本發(fā)明涉及低濃度重金屬離子檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于空芯光纖重金屬傳感器的檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工礦企業(yè)排放的大量重金屬污染物，主要以水為載體擴(kuò)散到環(huán)境中，通過直接飲用或者經(jīng)過食物鏈累積后間接進(jìn)入人體對生命健康構(gòu)成威脅，此外重金屬還通過土壤和地下水對環(huán)境造成持久性污染，危害深遠(yuǎn)。2009年環(huán)境監(jiān)測抽樣調(diào)查表明，我國城郊區(qū)域內(nèi)蔬菜重金屬超標(biāo)達(dá)到36.1％，其中主要以鉛和汞為主。2011年2月14日《新世紀(jì)》周刊封面報道了“鎘大米”事件，再次引起公眾對農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的擔(dān)憂和關(guān)注。另據(jù)報道，中國10％土壤已被重金屬污染，據(jù)此推算，中國至少有1.8億畝土地受到重金屬污染。環(huán)境中重金屬的在線監(jiān)測和農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的現(xiàn)場檢測技術(shù)研究雖然取得了一些進(jìn)展，但是由于環(huán)境中的重金屬的含量相對來說非常低，檢測起來非常的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于空芯光纖重金屬傳感器的檢測系統(tǒng)，能夠精確地對環(huán)境中的重金屬進(jìn)行檢測。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于空芯光纖重金屬傳感器的檢測系統(tǒng)，包括激光器、第一光纖準(zhǔn)直器、光纖環(huán)路器、第二光纖準(zhǔn)直器、光纖傳感器以及熒光光譜儀，所述激光器產(chǎn)生的激光束依次通過第一光纖準(zhǔn)直器、光纖環(huán)路器、第二光纖準(zhǔn)直器后傳輸?shù)焦饫w傳感器中，光纖傳感器內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面修飾的高密度熒光分子在激光的照射下與相應(yīng)的重金屬發(fā)生反應(yīng)后發(fā)射出熒光，熒光依次通過第二光纖準(zhǔn)直器、光纖環(huán)路器傳輸?shù)綗晒夤庾V儀中，熒光光譜儀對接收到的熒光進(jìn)行定量分析后得到重金屬的濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果：通過選擇合適的激光光源、高精度的光纖熒光光譜儀，并利用光纖環(huán)路器、光纖準(zhǔn)直器等光纖元件構(gòu)建全光路開放檢測系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)地、穩(wěn)定地對重金屬進(jìn)行在線監(jiān)測，同時，通過設(shè)置光纖環(huán)路器，一方面使得光路簡化，另一方面使得光纖傳感器的一端為開口狀，保證待測液體方便的進(jìn)入到光纖傳感器的空腔中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是在空心光纖內(nèi)介孔表面修飾熒光素的示意圖；

圖3是在空心光纖內(nèi)壁加工介孔結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖4是光纖傳感器檢測汞離子的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1至圖4，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。

參閱圖1，一種基于空芯光纖重金屬傳感器的檢測系統(tǒng)，包括激光器10、第一光纖準(zhǔn)直器20、光纖環(huán)路器30、第二光纖準(zhǔn)直器50、光纖傳感器60以及熒光光譜儀70，所述激光器10產(chǎn)生的激光束依次通過第一光纖準(zhǔn)直器20、光纖環(huán)路器30、第二光纖準(zhǔn)直器50后傳輸?shù)焦饫w傳感器60中。第一光纖準(zhǔn)直器20用于將激光耦合至傳輸光纖中，第一光纖準(zhǔn)直器20和光纖環(huán)路器30之間的傳輸光纖可以選用纖芯直徑為200μm的光纖，第二光纖準(zhǔn)直器50用于將激光耦合至光纖傳感器60中，光纖傳感器60的纖芯可以選用直徑為200μm～400μm的光纖。光纖傳感器60內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面修飾的高密度熒光分子在激光的照射下與相應(yīng)的重金屬發(fā)生反應(yīng)后發(fā)射出熒光，熒光依次通過第二光纖準(zhǔn)直器50、光纖環(huán)路器30傳輸?shù)綗晒夤庾V儀70中，可以選用美國Ocean Optics公司的QE6500型號的熒光光譜儀，熒光光譜儀70對接收到的熒光進(jìn)行定量分析后得到重金屬的濃度。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述的光纖傳感器60設(shè)置有多個，每個光纖傳感器60的一端均設(shè)置有一個第二光纖準(zhǔn)直器50，各光纖傳感器60中組裝的熒光素相異，由于不同的熒光素分子和不同的重金屬發(fā)生反應(yīng)，這樣，多個光纖傳感器60可以實(shí)現(xiàn)對多種重金屬離子的同時檢測，提高檢測效率；激光束經(jīng)過光纖環(huán)路器30后進(jìn)入光纖分路器40中分成多路后輸出至多個第二光纖準(zhǔn)直器50中。為了滿足其他的使用需求，光纖分路器40的其中一路可以作為參考臂。

