一种光纤、红外光纤传感器及制备方法与应用

本发明属于光谱分析检测，具体涉及一种光纤、红外光纤传感器及制备方法与应用。

背景技术：

1、化学物质的分析在大气科学、石油化工、临床诊断、食品检验等各种监测领域发挥着极其重要的作用。中红外(ir)区覆盖了化合物的基本振动区，每个分子的振动模式都是独特的，因此也被称为“指纹区”。通过分析分子在红外光谱产生的特征吸收，红外光谱可以快速、经济且无损地用于有机物的定性和定量分析。然而在复杂的分析中，由于红外光谱定量分析的精度不高，通常大于1％，很难得到应用，而高灵敏度的检测技术，例如衰减全反射(atr)技术，成本较高，使得该技术在常规临床实践等领域的引入成为一个障碍。

2、红外光纤传感检测是一种全新的红外光谱采样检测技术，因为工作波长覆盖了化合物的基本振动区，所以这将适用于各类物质的检测，特别是有机液体。与衰减全反射(atr)采样技术相比，红外光纤传感检测具有更低的成本、更高的灵活性以及更高的灵敏度。基于光线的全内反射原理和倏逝波原理，该技术已在早期疾病诊断和各类分子识别等领域得到应用。倏逝波的产生是由于电磁波的连续性，光在光纤中传播会短暂地泄漏出反射平面形成倏逝波，然后返回到光纤中，在该过程中，试样选择吸收入射光频率区域特定波长的光，即特征吸收，产生与吸收相类似的谱图，从而获取样品中化学成份的结构信息。为了提高灵敏度，增强物质与倏逝波的相互作用，应增加倏逝波的穿透深度dp。dp的方程可以表示为：

3、

4、其中λi和θi分别为入射光的波长和入射角，n1和n2分别为光纤和周围介质(即待测物质)的折射率。

5、尽管中红外光纤倏逝波传感器已应用于很多领域，但仍存在使用过程中容易断裂、实用性差、灵敏度低等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种光纤、红外光纤传感器及制备方法与应用，本发明红外光纤传感器中的光纤具有扁平结构，因此增加了光纤倏逝波的穿透深度和光在光纤的发射次数，大大提高了传感器的灵敏度。

2、在第一方面，本发明提供了一种光纤，其包括端部和中间部，中间部包括扁平锥部以及扁平腰部，端部通过扁平锥部与扁平腰部连接，且扁平锥部与扁平腰部之间至少一侧呈倾角结构。

3、在一些实施方案中，扁平锥部与扁平腰部之间的锥角为2.5°～11.5°，例如可以为2.5°、4.5°、5.6°、6.5°、8.5°、11.5°或该范围内的其他数值。

4、本发明中，对中间部的长度、扁平腰部的厚度和宽度以及端部的直径没有限制，可以根据实际使用情况进行调整。当将光纤用于传感器中时，光纤中的上述参数可以根据传感器的尺寸进行调整。例如，中间部的长度为8～27mm，例如可以为8mm、11mm、14mm、17mm、20mm、23mm、23.8mm、27mm或该范围内的其他数值；扁平腰部的厚度为100～300μm，例如可以为100μm、110μm、140μm、170μm、200μm、215μm、234μm、235μm、250μm、270μm、300μm或该范围内的其他数值；宽度为0.1～2mm；例如可以为0.1mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.5mm、2.0mm或该范围内的其他数值；端部的直径为150～1000μm，例如可以为150μm、250μm、350μm、450μm、550μm、650μm、750μm、850μm、1000μm或该范围内的其他数值。

5、在一些实施方案中，光纤为红外玻璃光纤，红外玻璃光纤选自ge-as-se-te硫系玻璃、as-se硫系玻璃或ge-as-se硫系玻璃中的至少一种。

6、本发明提供的光纤中，所述光纤可以传输850-4000cm-1中红外光，例如可以为850cm-1中红外光、1000cm-1中红外光、1500cm-1中红外光、2000cm-1中红外光、2500cm-1中红外光、3000cm-1中红外光、3500cm-1中红外光、4000cm-1中红外光或该范围内其他数值中红外光。

7、在第二方面，本发明提供了一种红外光纤传感器，其包括上述任一项所述的光纤。

8、在一些实施方案中，红外光纤传感器还包括液体池和固化剂，液体池开设有贯通的凹槽和流道，流道分设于液体池的两端并通过凹槽连通，光纤设于凹槽和流道内，固化剂填充于流道内，用于将光纤的端部与液体池固定。

9、在一些实施方案中，固化剂选自uv固化胶或环氧树脂；液体池的制备材料选自聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)或光敏树脂中的至少一种。

10、需要说明的是，本发明中的液体池的制备材料包括但不限于聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)或光敏树脂，其还可以为现有技术中的其他常规材料。

11、在一些实施方案中，所述液体池上还设有把手。通过设置把手，便于拿放液体池，并且不会对液体池产生损坏。

12、在第三方面，本发明提供上述所述的红外光纤传感器的制备方法，其包括如下步骤：

13、1)将上述红外玻璃光纤加工成光纤预制棒，采用拉丝工艺(例如可以置于拉丝塔中)将所述光纤预制棒拉制成直径为150～1000μm(例如可以为150μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1000μm或该范围内的其他数值)的光纤；

