一种量子点光纤气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种量子点光纤气体传感器及其制备方法，量子点光纤气体传感器包括光纤探针和胶体量子点构成的气敏层；气敏层均匀涂覆于光纤探针的折射率敏感区域；其气敏层吸附气体时载流子浓度发生变化，使得气敏层折射率发生变化，引起光纤探针内光场发生变化，光谱的消光比发生改变，同时光谱也发生漂移；根据消光比与光谱的变动获取气体浓度；具有气敏响应度高和易于分布式组网的特点；而本发明专利技术提出的制备方法，利用层层静电自组装方法获得均匀、厚度可调、附着力优的气敏层；通过短链配体溶液进行掺杂或表面修饰，针对不同目标气体的特性进行调控，进一步提高对目标气体的灵敏度和选择性。

Quantum dot optical fiber gas sensor and preparation method thereof

The invention discloses a quantum dot optical fiber gas sensor and its preparation method, quantum dot optical fiber gas sensor comprises a gas sensing layer composed of optical fiber probes and colloidal quantum dots; refractive index of gas sensitive layer and uniformly coated on optical fiber probe rate sensitive region; the gas sensitive layer of adsorbed gas when the carrier concentration changes, making the gas sensitive refractive index changes caused by fiber probe light field change, change than the extinction spectrum, and spectral shift also; according to the extinction ratio and spectral changes for gas concentration; with gas sensitive characteristics of high response and easy in distributed networking; preparation methods of the present invention, since assembling method to obtain gas sensitive layer of uniform, adjustable thickness, excellent adhesion by electrostatic layer by layer; doping or surface modification by short chain ligand solution for different target gases The characteristics are regulated to further improve the sensitivity and selectivity of the target gas.

【技术实现步骤摘要】
一种量子点光纤气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体检测及传感
，更具体地，涉及一种量子点光纤气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体传感器在易燃易爆气体和有毒有害气体的检测中有着广泛的应用。当前应用较广的半导体电阻式气体传感器具有使用简单、便携性好的特点，但存在工作温度高(通常需加热到在200℃)的缺点，而且检测精度不高，难以准确检测ppb级低浓度气体；另一方面，半导体电阻式气体传感器极大依赖于载流子迁移速率以获得较快速的响应，其电学响应信号易受到电磁干扰；且不适于检测溶解在液体中的气体。基于气体非色散红外吸收(NDIR)光谱技术的光学气体传感器能够克服电学类气体传感器选择性不佳和工作温度高的问题，但为了得到显著的气敏响应信号，要求其气室光路距离足够长，因此限制了传感器的小型化和便携性。