[发明专利]一种利用有源微球腔与酚红结合探测水中氨浓度的方法

说明书

本发明提供一种利用有源微球腔与酚红结合探测水中氨浓度的方法，步骤一：空光纤内置稀土离子掺杂微球谐振器集成结构的制备；(1)制备内置增益微球的光纤结构；(2)制备铒镱共掺含铅玻璃微球；(3)将微球置于光纤内部；步骤二：基于上述集成结构实现对水中氨浓度的探测；本发明利用稀土离子掺杂微球腔替代了复合材料薄膜，避免了繁琐的薄膜合成过程，并且将微球腔集成在光纤内部进行封装，大大提高了传感元件的紧凑性，同时也更方便与光源、光谱仪等检测器件相连，优化了整个传感器的测试系统。在提高了传感器的实用性的基础上，更是提升了传感性能，拥有更高的灵敏度和选择性，更快的响应和恢复时间，且具备优秀的稳定性和可重复性。

技术领域

本发明涉及一种探测水中氨浓度的方法，尤其涉及一种利用有源微球腔与酚红结合探测水中氨浓度的方法。

背景技术

氨水，是氨(NH₃)的水溶液，是世界上重要的化工原料，广泛应用于石油冶炼、化肥制造、医药、塑料、染料等制造业。但是，氨水中氨气分子会发生微弱水解生成氢氧根离子和铵根离子(NH₄⁺)，一方面，过高浓度的NH₄⁺会使水体富营养化，藻类大量生长造成水体缺氧，最终破坏水系统的生态平衡；另一方面，人类若摄入受到NH₄⁺污染的食物或水，会导致口腔、食道和胃的腐蚀，若吸入高浓度的氨气会导致反射性呼吸停止、心脏停搏。因此，有必要用灵敏、有选择性的仪器对这类物质进行检测。水中氨浓度检测方法主要包括电化学分析法、仪器分析法、分光光度分析法和其他分析技术(荧光法)。以离子选择电极法为例，铵离子电极法指根据能斯特原理，依靠敏感膜，可以实现铵离子的特定性响应，让敏感膜内外部分的电位出现变化，实现对被测水样的氨氮分析。根据数据显示，通过离子选择电极法测量的结果，数据误差可以控制在0.5％范围以内，因此具有极强的灵敏度，同时操作难度也相对较低；以凯氏定氮法为例，凯氏定氮法的原理是对于被测水体样本不进行消解就直接注入过量的氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液从强碱性逐渐转换为弱碱性，将水中的铵盐转换成氨。在蒸馏并析出氨之后，依靠硼酸溶液进行吸收，然后使用电位滴定仪对溶液进行滴定。硼酸在吸收氨之后，其碱性逐渐增强，再使用硫酸溶液滴定至原始pH值，使用pH计对滴定终点进行控制，依靠对上述环节中硫酸的使用量来对水中的氨氮含量进行分析；分光光度分析法主要包括纳氏试剂法、水杨酸-次氯酸盐法以及淀粉蓝光度法等。其中，靛酚蓝光度法的原理是：水中铵态氮在强碱性环境中与苯酚、次氯酸钠进行相互作用，由此形成稳定性较强的水溶性燃料靛酚蓝。通过实验发现，若被测水体样本中氨氮浓度在0.01-0.5mg/L时，其吸光度与铵态氮含量为正比例关系，可以在625nm位置进行对比测量；荧光法的原理是利用部分物质在紫外线照射下会产生荧光的特征，例如：在碱性物质环境下，邻苯二甲醛与氮氨作用形成具有荧光特征的物质，所产生的荧光强度与氨氮质量浓度在2-300μg/L之间呈现线性关系，因此依靠对荧光强度的检测，就能够获得待测水体中的氨氮含量的数据。

除此之外，研究人员发现，在光吸收法的基础上，利用荧光染料的特性，可以实现原位、实时快速分析等功能，提升了水中氨浓度探测器的传感性能。荧光染料具有高的消光系数，宽的吸收谱带及高荧光量子产率，且与特定分析物作用后，不仅表现出显著的吸收及荧光强度变化，还可伴随明显的颜色变化以实现裸眼检测等功能，与传统分析检测仪器(如原子吸收分光光度计、原子荧光分光光度计及电感耦合等离子质谱仪等)相比，操作简便，响应迅速，灵敏度高，选择性好。

目前，基于氨传感应用领域的荧光染料研究已经取得了一定进展和成果。例如，通过在聚吡咯中掺杂铬菁R制备用于氨气传感的染料掺杂聚吡咯薄膜，在室温下暴露于不同浓度的氨气后，可呈现出显著的吸光度变化，并且具有快速响应时间和较低的检测限；将乙基纤维素与恶嗪170高氯酸盐合成的复合材料薄膜作为传感元件，在不同氨水浓度下，恶嗪170高氯酸盐在565nm和630nm处的荧光强度比值会发生变化，以实现氨探测等。然而，这种层层自组装复合薄膜制备过程繁琐，测试装置难以集成等，限制了在实际生产生活场景的进一步发展。