進(jìn)一步地，包括微泵浦單元80，微泵浦單元80包括微型泵81、管道82、腔室83；腔室83的一端與光纖傳感器60相連，另一端通過傳輸光纖連接光纖分路器40，從傳輸光纖輸出的激光通過腔室83內(nèi)的第二光纖準(zhǔn)直器50后進(jìn)入到光纖傳感器60中；管道82的一端固定在微型泵81進(jìn)水口或者出水口上，管道82的另一端固定在腔室83上并通過腔室83與光纖傳感器60連通。連接上微泵浦單元80后，微型泵81、管道82、腔室83以及光纖傳感器60的中空腔室形成一個通道，在微型泵81的作用力下，待測液體會在通道中進(jìn)行流動，微泵浦單元80可以提高單位時間內(nèi)從光纖傳感器60中通過的待測液體流量，這樣，產(chǎn)生的熒光信號也越強(qiáng)，更有利于熒光光譜儀70進(jìn)行分析。

參閱圖2，有很多種方式可以在光纖傳感器60內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面上修飾高密度熒光分子，本實(shí)施例中提供兩種較為優(yōu)選的方案以供參考。

實(shí)施例一，包括如下步驟：(A)通過濃硫酸和雙氧水對空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面進(jìn)行親水處理使其含有較多的羥基；(B)然后利用氨丙基三乙氧基硅烷和空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面的羥基發(fā)生醇解反應(yīng)使得空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面氨基化；(C)選擇合適的功能單體和熒光素分子進(jìn)行偶合；(D)將步驟C中形成的帶有熒光素分子的功能單體通過步驟B中的氨基固結(jié)在空心光纖的內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面。在實(shí)施例一中，功能單體和熒光素分子先偶合在一起，然后再一起結(jié)合在空心光纖的內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面，是圖2中①箭頭所示的方法，這樣做可以保證功能單體和熒光素分子的充分結(jié)合。

實(shí)施例二，通過另一種方式進(jìn)行熒光素分子的結(jié)合，如圖2中的②箭頭所示，包括如下步驟：(A)通過濃硫酸和雙氧水對空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面進(jìn)行親水處理使其含有較多的羥基；(B)然后利用氨丙基三乙氧基硅烷和空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面的羥基發(fā)生醇解反應(yīng)使得空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面氨基化；(C)選擇合適的功能單體對空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面進(jìn)行修飾，功能單體的一端通過氨基固結(jié)在空心光纖的內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面；(D)熒光素分子通過功能單體組裝到空心光纖內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面。該步驟中，先將功能單體結(jié)合到空心光纖上，然后再結(jié)合熒光分子，這樣做可以讓提高功能單體和空心光纖的結(jié)合效果。

實(shí)施例一和實(shí)施例二中，通過選擇空心光纖，在光纖的內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔上組合上熒光素分子，熒光素分子能夠和待檢測的重金屬發(fā)生反應(yīng)從而產(chǎn)生熒光，由于是在光纖內(nèi)產(chǎn)生的熒光，這樣熒光就能通過光纖傳輸出來被熒光光譜儀所采集，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制備起來非常的方便。根據(jù)待檢測重金屬的不同，選擇能與重金屬發(fā)生反應(yīng)的熒光素分子，再根據(jù)該熒光素分子選擇合適的功能單體。以重金屬汞為例，功能單體可以選擇乙二醛，乙二醛的通過氨基固結(jié)在光纖表面，另一端懸置的醛基可以與冠醚類對汞敏感的熒光素分子的氨基鍵合；當(dāng)然，可以使用其他的功能單體，如丙烯酰胺、異硫氰酸進(jìn)行表面修飾從而對不同結(jié)構(gòu)的熒光素分子進(jìn)行組裝，從而對汞離子檢測方法進(jìn)行優(yōu)化。圖4所示的重金屬汞離子與熒光素分4發(fā)生反應(yīng)的示意圖。

