在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF-SPR传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种光纤传感器，具体涉及一种在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF

【技术实现步骤摘要】
在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器


[0001]本专利技术涉及一种光纤传感器，具体涉及一种在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器。

技术介绍

[0002]硫化氢气体是腐蚀性极强的剧毒高危气体，在石油和天然气开采、井矿勘探、化工、钢铁等多个生产环节都受到硫化氢气体的影响。尤其在高含硫油气田勘探开发过程中极易发生硫化氢气体泄露事故， 污染环境，威胁人身安全并腐蚀破坏石油天然气装备。因此，对硫化氢气体进行实时在线的有效监测是解决上述问题的关键。
[0003]目前，基于电化学法、气相色谱法、氧化物电阻率法、光纤型等硫化氢传感器相继被提出。其中，电化学法存在杂质易与电解质反应使传感器失效的问题；气相色谱法存在待测介质定性能力差、设备系统复杂等缺点；基于氧化物电阻率变化的硫化氢传感器多需要在高温下才能发挥功能，且气体选择性和稳定性较差。
[0004]光纤型传感器凭借其体积小、兼容性好、可远距离传输、适应恶劣环境能力强等突出优势备受关注，在被采纳对硫化氢气体进行实时监测的发展过程中逐渐被优化和升级。微结构光纤是一种以石英为基底材料、并在包层内引入系列空气孔的新型特种光纤，灵活的结构设计、无截止单模传输、可调的色度色散以及良好的非线性等得天独厚的杰出特性为光纤传感领域注入了无限生机与活力。
[0005]表面等离子共振（SPR）是发生在介质和金属表层之间的自由电子受激集群振荡的一种光学现象。由于其对周围各物理参量（应变、温度、折射率、位移、磁场）变化极为敏感，尤其在对环境中分析物（气态或液态）折射率的检测过程中显现颇高的灵敏度和分辨率，常被引入光纤传感研究领域。凭借其灵敏度高、检测成本低、响应速度快、实时无标记监测等突出优势被广泛应用于环境安全领域中对待测样品的检测、成分分析、识别与鉴定。
[0006]MOF传感器与SPR技术的结合，促进了纳米传感技术的蓬勃发展。相比普通光纤SPR传感器，MOF
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SPR传感器通过调控包层内空气孔的排布既可有效地把入射光限制在纤芯亦可优化光的对外传输路径，进一步提高模式耦合效率激发SPR产生强烈的共振效应。近年来，在对样品的折射率检测中，结构各异所被设计的MOF
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SPR传感器层出不穷，亦或是对高折射率液态物质（n>1.33）进行检测, 亦或是对低折射率气态物质（n<1.33）进行检测，甚至在对低折射率物质进行检测时，可触及的折射率范围一般在1.10
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1.33之间，折射率低于1.10的物质几乎不能被检测，而硫化氢气体的折射率正处于1.00
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1.10之间，因此急需设计一种可对超低折射率气体进行检测的高性能MOF
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SPR传感器。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种在线检测硫化氢气体折射率变化的超敏MOF
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SPR传感器装置。利用SPR技术和能量耦合原理对待测样品硫化氢气体的折射率变化进行实时在线检测。样品折射率的微小改变能够影响损耗曲线的共振波长。在可操作的红外
工作波段（900
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2750 nm）实现了对硫化氢气体在宽检测范围内（1.00
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1.38）的超敏表达。上下开环结构实现双向SPR激发；在超低折射率范围1.00
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1.10达成对待测样品的超敏检测；结构设计合理，应用广泛。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：一种在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器（MOF
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SPR为微结构光纤表面等离子体共振的缩写），所述在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器为光纤传感器，该光纤的包层内设有中心空气孔，包层的外壁上开有两段对称分布的开环缺口，开环缺口两侧的包层内设有对称分布的10个外层空气孔，10个外层空气孔对称的排布在正六边形的侧边上，所述中心空气孔和开环缺口之间设有对称分布的两个空气孔，中心空气孔的两侧设有两个内层空气孔，两个内层空气孔对称的分布在开环缺口的两侧；所述包层的外壁和开环缺口内壁上镀有金膜，包层的背景材料为二氧化硅。
