伸法制备出尖端约100nm的微光纤，从聚丙烯酰胺的水溶液里面拉出410nm直径的纳米线。在光学显微镜下制备出长度为200μm的传感器。图1是本发明的结构原理示意图；图2是该纳米线在相对湿度75％-88％之间循环的响应图。响应时间约30ms。检测光波长为532nm。

使用普通单模光纤高温拉伸法制备出尖端约500nm的微光纤，从樟脑磺酸化的聚苯胺/聚苯乙烯的氯仿溶液里面拉出250nm直径的纳米线。在光学显微镜下制备出长度为500μm的传感器。图3是该纳米线对浓度0.1-4ppm的二氧化氮响应图。响应时间约7s。检测光波长为532nm。

使用普通单模光纤高温拉伸法制备出尖端约1500nm的微光纤，从溴百里香酚蓝掺杂的聚甲基丙烯酸甲脂的丙酮溶液里面拉出900nm直径的纳米线。在光学显微镜下制备出长度为25μm的传感器。图4是该纳米线对浓度3-28ppm的氨气响应图。检测光波长为660nm。