14、2)提供具有如上述光纤中部结构的热压模具，将步骤1)中得到的光纤(例如长度可以为4-10cm，进一步地，可以为4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm或该范围内的其他数值)置于热压模具中，在热压模具上放置铝块，然后置于马弗炉中进行加热处理，得到上述光纤；

15、3)将步骤2)中得到的光纤置于光纤拉锥机上进行局部扫描加热，得到表面光滑的光纤；任选地，使用光纤拉锥机对步骤2)中得到的光纤进行同向拉伸，得到细长的光纤；

16、4)使用三维软件对上述的液体池进行建模，然后采用3d打印技术制备得到液体池；

17、5)将步骤3)中得到的光纤置于步骤4)中得到的液体池中，并使用固化剂固定封装；

18、6)使用抛光机对封装后的光纤的端面进行抛光处理，得到红外光纤传感器。

19、本发明提供的制备方法中，步骤2)中，热压模具可以根据光纤中间部的尺寸结构进行制作，通过控制加热处理的温度、时间以及铝块重量，从而控制光纤的扁平腰部的厚度和宽度。步骤3)中，光滑的光纤越光滑，能显著减小传感过程中的损耗。

20、在第四方面，本发明提供了一种检测系统，其包括上述任一项红外光纤传感器，以及红外光源、znse透镜、mct液氮制冷探测器和傅里叶红外光谱仪。

21、本发明提供的检测系统中，红外光纤传感器、红外光源、znse透镜、mct液氮制冷探测器和傅里叶红外光谱仪可以按照常规检测的方式进行组合设置，例如红外光源、znse透镜、红外光纤传感器、mct液氮制冷探测器和傅里叶红外光谱仪依次进行连接。并且，任选地，红外光纤传感器和mct液氮制冷探测器之间还可以设置znse透镜，可以进一步起到聚光的作用，提高检测精度。

22、在第五方面，本发明提供了一种利用上述检测系统进行检测的方法，其包括如下步骤：

23、s1、光路调整：打开傅里叶红外光谱仪，将红外光源调整至傅里叶红外光谱仪的外置光路模式，将红外光纤传感器置于光路中，通过三维位移台调整外置光路mct液氮制冷探测器和红外光纤传感器的位置以达到最佳信号，使聚焦的红外光充分耦合进光纤的端面；

24、s2、背景扫描：扫描红外光纤传感器的红外吸收光谱作为检测的背景信号；

25、若待测液体为已知溶液，则进行步骤s3：

26、s3、灵敏度和最低检测限标定：配制若干组标准浓度的待测液体，使用傅里叶红外光谱仪逐一采集标准浓度待测液体的红外吸收光谱，并建立线性关系，其斜率即为光纤灵敏度，最低可检测浓度为最低检测限；

27、或者，若待测液体为未知溶液，则进行步骤s4、s5和s6：

28、s4、未知物质的定性分析：将未知溶液滴入红外光纤传感器的液体池，采集其红外吸收光谱，并与标准的红外光谱进行对比，经过分析得到未知物质的成分信息；

29、s5、根据步骤s4中得到的未知物质的成分信息，采用步骤s3中的方法对其灵敏度和最低检测限进行标定；

30、s6、未知物质的定量分析：将所述未知溶液滴入红外光纤传感器的液体池，采集其红外吸收光谱，根据步骤s5中建立的标准液体的浓度-特征吸收峰高的关系来计算液体的浓度。

31、本发明提供的检测方法中，所述检测方法是基于红外光谱，可以检测的物质包括能在850-4000cm-1范围内能引起分子中振动能级和转动能级的跃迁而吸收特定波长红外光的物质。

32、在一些实施方案中，步骤s3中，线性关系是根据待测液体的标准红外光谱选取吸收强度比较大的特征吸收峰，然后采用朗伯比尔定律计算并建立标准液体浓度与其特征吸收峰高的关系，最后通过拟合得到。

33、在一些实施方案中，采用本发明的检测系统对乙醇的检测灵敏度为0.0011-0.0275(a.u./％)，对苯甲酸钠的检测灵敏度为0.0101-0.122(a.u./％)，对山梨酸钾的检测灵敏度为0.1153-0.2462(a.u./％)。

34、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

35、1)与基于atr元件的倏逝波传感器相比，本发明基于红外光纤的倏逝波传感器具有更高的灵敏度和更低的成本；

36、2)与基于石英光纤的倏逝波传感器相比，本发明基于红外光纤的倏逝波传感器具有更广的工作范围，能提供更多的分子结构信息；

37、3)与基于拉锥光纤的红外光纤倏逝波传感器相比，本发明基于红外光纤的倏逝波传感器具有更大的传感面积，易于在扁平光纤表面制备功能涂层；

38、4)本发明的红外光纤传感器制备方法简单，具备很强的实用性；并且本发明的红外光纤传感器进一步提高了灵敏度，既能对物质进行定性分析，又能对低浓度物质进行定量分析，在高灵敏度生物与化学传感领域具有广阔的应用前景。