[0009]进一步的，折射率型MOF
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SPR气体传感器为微结构光纤传感器，微结构光纤的包层内设有三种不同尺寸的空气孔，外围的10个外层空气孔按照六边形规律排列，水平中轴线上的2个内层空气孔及中心空气孔的组合排布方式把等效纤芯分成上下两个区域构成双芯结构，成对出现的空气孔分两组分布在纤芯和金属薄膜之间，既有效的把大部分能量限制在纤芯中，又优化了光的传输路径，包层内三种空气孔大小交替的排布方式构成了六边形双芯传感结构。对包层外壁进行微抛光处理，纤芯区域所对的包层，上下两侧进行双开环处理，包层外壁和双开环缺口内镀有金膜，构建了双侧同时激发SPR的传感装置。
[0010]进一步的，所述包层的半径为 6 mm
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6.4 mm；所述空气孔的半径为0.4 mm
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0.5 mm；所述中心空气孔半径为0.45
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0.55 mm；所述外层空气孔和内层空气孔的半径为0.75 mm
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0.85mm；所述金膜的厚度为65 nm
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75 nm。
[0011]进一步的，所述包层的半径为 6 .2 mm；所述空气孔的半径为0.45mm；所述中心空气孔半径为0.5 mm；所述外层空气孔和内层空气孔的半径为0.8 mm；所述金膜的厚度为70 nm。
[0012]进一步的，所述开环缺口为两端不通的一段圆形缺口。
[0013]进一步的，所述光纤传感器的微结构光纤为折射率引导型（TIR）。
[0014]本专利技术的有益效果：提供一种在线检测硫化氢气体折射率变化的超敏MOF
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SPR传感器。利用SPR技术和能量耦合原理对待测样品硫化氢气体的折射率变化进行实时在线检测。样品折射率的微小改变能够影响损耗曲线的共振波长。在可操作的红外工作波段实现了对硫化氢气体在宽检测范围内的超敏表达。上下开环结构实现双向SPR激发；在超低折射率范围达成对待测样品的超敏检测。折射率型MOF
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SPR硫化氢气体传感器的优点如下：（1）、可对气、液两种状态的物质进行检测，尤其可实现对处于超低折射率范围内（1.00
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1.10）的气体进行有效检测；（2）、可检测的样品折射率范围广：1.00
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1.38；（3）、可操作的工作波长可延伸到红外光谱区域：900
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2750 nm；（4）、双向激发SPR大力提升模式耦合效率，呈现优良的光学特性，最佳灵敏度和分辨率分别为20000 nm/RIU、5
×
10
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6 RIU；（5）、结构设计合理，易于实际制造和多领域应用。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器，其特征在于：所述在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器为光纤传感器，该光纤的包层（1）内设有中心空气孔（6），包层（1）的外壁上开有两段对称分布的开环缺口（2），开环缺口（2）两侧的包层（1）内设有对称分布的10个外层空气孔（4），10个外层空气孔（4）对称的排布在正六边形的侧边上，所述中心空气孔（6）和开环缺口（2）之间设有对称分布的两个空气孔（3），中心空气孔（6）的两侧设有两个内层空气孔（5），两个内层空气孔（5）对称的分布在开环缺口（2）的两侧；所述包层（1）的外壁和开环缺口（2）内壁上镀有金膜（7），包层（1）的背景材料为二氧化硅。2.根据权利要求1所述的一种在线检测硫化氢气体折射率变化的MOF
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SPR传感器，其特征在于：所述包层（1）的半径为 6 mm
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6.4 mm；所述空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，刘伟，吕靖薇，杨琳，王建鑫，付海昊，汪发美，吕婷婷，安妮，何洁，罗兴娣，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：