[发明专利]局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器

说明书

本发明涉及激光ph值测试技术，为提出远高于电极法能够到达的精度的ph值测量技术方案；同时，实现不受环境因素的影响，在强酸碱性、远距离等特殊环境下也能够进行测量，适用的范围更广。为此，本发明，局部表面等离子共振光纤型pH值测量方法及传感器，包括少模长周期光纤光栅模式转换模块和裹覆金属纳米颗粒、石墨烯和聚苯胺复合纳米材料的传感单元两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP₀₁基模的能量转移到LP₀₂高阶模上，然后通过传感单元，建立PH值与波长变化量之间的关系，实现对外界待测物质的pH值传感测量。本发明主要应用于ph值测试传感器的设计制造场合。

技术领域

本技术发明一种采用光纤倏逝波激发贵金属纳米阵列和氧化还原石墨烯与聚丙烯(rGO-Pani)混合物界面，形成局部表面等离子共振效应(LSPR)的溶液pH值传感器，尤其包含光纤LSPR传感装置。

背景技术

pH值是溶液中H⁺离子浓度的一种标度，也就是人们所熟知的溶液酸碱度的衡量标准。在化学反应、生物化学、环境科学、临床诊断化验、食品过程控制、制药合成、生物演化(如细菌、酶、DNA和细胞)等过程中，液体的pH值都起到至关重要的作用，pH值轻微的变化都会影响反应机制和生成结果，因此，在化学或者生物反应过程中对pH值的及时、精确的检测和控制都具有十分重要的意义。

传统测量pH值的手段是使用pH试纸，将试纸浸入待测溶液，试纸随溶液酸碱度改变颜色，然后用比色卡对比确定溶液的pH值，不论是“广泛试纸”还是“精密试纸”，这种方法检测精度最高不会超过0.1；采用电极法测量溶液pH值可以提高检测精度，主要原理是溶液中H⁺离子的浓度会改变溶液的电导率，从而在玻璃电极和参考电极之间产生相应的电位差，但这种方法在高碱度情况下会存在“碱误差”，即当溶液呈高碱性时，其H⁺离子浓度只有10^-14mol/l，电极间的电位差很小，以至难于检测。另外，电极法的检测探头体积比较大，一般都有玻璃外壳，不仅易破损，而且难以对微小区域(如细胞)、微量样品(如医学检样)中的pH值进行检测。随着现代生命科学、环境科学、食品科学等领域的发展，对pH值检测的速度和精度要求越来越高。

为了满足人民生活和科技发展中不断提出的高精度pH检测的需要，近年来出现了许多新型pH传感器的研究报道。如电化学传感器、生物传感器、量子点荧光传感器、基于高分子聚合物的传感器以及光学传感器。这几种传感器对pH检测的精度都有很大提高，也各有优缺点：量子点荧光传感器的pH测量范围窄(0.5～6)，响应时间最快为25s，且受光强起伏、温度和指示剂浓度影响较大；而电化学、聚合物、生物传感器普遍存在着仪器设备系统复杂、体积庞大、温度敏感、检测范围受限等问题。鉴于pH值检测和监测的重要性，迫切需要一种能够同时突破检测范围和检测精度的双重瓶颈的、结构小巧紧凑、系统稳定可靠的传感技术和器件。

因此，有必要提供一种新型的pH值传感器，以克服上述缺陷。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的光纤型溶液pH值传感器，检测精度理论上远高于电极法能够到达的精度；同时，该装置不受环境因素的影响，在强酸碱性、远距离等特殊环境下也能够进行测量，适用的范围更广。为此，本发明采取的技术方案是，局部表面等离子共振光纤型pH值测量传感器，包括少模长周期光纤光栅模式转换模块和裹覆金属纳米颗粒、石墨烯rGO和聚苯胺Pani复合纳米材料的传感单元两个模块，两个模块级联在一起，入射光输入到模式转换模块，使LP₀₁基模的能量转移到LP₀₂高阶模上，然后通过传感单元，使LP₀₂高阶模与包层中的低阶模式耦合来感知外界液体PH的变化，反映在透射谱中波长会发生漂移，建立PH值与波长变化量之间的关系，实现对外界待测物质的pH值传感测量。