基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置。该装置包括激发光光源、Y型光纤、延迟光纤、光纤连接处、水凝胶光纤、长通滤波片、荧光光谱仪和信号处理单元；其中水凝胶光纤为发光MOFs材料复合的一体化水凝胶光纤，水凝胶作为光纤基质材料具有良好导光性、离子渗透性和生物相容性，待分析物可通过进入纤芯与发光MOFs材料发生作用，通过普通石英光纤可高效实现激发光的导入和荧光的收集；激发光光源、荧光光谱仪、长通滤波片等可选用有光纤接口或光纤集成式的器件；因此，整体技术方案可构建实现全光纤化的高选择性荧光传感，进一步实现原位、实时、远程甚至活体的荧光探测和传感，提升发光MOFs材料的传感应用性。

Hydrogel optical fiber sensing device based on luminescent metal organic frameworks

【技术实现步骤摘要】
基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置
本技术涉及光纤荧光传感
，尤其涉及基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置。
技术介绍
金属有机框架物(Metal-OrganicFrameworks，简称MOFs)，是由有机配体和金属节点通过配位键自组装形成的新型多孔材料，具有极大的比表面积和较低的成本，在传感识别、催化发光、信息存储等领域有着重要的应用前景。基于镧系稀土金属的发光MOFs材料是一类重要的有序晶态化合物，其在外界激发光作用下会产生荧光，荧光MOFs材料具有丰富的电子结构和优良的光物理性质(如特征发射峰尖锐、发光效率高等特点)，在荧光传感方面具有检测速度快、灵敏度高、选择性好、稳定可靠等优点，成为新一代的理想荧光探针材料。各种各样的发光MOFs材料被开发出来，应用于如溶液离子、挥发性有机化合物、气体、爆炸物分子、生物分子等方面的高选择性传感。尽管具有高选择性的发光MOFs荧光探测材料得到了广泛快速的发展，但在基于发光MOFs材料的荧光探测实际应用中，存在着严重阻碍其朝着实用化方面发展的问题。首先，绝大部分基于发光MOFs材料的荧光探测均是将制备得到的MOFs颗粒粉末浸泡在待分析物取样溶液中，或暴露在待分析的气体及蒸汽中，以及将其注射到活体细胞中等，再将这些制样置于荧光光谱设备下进行离线光谱测量分析。由于MOFs颗粒在取样溶液中的不均匀分布和无规律运动，以及MOFs粉末压片在气体环境中易被气流吹散等问题，会造成荧光光谱强度波动而使得测量不准确，同时也造成荧光探测材料易损导致寿命过短和难以回收二次利用导致的浪费等问题，研究人员提出制备MOFs薄膜或复合膜，实现MOFs颗粒原位生长在载体基底表面或构建MOFs颗粒与其他材料的复合膜，克服MOFs材料的粉末分散态造成不便测量和寿命短等应用问题(如已有技术专利201710667152.0，201511027933.0，201610751719.8等)。但构建工业化和商用化所需的强机械结合力、均匀和大尺寸化的MOFs膜仍然有着巨大的挑战。其次，基于MOFs材料的传感器并不能被直接布施于苛刻恶劣的真实应用环境中，因为荧光测量需要精密可靠的光路来实现激发光的导入和荧光的收集，绝大部分MOFs材料的传感演示均依赖于实验室平台上的大型商用荧光测量装备做离线取样测量，这种测量方法大大限制发光MOFs材料进一步实现原位、活体、实时和远距离等先进传感的功能。较具应用潜力的方案是基于MOFs材料集成光纤实现荧光传感，普通光纤被用于有效传输激光光和收集荧光，从而无需大型仪器的精密光路，发光MOFs材料生长或包裹在去包层光纤外径上(Sens.ActuatorsB:Chem.2016,232,43-51)，或长周期光纤光栅外径上(Sens.ActuatorsB:Chem.2015,221,891-899)，或光纤端面上(Opt.Lett.2016,41,1696-1699)，但这些方案中依然存在导光效率低、发光MOFs材料与光纤机械结合力弱和MOFs模材料直接接触恶劣环境而寿命短等应用问题。考虑到光学测量的整体性，技术全新的发光MOFs材料集成型渗透性光纤，可大大增强发光MOFs材料的环境适用性、激发光的注入和微弱荧光的收集，同时待分析物通过渗透作用可与渗透性光纤中的发光MOFs材料发生有效作用，可优化与提升发光MOFs材料的实际应用性。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置。为实现上述目的，本技术采用如下技术方案。基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置，其包括激发光光源、Y型光纤、延迟光纤、光纤连接处、水凝胶光纤、长通滤波片、荧光光谱仪、信号处理单元；所述激发光光源的光纤输出接口连接Y型光纤双端侧的第一端口，Y型光纤单端侧的端口与延迟光纤连接，延迟光纤的输出端与水凝胶光纤的石英光纤尾纤在光纤连接处对接，水凝胶光纤作为传感单元置于待测环境中，水凝胶光纤中产生的反射光信号经由原路返回至Y型光纤双端侧，Y型光纤双端侧的第二端口连接至长通滤波片，滤除激发光的散射光后获得的荧光信号连接至荧光光谱仪，经荧光光谱仪实时测得荧光光谱，将测量数据输入到信号处理单元，根据实时荧光光谱，解调出待测物的浓度情况。