[发明专利]一种基于碳点波导过氧化苯甲酰气体传感器

说明书

本发明公开了一种基于碳点波导过氧化苯甲酰气体传感器，具体涉及一种基于光波导材料的高选择性、超灵敏检测食品中过氧化苯甲酰(BPO)含量的传感方法。其制备过程主要包括以下步骤：1)水热法合成对BPO有比色响应的碳点；2)通过修饰得到油溶性碳点，将其涂附在马赫曾德尔干涉仪(MZI)的传感臂上；3)随着BPO浓度的增加，导致碳点的紫外吸收发生明显改变，碳点的变色诱导折射率变化，导致MZI干涉条纹的位移。其偏移量与通入的BPO的浓度呈线性关系。本发明首次提出利用光波导传感技术超灵敏检测食品中BPO含量，与传统的检测BPO的方法相比，灵敏度高，速度快，选择性好。满足工业化生产中的批量制备的需求，使其极易实际推广应用。

技术领域

本发明属于光波导传感材料领域，涉及一种用于检测过氧化苯甲酰(BPO)气体的光波导传感器，结合敏感材料和光波导折射率传感器实现高选择性，超灵敏的BPO检测。目前，还未报道过选择碳点作为光波导材料，因此，本发明首次提出利用碳点作为光波导材料构建波导传感器。本发明属于分析检测应用领域。

背景技术

基于折射率变化的光纤/波导传感器相对于传统传感器来说，其具有极高的灵敏度和分辨率，频带范围很宽，动态范围很大，不受电磁场干扰等优点，近年来在国防军事部、科研部门以及制造工业、能源工业、医疗等科学研究领域中都得到实际应用。在众多光纤/波导传感器中，基于马赫曾德结构的光纤/波导传感器发展迅速，成为了光纤/波导传感器研究领域的一个重要分支，广泛应用于结构内应变、应力、温度、压力、形变、振动和位移等物理量连续实时的安全检测，还可用于复合材料的固化状态的监测等。对于飞机、舰船、建筑等安全使用及完整性检测具有重要意义。目前，各种利用的马赫曾德干涉仪检测有毒气体分子的方法层出不穷。

过氧化苯甲酰(BPO)是一种高活性氧化剂，由于其良好的氧化漂白性能，被广泛用作小麦粉的添加剂，不仅具有漂白作用，还能大大缩短面粉的熟化周期。然而，后期人们发现小麦粉中添加过量的过氧化苯甲酰不仅会破坏营养，还会威胁人类健康。研究表明，小麦粉中的过氧化苯甲酰对人的皮肤、上呼吸道有刺激性和致敏性。由于存在诸多潜在风险，过氧化苯甲酰的使用受到越来越多的关注，尤其受到食品安全监管部门的重视。许多国家因此制定了严格的标准来控制食品中过氧化苯甲酰的最大使用量。2009年，食品法典委员会制定了一项使用标准，即小麦粉中过氧化苯甲酰的最大用量为75mg/kg。欧盟自2011年5月1日起禁止在小麦粉中使用过氧化苯甲酰。直到2011年，我国的七个部门宣布禁止在面粉中加入过氧化苯甲酰。即使目前在许多国家，过氧化苯甲酰明令被禁止，但由于其漂白效果好且价格低廉，仍然有许多不法商贩将其添加于食品牟取非法利益。因此，监测食品中过氧化苯甲酰的水平对于粮食安全和公共卫生具有重要意义，而开发一种简单方便的过氧化苯甲酰检测方法是做到有效监测的唯一途径。目前市场上，基于过氧化苯甲酰含量检测已经开发了许多仪器分析方法，包括化学发光、电流分析、电化学、分光光度法和高效液相色谱检测法，而大多数方法需要耗时的样品预处理和分离，不便于快速得到检测结果，并且这些传统方法要么显示低灵敏度要么需要昂贵的仪器和复杂的预处理过程，限制了其实际应用。

基于折射率变化的光波导传感器，具有灵敏度高、分辨率小、集成度高、抗电磁干扰等优点。材料如二氧化硅，绝缘体上硅(SOI)，Si₃N₄，聚合物(SU-8，环氧树脂，Ormocore等)已经被用来制作波导传感器而成为检测各种分析物的有用工具。近年来，基于各种半导体，聚合物等材料的光波导传感器已经广泛应用于环境卫生，食品安全，疾病诊断等众多领域。然而基于新型的荧光碳纳米材料的光波导传感器还未被关注和开发。因此，探索利用荧光碳点的光波导传感器实时高灵敏快速检测小麦粉中BPO的含量具有极其重要的意义。

发明内容

一种基于碳点波导过氧化苯甲酰气体传感器，具有快速响应和高灵敏度的特点。使用经济环保，稳定性高，易制备的碳点作为波导材料。我们的材料体系比共轭荧光聚合物更便宜。采用碳点作为涂层，采用光刻/显影一步法制作。我们的微型波导传感器可以提供快速、灵敏的BPO检测。与荧光传感器不同，波导传感器不会发生光漂白。我们将功能化碳点应用于波导器件的方法可以进一步发展为现场应用的实用添加剂传感器。