【摘 要】
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水中溶解氧的含量反应了当前水体环境的水质情况,也是水体环境自净能力的重要指标之一。如何快速,准确的测量水中溶解氧的含量受到越来越多科研人员的关注。现如今用于实时在线测量溶解氧的方法都有各自的特点,但光学方法设计的溶解氧传感器具有响应时间快、不受电磁干扰、传输损耗低,在测量的过程中不消耗氧气等特点使其成为新一代溶解氧检测技术的探索方向。本文提出了两种基于光学方法检测溶解氧含量的光纤传感器。一种是基于
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水中溶解氧的含量反应了当前水体环境的水质情况,也是水体环境自净能力的重要指标之一。如何快速,准确的测量水中溶解氧的含量受到越来越多科研人员的关注。现如今用于实时在线测量溶解氧的方法都有各自的特点,但光学方法设计的溶解氧传感器具有响应时间快、不受电磁干扰、传输损耗低,在测量的过程中不消耗氧气等特点使其成为新一代溶解氧检测技术的探索方向。本文提出了两种基于光学方法检测溶解氧含量的光纤传感器。一种是基于荧光猝灭原理的溶解氧传感器,通过测量荧光强度的变化来测量溶解氧含量。另一种是基于表面等离子体共振原理,在光纤SPR传感器表面修饰一层对氧敏感的血红蛋白制作而成的溶解氧传感器。并分别对两种传感器的传感性能进行测量和分析。本文的主要研究内容包括:（1）设计了一种基于荧光猝灭原理的荧光光纤传感器。选取Ru（bpy）2Cl2为氧敏感的荧光材料,并对其荧光特性进行了测量,得到其激发波长与发射波长。提出了一种细锥型的光纤结构,建立了光纤探头的传感模型并进行了仿真分析出该结构的最优结构参数。采用层层自组装技术,将荧光材料涂覆在光纤表面,制备了荧光光纤传感器。（2）采用检测荧光强度的方法来测量溶解氧含量,搭建了整个测量的溶解氧浓度的实验系统。在搭建完整个实验系统之后,对传感器的传感特性进行了测试。实验结果表明传感器在溶解氧浓度在5mg/L～15mg/L的范围内,具有良好的线性响应。通过Stern-Vomler方程的拟合,得到常数Ksv的系数为0.15。随后对溶解氧传感器的可逆性,响应时间和温度影响进行了分析,对传感器的重复性进行了研究。最后进行了阶跃型光纤结构与本文提出的细锥型光纤结构传感特性的对比和分析。（3）设计了一种基于修饰血红蛋白的反射式光纤SPR原理的溶解氧传感器。基于光纤表面等离子体共振的理论基础,设计了一种反射式光纤SPR传感器的模型,通过对传感器的纤芯直径,传感区域长度以及金膜的厚度等结构参数进行了仿真分析,从而确定了结构参数的最优值。根据仿真结果所得到结构参数进行了传感器的制作,采用真空镀膜的方法制作出了反射式光纤SPR传感器。随后测试了反射式SPR传感器的折射率灵敏度。（4）在金膜表面上修饰了血红蛋白,进行了溶解氧的测量。实验结果表明该传感器在溶解氧浓度范围为2mg/L～20mg/L内的检测灵敏度为3.271nm/mg·L-1,最低检测限达到0.03mg/L。随后,对传感器的重复性也进行了实验研究,证明了传感器可用于重复性测量。最后,又制作了银膜的SPR传感器,测量其折射率的灵敏度,与金膜的折射率灵敏度进行对比。分析比较之后,在银膜表面修饰血红蛋白,进行了溶解氧浓度的测量,对实验结果进行了分析。最后在金膜表面修饰碳纳米管管材料增强SPR的灵敏度,以此来提高溶解氧浓度检测的灵敏度。
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