參閱圖3，空心光纖能夠組合到的熒光素分子個數(shù)與空心光纖的內(nèi)壁或內(nèi)壁介孔表面積有關(guān)，表面積越大，能組合到的熒光素分子越多，熒光素分子越多，參與反應(yīng)的重金屬越多，產(chǎn)生的熒光越強(qiáng)，更利于熒光光譜儀進(jìn)行分析。所以，實(shí)施例一、二中優(yōu)選地，均優(yōu)選在空心光纖內(nèi)壁介孔表面上修飾高密度熒光分子。而其中的內(nèi)壁介孔可以按照如下的步驟加工而成：(S1)通過濃硫酸和雙氧水對空心光纖內(nèi)壁表面進(jìn)行親水處理使其含有較多的羥基；(S2)然后利用氨丙基三乙氧基硅烷和空心光纖內(nèi)壁表面的羥基發(fā)生醇解反應(yīng)使得空心光纖內(nèi)壁表面氨基化；(S3)在空心光纖中加入聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球在與氨基之間的鍵合作用以及相互之間的靜電力作用下進(jìn)行自組裝；(S4)加入SiO₂溶膠循環(huán)流動使得SiO₂僅在聚苯乙烯小球的空隙中形成凝膠，然后去除多余的SiO₂溶膠；(S5)加熱一定時間或者采用有機(jī)溶劑洗脫的方式去除聚苯乙烯小球從而在空心光纖的內(nèi)壁上形成介孔結(jié)構(gòu)。通過在空心光纖的內(nèi)壁上形成介孔結(jié)構(gòu)，從而大幅增加空心光纖內(nèi)的表面積，從而能夠結(jié)合更多的熒光素分子。這里通過先將聚苯乙烯小球結(jié)合在空心光纖內(nèi)壁上，然后在小球的間隙中填充SiO₂溶膠，最后固化SiO₂并除去聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球原來的位置就成了空位，形成介孔，使用該方法形成介孔非常的方便，并且，可以選擇不同尺寸的聚苯乙烯小球來形成所需要大小的介孔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述的步驟S3中，通過調(diào)節(jié)聚苯乙烯小球的濃度實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯小球的單層或者逐層自組裝從而在空心光纖內(nèi)壁表面形成單層聚苯乙烯小球或者多層的聚苯乙烯小球，并進(jìn)行低溫加熱加速干燥，該低溫的溫度范圍為30℃～80℃。多層介孔結(jié)構(gòu)能提供更大的表面積；單層的介孔結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，可以根據(jù)需求選擇單層或多層介孔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述的步驟S4中，SiO₂溶膠通過正硅酸乙酯水解形成；形成凝膠后，通過向空心光纖中通入氮?dú)庋h(huán)干燥一段時間來去除多余的SiO₂溶膠。通入氮?dú)?，有幾方面好處，其一，能夠通過氣流移除對于的SiO₂溶膠，其二，可以保證空心光纖的暢通，其三，加速SiO₂溶膠的干燥固化。當(dāng)然，也可以選擇通入其他的惰性氣體，只要是不參與反應(yīng)的氣體都可以。

去除聚苯乙烯小球的方式有很多，前面提供了兩種方式，一種是加熱，另一種是溶解。采用加熱的方式去除時，優(yōu)選地，所述的步驟S5中，加熱的溫度為400℃～500℃，加熱的時間大于2小時，這樣才能充分的去除聚苯乙烯小球。采用溶解的方式時，優(yōu)選地，有機(jī)溶劑可以為芳烴(如苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等)、氯化烴(如四氯化碳、氯仿、二氯甲烷、氯苯等)或酯類。

介孔的具體結(jié)構(gòu)，跟各步驟中所加溶液溶度、用量以及各步驟中的壓力、溫度、時間等參數(shù)都有關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)的方式加工出所需求的介孔結(jié)構(gòu)。