研究硬脂酸复合薄膜光波导传感器的气敏性

山东省寿光市维坊科技学院机械工程学院 黄长永

苯乙烯是一种常见的工业原料，在常温下，以液体形态存在，气味芳香，无色透明，但是是 WHO和IRAC确认的致癌有毒物质，并是一种危害较大的空气污染物，因此需要一种灵敏度、准确度较高的元件来对这种气体进行有效的检测［1］。光波导元件就是一种集高灵敏度、低成本等优点于一身的一种便于操作与携带的传感器。本文用硬脂酸复合薄膜制作光波导元件并对挥发性蒸汽苯乙烯进行检测，从而研究其灵敏度［2］。

1 实验方法

1．1 准备苯乙烯气体

将苯乙烯气体食量放入到一定容量的容器中，让其自然挥发，完全挥发后测定其浓度，并与计算值进行对比［3］。采用稀释法得到不同浓度的气体蒸汽用于单个气体的灵敏度实验，按照1×10－3%（体积分数）来进行选择性实验。

1．2 玻璃光波导元件的准备

将显微镜的载玻片做为基板放入熔化了的硝酸钾液体中，让其发生离子交换反应，反应完毕后取出载玻片，在常温下冷却，冲洗后观察备用。

1．3 光敏层准备

利用匀胶机把制备好的溶液（用无水乙醇溶解0．245g的硬脂酸粉末，用进行磁力搅拌过滤）固定于上一步中制备的玻璃光波导元件表面，最后放入干燥器中干燥备用。

1．4 气体检测

1．4．1 气体检测系统组成

详细的检测系统如图一所示

图一 （A）光波导元件检测系统

（B）原件中导波光的传播

整个系统是由光波导元件、光电倍增管、记录仪、空气（作为被检测气体的载气）、流量计、光源、流动池、反射镜以及光源等部分组成。具体构成见图一中的（A）。

1．4．2 检测流程

使用棱镜耦合法激励导波光→用记录仪记录光电倍增管检测到的并输入电脑的数据→激光通过棱镜进入光波导发生内反射→产生倏逝波沉头到硬脂酸复合薄膜，详见图一（B）。

2 结果与讨论

2．1 相关公式

2．1．1 透射率与折射率的关系

2．1．2 灵敏度与表面折射率的关系

2．2 计算

把2．1．1与2．1．2的公式结合起来，经过计算可得，表面灵敏度与敏感膜的透射率是成反比的。这个结果可以指导光波导元件的开发。

2．3 灵敏度检测结果

对不同浓度的苯乙烯使用所制备的元件进行测定，获得的结果如图二所示。

从图中的实验结果可以看出，所制备的光波导传感器对苯乙烯气体的灵敏度非常高，可以监测到1×10－7%（体积分数）。

3 结论

本次试验成功地证实了：以硬脂酸复合薄膜制备的光波导元件能够成功的检测到体积分数为1×10－7%的苯乙烯蒸汽。而且使用硬脂酸复合薄膜制备的光波导元件具有以下的优点：制备简单，成本低［4］。体积较小，便于携带。对气体的灵敏度较高，检测较准确［5］。能够检测多种气体，可以广泛应用［6］。应运而生，能够解决当前空气污染的检测问题［7］。

在目前空气污染严重的局势下，使用硬脂酸复合薄膜制备的光波导元件能够很好的检测空气中的有害气体，对防治空气污染具有非常好的价值，而且拥有光明的开发前景，值得我们研究开发［8］。

［1］秦宏兵，顾海东，尹燕敏．吹扫捕集气相色谱质谱法测定土壤中挥发性有机［J］．中国环境监测，2009．25（4）：39一II．

［2］杜振辉，翟雅琼，李金义等．空气中挥发性有机物的光谱学在线监渊技术［J］．光谱学与光谱分析．29（12）：3199—3203．

［3］张早轶，谢长生，李登峰等．基于纳米ZnO气体传感器阵列的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的识别研究［J］传感技术学报，2006，19（3）：552－554．

［4］彭夫敏，谢品华，邵士勇等．差分吸收光谱法对大气中挥发性有机物光化学作用指示剂的监测与反演［J］．光谱学与光谱分析．2008，28（3）：507—511．

［5］张皓，张成立．用于气体传感器的多孔硅的制备方法研究［J］．化学通报．2010．73（6）：568—572．

［6］热扎克－卡地尔，海日沙·阿布莱提，阿布力孜·伊米提等．MB／PVP薄膜光波导传感元件对甲醛的气敏性研究［J］传感技术学报．2009．22《9）：1239—1242．

［7］麦麦提依明·马合木提，阿达来提·阿不都热合曼，阿布力孜·伊米提等．掺杂三乙醇胺铜配合物的PVA复合薄膜／K＋交换玻璃光波导器件检测SO2气体［J］．传感技术学报．2008，21（10）：1665－1668．

［8］陈凯，吴文鹏，郏顺镟．ZnO／TiO：多层薄膜氨气敏光学特性研究［J］．激光技术．2001，25（3）：209—213．