[发明专利]PCF-LPG甲烷检测装置及传感器制作方法

权利要求书

1.一种PCF-LPG甲烷检测装置，其特征在于：

包括不锈钢气室，所述不锈钢气室上设置有进气口、出气口、前光纤入口、后光纤入口、以及用于密封气室的密封盖，所述密封盖上设置有真空压力表；

还包括与不锈钢气室的进气口连接的第一气阀和质量流量控制器，与不锈钢气室的出气口连接的第二气阀和真空泵；

还包括设置在不锈钢气室内的PCF-LPG甲烷传感器和光纤连接器；

还包括宽带光源；

还包括第一单模光纤，第一单模光纤的一端与宽带光源连接，第一单模光纤的另一端经前光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的一端连接；

还包括光谱分析仪和与光谱分析仪连接的计算机；

还包括第二单模光纤，第二单模光纤的一端与光谱分析仪连接，第二单模光纤的另一端经后光纤入口进入不锈钢气室、并通过光纤连接器与PCF-LPG甲烷传感器的另一端连接；

还包括设置在前光纤入口和后光纤入口的端部上用于密封单模光纤与光纤入口之间间隙的含O型密封圈的螺母；

所述PCF-LPG甲烷传感器结构包括纤芯、实心包层、包层空气孔、长周期光栅、以及对甲烷气体敏感的薄膜，所述包层空气孔沿光纤轴向延伸且围绕纤芯呈正六边形排列，对甲烷气体敏感的薄膜附着在空气孔内壁，所述对甲烷气体敏感的薄膜包括含氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管的静电自组装薄膜和附着在静电自组装薄膜上的笼形分子A-6Me薄膜。

2.一种PCF-LPG甲烷传感器制作方法，其特征在于：

(1)依次采用蒸馏水、无水乙醇、丙酮对刻有长周期光栅的光子晶体光纤的包层空气孔的孔壁进行脱脂清洁，将清洗后的PCF-LPG放入真空干燥箱中，在60℃条件下干燥20min；

(2)将浓盐酸与甲醇按照1:1的体积比配制成混合溶液，同时将混合溶液注入到PCF-LPG的包层空气孔内并保持3小时，对包层空气孔内壁进行表面处理使其带正电；

(3)以去离子水为介质，配制浓度为0.02mL/L的聚丙烯酸水溶液4mL，聚丙烯酸为PAA；

(4)以去离子水为介质，配制浓度为2mg/mL的聚丙烯胺盐酸盐水溶液4mL，聚丙烯胺盐酸盐为PAH；

(5)制备氨基化二氧化硅包覆碳纳米管

I、称取0.5g羟基化单壁碳纳米管，羟基化单壁碳纳米管即Short-SWNTs-OH，所称取的羟基化单壁碳纳米管的长度为1-3μm，外径为1-2nm，将称取的羟基化单壁碳纳米管溶于200mL乙醇和40mL水组成的溶液中，超声分散100min，再加入20mL浓氨水；

II、取1.5g正硅酸四乙酯溶于20mL乙醇中，所述正硅酸四乙酯即TEOS，在超声的同时将TEOS溶液滴加于Short-SWNTs-OH的乙醇与水的混合液中，在20min内滴加完毕；

III、超声100min后，在室温下磁力搅拌18h；

IV、将2g 3-氨基丙基三甲氧基硅烷溶解于4mL乙醇与乙酸的体积比为1:1的混合溶液中，并将该混合溶液加入到经步骤III处理的溶液中，然后再磁力搅拌6h；所述3-氨基丙基三甲氧基硅烷即A-1110；

V、将步骤IV得到的产物用有机滤膜抽滤5-6次，每次抽滤加水15mL，并将抽滤所得固态产物在70℃真空条件下干燥2h即得氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管，所述氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管即SWNTs-SiO₂-NH₂；

(6)以乙醇与水的体积比为500:1的混合溶液为介质，配制浓度为0.5mg/mL的氨基化二氧化硅包覆单壁碳纳米管乙醇/水溶液4mL，通过超声波分散器对碳纳米管进行30分钟分散以形成均匀的分散液；

(7)制备含SWNTs-SiO₂-NH₂的静电自组装薄膜

a、将PAA溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，PAA在静电作用下附着在带正电的包层空气孔孔壁上，形成PAA膜；

b、用蒸馏水对包层空气孔进行清洗，去掉残余的PAA，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔；

c、再将PAH水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，水溶液中的PAH带正电，通过静电作用使PAH附着在带负电PAA膜上，形成静电自组装薄膜；

d、重复步骤a-c，直至获得所需厚度的PAA/PAH静电自组装薄膜；

e、重复步骤a、b；

f、将超声波分散的SWNTs-SiO₂-NH₂的乙醇/水溶液压入PCF-LPG的包层空气孔内，溶液中的SWNTs-SiO₂-NH₂带正电，通过静电作用使其附着在带负电PAA膜上，用乙醇对包层空气孔进行清洗，去掉残余的SWNTs-SiO₂-NH₂，并用稳定的氮气流吹干包层空气孔，即形成含SWNTs-SiO2-NH2的PAA/PAH静电自组装薄膜；

(8)称取经过二次过柱纯化的笼形分子A-6Me 0.2g，将其溶解于4mL二氯甲烷中，配制成浓度为0.05g/mL的笼形分子A-6Me溶液；

(9)将笼形分子A-6Me溶液压入到PCF-LPG的包层空气孔内，笼形分子A-6Me被静电自组装薄膜中的SWNTs-SiO₂-NH₂吸附固定，然后将PCF-LPG放入真空干燥箱，在50℃条件下干燥2小时，得到厚度均匀的对甲烷敏感的笼形分子A-6Me薄膜，从而形成含笼形分子A-6Me和静电自组装薄膜的PCF-LPG甲烷传感器。