进一步地，所述激发光光源为LED光源、半导体激光器或光纤激光器，激发光光源的出射波长与金属有机框架物(MOFs)对应的激发波长相同。进一步地，所述水凝胶光纤采用基于MOFs的水凝胶光纤。进一步地，所述长通滤光片的截止波长大于激发光光源的波长，并小于金属有机框架物(MOFs)所发射的荧光波长。进一步地，所述激发光光源采用LED光源，带光纤输出接口。进一步地，所述Y型光纤采用抗紫外石英Y型光纤，其双端侧的端口与激发光光源光纤输出端接口相连，单端侧的端口实现激发光的导入，双端侧的端口实现反射荧光的收集。进一步地，所述延迟光纤采用石英多模光纤。进一步地，所述水凝胶光纤为反射型纤荧光传感器，带有与延迟光纤型号完全一致的石英尾纤。作为优选的方案，所述基于MOFs的水凝胶光纤的制备方法，包括以下步骤：(1)分别配制水凝胶前驱体A和水凝胶前驱体B，两种水凝胶前驱体均由水凝胶单体、光引发剂和去离子水混合组成，其中水凝胶前驱体A中水凝胶单体所占的浓度范围为0.4～0.7g/ml，水凝胶前驱体B中水凝胶单体所占的浓度范围为0.3～0.6g/ml，水凝胶前驱体A中水凝胶单体所占的浓度要比水凝胶B高0.05～0.15g/ml。(2)将研磨后的金属有机框架物颗粒混掺到水凝胶前驱体A中并注入到共轴双料筒的内料筒，水凝胶前驱体B注入到共轴双料筒的外料筒；使用挤塑法或使用生物材料3D打印机，给共轴双料筒施加压力，共轴双料筒的出口孔处挤出圆棒状芯包结构的混合前驱体；所述芯包结构包括：水凝胶前驱体A构成的内芯层和水凝胶前驱体B构成的外包层；将石英光纤一端沿轴向同轴插入一段到内芯层结构，并置于紫外光下辐射固化成水凝胶光纤。进一步的，所述水凝胶单体为聚乙二醇双丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、海藻酸。进一步的，所述的水凝胶前驱体选择合适的浓度，以获得好的透光性、折射率、溶胀率及力学性能。进一步的，所述金属有机框架物(MOFs)为羧酸配体型MOFs、锆基卟啉MOFs、含氮配体型MOFs、类沸石咪唑型MOFs、氟化MOFs和掺铕萘二甲酸MOFs。进一步的，所述发光MOFs材料研磨至亚微米量级后再混掺到水凝胶前驱体A中。本技术优选的方案中，选择具备良好透光性、离子渗透性和生物相容性的水凝胶材料为光纤基质材料，使得基于其制备的水凝胶光纤可以较低损耗的导光以及实现高效便捷的激发光导入和荧光收集。将具备高选择性荧光传感功能的MOFs微晶粒均匀混合到水凝胶前驱体中，调配不同浓度的水凝胶前驱体以满足纤芯和包层的折射率设计要求，同时调整水凝胶前驱体的粘弹性至较高后将其分别注入到共轴双料筒中，通过挤塑法或生物材料3D打印机从料筒出口挤出具有合适尺寸的芯包结构圆柱体，将普通石英光纤一端共轴插入到挤出的芯包结构圆柱体侧面芯层中，在紫外光辐射下固化后得到带普通光纤尾纤的水凝胶光纤。据此制备出基于荧光MOFs材料的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置，其特征在于，包括激发光光源、Y型光纤、延迟光纤、光纤连接处、水凝胶光纤、长通滤波片、荧光光谱仪、信号处理单元；所述激发光光源的光纤输出接口连接Y型光纤双端侧的第一端口，Y型光纤单端侧的端口与延迟光纤连接，延迟光纤的输出端与水凝胶光纤的石英光纤尾纤在光纤连接处对接，水凝胶光纤作为传感单元置于待测环境中，水凝胶光纤中产生的反射光信号经由原路返回至Y型光纤双端侧，Y型光纤双端侧的第二端口连接至长通滤波片，滤除激发光的散射光后获得的荧光信号连接至荧光光谱仪，经荧光光谱仪实时测得荧光光谱，将测量数据输入到信号处理单元，根据实时荧光光谱，解调出待测物的浓度情况。

【技术特征摘要】
1.基于发光金属有机框架物的水凝胶光纤传感装置，其特征在于，包括激发光光源、Y型光纤、延迟光纤、光纤连接处、水凝胶光纤、长通滤波片、荧光光谱仪、信号处理单元；所述激发光光源的光纤输出接口连接Y型光纤双端侧的第一端口，Y型光纤单端侧的端口与延迟光纤连接，延迟光纤的输出端与水凝胶光纤的石英光纤尾纤在光纤连接处对接，水凝胶光纤作为传感单元置于待测环境中，水凝胶光纤中产生的反射光信号经由原路返回至Y型光纤双端侧，Y型光纤双端侧的第二端口连接至长通滤波片，滤除激发光的散射光后获得的荧光信号连接至荧光光谱仪，经荧光光谱仪实时测得荧光光谱，将测量数据输入到信号处理单元，根据实时荧光光谱，解调出待测物的浓度情况。2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述激发光光源为LED光源、半导体激光器或光纤激光器，激发光光源的出射波长与金属有机框架物（MO...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘久林，赵利帅，杨中民，蒋立成，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44