[发明专利]一种结合微结构光纤与微流控的酸度计

说明书

本发明公开了一种结合微结构光纤与微流控的酸度计，由宽带光源，单模光纤，微结构光纤，光纤光谱仪，长周期光纤光栅，敏感膜，进样导管和出样导管组成。首先在微结构光纤的纤芯上刻写长周期光纤光栅，然后在其空气孔内沉积聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜，并将该空气孔作为微流通道对待测样品的pH进行在线检测。待测样品的酸碱度引起聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜的折射率的改变，长周期光纤光栅透射峰的波长随之发生漂移，由此构成一种结构新颖的光纤酸度计。本发明的突出优点为灵敏度高，结构紧凑，而且是一种易于实现多点测量的在线检测方案。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种结合微结构光纤与微流控的酸度计。

背景技术

pH的测量和控制在生物化学、临床化学和环境科学等领域中有广泛的应用。目前，电子酸度计（pH计）因操作简便和显著的价格优势占据了主要市场，其基本原理是测量氢离子在玻璃电极和比较电极之间产生的电位差，但这种设计难以对微量液体进行pH测量，而且不利于对待测液体进行实时在线检测。

近年来，光纤pH传感器以其体积小、成本低、响应时间短，易于实现在线检测等优点引起了国内外研究人员的关注，在特殊环境下化学反应进程的监控上具备较大应用潜力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结合微结构光纤与微流控的酸度计。首先在微结构光纤的纤芯上刻写长周期光纤光栅，然后在其空气孔内沉积聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜，并将该空气孔作为微流通道对待测样品的pH进行在线检测。待测样品的酸碱度引起聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜的折射率的改变，长周期光纤光栅透射峰的波长随之发生漂移，由此构成一种结构新颖的光纤酸度计。该设计具有结构紧凑，检测快速，成本低的突出优点。

本发明通过以下技术方案实现：一种结合微结构光纤与微流控的酸度计由宽带光源（1），单模光纤（2），微结构光纤（3），光纤光谱仪（4），长周期光纤光栅（5），敏感膜（6），进样导管（7）和出样导管（8）组成；宽带光源（1）通过单模光纤（2）与微结构光纤（3）的左端相连，微结构光纤（3）的右端通过单模光纤（2）与光纤光谱仪（4）相连；其中，微结构光纤（3）的两端均与单模光纤（2）错位熔接，微结构光纤（3）的部分空气孔裸露且其孔壁镀有敏感膜（6），长周期光纤光栅（5）刻写在微结构光纤（3）的纤芯上；进样导管（7）和出样导管（8）分别与微结构光纤（3）两端裸露的空气孔相连。

所述的微结构光纤（3）内部有3个半径为40µm~50µm的扇形空气孔，光纤外径为125µm，光纤长度为10mm~20mm。

所述的敏感膜（6）为聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜，膜厚为5µm~10µm。

本发明的工作原理是：微结构光纤（3）的纤芯有一定的掺杂浓度，在二氧化碳激光的扫描下纤芯折射率受到周期性调制，形成长周期光纤光栅（5）。在微结构光纤（3）的部分空气孔内沉积聚乙烯醇/聚丙烯酸复合膜作为敏感膜（6），该薄膜的折射率对酸碱度敏感。微结构光纤（3）与单模光纤（2）之间错位熔接以裸露孔壁镀有敏感膜（6）的空气孔，进样导管（7）和出样导管（8）分别与该空气孔相连形成了样品的流动通道。当待测样品流过，其酸碱度引起敏感膜（6）折射率的变化，改变了长周期光纤光栅包层模的有效折射率，从而光谱中透射峰的中心波长发生漂移，光纤光谱仪（4）监测波长漂移量解调出样品的pH值。

本发明的有益效果是：（1）长周期光纤光栅对环境折射率的灵敏度非常高，该设计对酸碱度测量的灵敏度和分辨率都较高；（2）将微结构光纤的空气孔作为微流通道，不仅传感器的体积相较PDMS芯片大幅减小，而且成本远低于普通的微流控芯片；（3）多个微流通道在光纤上串联并刻写不同中心波长的长周期光纤光栅可直接形成多点实时测量。因此，本发明的突出优点为灵敏度高，结构紧凑，而且是一种易于实现多点测量的在线检测方案。

附图说明

图1是一种结合微结构光纤与微流控的酸度计的系统结构示意图。