基于量子点的荧光特性的光纤气体传感器，将硅量子点沉积在光纤端面上，利用量子点的荧光特性随目标气体发生变化的特点实现气体探测，并以光纤为信号载体实现信号传感；但该传感器中，光纤端面的量子点仅有一小部分能被光纤纤芯中传输的光激发而产生荧光信号，而这些荧光中又仅有一小部分能被光纤收集供光谱仪测量并用于传感，因此量子点的荧光特性并未得到充分利用，制成的光纤气体传感器的气敏性较低。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种量子点光纤气体传感器及其制备方法，其目的在于利用量子点吸附气体后折射率的变化来探测气体，解决现有光纤气体传感器气敏性较低的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种量子点光纤气体传感器，包括光纤探针和涂覆于光纤探针末端的气敏层；光纤探针是由光子晶体光纤与单模光纤熔接形成的光纤干涉结构，其末端为折射率敏感区；气敏层采用胶体量子点，利用胶体量子点的电导率与折射率随气体变化的室温气敏效应实现气体检测。优选的，气敏层厚度为50nm～500nm。优选的，胶体量子点为硫化铅(PbS)胶体量子点或氧化锡(SnO2)胶体量子点。优选的，上述光纤探针由光子晶体光纤(PCF)与单模光纤(SMF)熔接并切割形成，熔接部位具有熔接气泡；保留的PCF段内部具有气孔结构；光纤探针的末端是由PCF熔融形成的半球形熔接球，是光纤探针上对折射率敏感的部位；气敏层均匀涂覆于光纤探针的末端。优选的，上述光纤探针总长度为300μm～600μm；光子晶体光纤与单模光纤的熔接处具有直径为10μm～30μm的熔接气泡；PCF气孔结构与熔接气泡间隔50μm～100μm；PCF气孔结构长度为10μm～100μm，熔接球的半径为60μm～100μm。本专利技术提出的量子点光纤气体传感器，其气敏层吸附气体时导电率变化，载流子浓度发生变化，介电常数的实部虚部均产生变化，使得气敏层折射率的实部虚部发生变化；气敏层的折射率变化，使得光纤探针内的光场发生变化，反映到光谱上消光比发生改变，同时光谱相位也发生漂移；根据消光比与光谱相位的变动获取气体浓度。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种用于上述量子点光纤气体传感器的光纤探针的制备方法，包括如下步骤：(1)将单模光纤(SMF)与光子晶体光纤(PCF)熔接，获得SMF与PCF的熔接结构；其熔接部位具有熔接气泡；(2)对步骤(1)获得的SMF与PCF的熔接结构进行切割，保留一段PCF；(3)将步骤(2)中所述的保留的PCF熔融，熔融部形成半球形熔接球，完成光纤探针的制备。按照本专利技术的另一方面，提供了一种量子点光纤气体传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)采用碱性或酸性溶液浸泡上述光纤探针，使其表面离子化；然后采用具有相反电性的胶体量子点溶液浸泡，使得胶体量子点结合在光纤探针表面构成量子点薄膜；(2)采用短链配体溶液浸泡步骤(1)获得的覆盖有量子点薄膜的光纤探针，以去除量子点表面包覆的长链，对薄膜进行改性，便于后续量子点的再次结合以及薄膜厚度的生长；(3)采用无水甲醇溶液浸泡步骤(2)获得的产物，以去除残余的短链配体及短链配体溶液与胶体量子点溶液反应所生成的副产物；(4)重复步骤(1)～步骤(3)，使得量子点薄膜的厚度达到50nm～500nm，完成量子点光纤气体传感器的制备。优选地，上述步骤(1)中采用的胶体量子点溶液为PbS胶体量子点溶液或SnO2胶体量子点溶液。按照本专利技术的另一方面，提供了另一种量子点光纤气体传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)将光纤探针置于胶体量子点合成前驱物中反应，使量子点在光纤探针表面自动生长均匀成膜；(2)将步骤(1)获得的生长有量子点膜的光纤探针退火，去除合成前驱物及其副产物；(3)采用短链配体溶液浸泡步骤(2)获得的产物并干燥，以对气敏层进行改性，增强气敏层的气体吸附活性；(4)重复步骤(3)，使气敏层改性充分，完成量子点光纤气体传感器的制备。优选地，上述量子点光纤气体传感器的制备方法中，步骤(1)中，反应温度为120℃～150℃，反应时间为60s～300s。优选地，上述量子点光纤气体传感器的制备方法中，所述步骤(2)中，退火温度为120℃～300℃，退火时间为0.5h～3h。优选地，上述两种量子点光纤气体传感器的制备方法中，采用的短链配体溶液为氯化铵(NH4Cl)溶液、亚硝酸钠(NaNO2)溶液、氯化铜(CuCl2)溶液、硝酸银(AgNO3)溶液或硝酸铜(Cu(NO3)2)溶液。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的量子点光纤气体传感器，与基于量子点荧光特性的光纤气体传感器不同，本专利技术利用的是胶体量子点的电导率和折射率随气体变化的室温气敏效应，不依赖于迁移率；由于比表面积巨大，胶体量子点有着很高的表面活性且对环境气体十分敏感，一旦吸附有目标气体，载流子浓度倍增，电荷转移更快，结合光纤探针设计以及制备工艺中短链配体溶液的选择和浸泡时间、量子点合成温度与时间的把控，可获得显著的室温气敏响应信号；(2)本专利技术提供的量子点光纤气体传感器，与基于胶体量子点的半导体电阻式气体传感器相比，本专利技术利用具备传输信息量大、拥有自身参比的光纤传感技术，实现了一种无源、抗电磁干扰的新型光纤气体传感器，且适于液体中溶解的气体的检测，此外还有易于阵列化、适于遥感和组网的特点，结合后端检测技术和模式识别技术，可应用于多组分复杂气体环境的监测；(3)本专利技术提供的量子点光纤气体传感器的制备方法，由于胶体量子点具有优良的室温成膜性能，易于沉积在光纤表面，相比于现有的如磁控溅射、热蒸发、化学气相沉积等耗时、复杂、高成本的薄膜沉积技术，本专利技术利用简单高效的层层静电自组装方法即可获得均匀、厚度可调、附着力优的气体敏感层；另一方面，胶体量子点的物化特性可控性强，可采用不同的短链配体溶液进行掺杂或表面修饰，针对不同目标气体的特性进行调控，从而提高对目标气体的活性、降低对其它干扰气体的活性而提高稳定性，结合量子点组分及其晶粒尺寸的优化，进一步提高对目标气体的灵敏度和选择性、降低检测限。附图说明图1是实施例1提供的量子点光纤气体传感器结构示意图；图2是采用实施例1提供的量子点光纤气体传感器进行气体测试的系统结构示意图；图3是实施例2采用的光纤探针的结构示意图；图4是实施例3采用的光纤探针的结构示意图；图5是本实施例4提供的量子点光纤气体传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子点光纤气体传感器，其特征在于，包括光纤探针和涂覆于光纤探针末端的气敏层；所述光纤探针是由光子晶体光纤与单模光纤熔接形成的光纤干涉结构，其末端为折射率敏感区；所述气敏层采用胶体量子点，利用胶体量子点的电导率与折射率随气体变化的室温气敏效应实现气体检测。

【技术特征摘要】
1.一种量子点光纤气体传感器，其特征在于，包括光纤探针和涂覆于光纤探针末端的气敏层；所述光纤探针是由光子晶体光纤与单模光纤熔接形成的光纤干涉结构，其末端为折射率敏感区；所述气敏层采用胶体量子点，利用胶体量子点的电导率与折射率随气体变化的室温气敏效应实现气体检测。2.如权利要求1所述的量子点光纤气体传感器，其特征在于，所述胶体量子点为硫化铅胶体量子点或氧化锡胶体量子点。3.如权利要求1或2所述的量子点光纤气体传感器，其特征在于，所述光纤探针由光子晶体光纤与单模光纤熔接并切割形成，熔接部位具有熔接气泡；保留的光子晶体光纤段内部具有气孔结构；光纤探针的末端是光子晶体光纤熔融形成的半球形熔接球。4.一种用于权利要求1至3任一项所述的量子点光纤气体传感器的光纤探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将单模光纤与光子晶体光纤熔接，获得单模光纤与光子晶体光纤的熔接结构；其熔接部位具有熔接气泡；(2)对步骤(1)获得的单模光纤与光子晶体光纤的熔接结构进行切割，保留一段光子晶体光纤；(3)将步骤(2)中所述的保留的光子晶体光纤熔融，熔融部形成半球形熔接球，完成光纤探针的制备。5.一种如权利要求1至3任一项所述的量子点光纤气体传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)采用碱性或酸性溶液浸泡光纤探针，使其表面离子化；然后采用具有相反电性的胶体量子点溶液浸泡，使得胶体量子点结合在光纤探针表面构成量子点薄膜；(2)采用短链配体溶液浸泡步骤(1)获得的覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，唐明，高峰，王阳，张鹏，张文楷，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42