博文
COL封面故事：高灵敏度长周期光纤光栅甲烷敏感薄膜传感器
||
Chinese Optics Letters编辑部
甲烷是矿井瓦斯的主要成分（约占83%~89%），检测瓦斯中的甲烷浓度对于预防瓦斯事故发生具有重要作用。笼形分子（Cryptophanes）是一种对甲烷具有直接光敏感响应的光功能高分子材料，与甲烷分子作用后其折射率将发生变化，因此与长周期光纤光栅结合后，可以形成一种高选择性的折射率型甲烷传感器。
近期，重庆大学陈伟民教授所在的课题组采用苯乙烯-丙烯腈/笼形分子A纳米薄膜，制备出了高灵敏度长周期的光纤光栅甲烷传感器。该研究成果将发表在Chinese Optics Letters 2013年第8期上。
基于长周期光纤光栅4层模型，该组研究人员理论分析了长周期光纤光栅谐振波长移动量Δλres及其变化率随纳米薄膜厚度增加而变化的规律，计算结果表明：当纳米薄膜厚度从465 nm增加至700 nm时，变化率逐渐减小，且传感器的理论最佳覆盖膜层厚度为465 nm。
实验中，为了解决因手工提拉、溶剂挥发速度太快导致的薄膜厚度不均匀、多孔等问题，他们采用自动浸涂机将光纤光栅浸入涂覆液后缓慢提拉的制备方法，涂覆液主要由笼形分子A、苯乙烯-丙烯腈光学树脂和低挥发性邻二氯苯溶剂组成。通过优化长周期光纤光栅提拉速度和溶剂的挥发速度，最后获得了膜层厚度易于控制的致密而均匀的纳米薄膜，从而显著提高了传感器的灵敏度。对于膜厚484 nm的长周期光纤光栅甲烷传感器，该传感器的灵敏度为~0.633 nm %−1，检出限为0.2%，且其对瓦斯样品的检测结果与传统气相色谱仪基本一致。
当前，纳米薄膜主要还是笼形分子A、苯乙烯-丙烯腈光学树脂复合膜，传感器响应时间为50 s左右。因此，为了进一步改善传感器性能，研究人员表示，下一步需要将分层纳米薄膜用于甲烷传感器上，相关的实验结果将在后续的工作中进行报道。
图示说明：甲烷气体通过长周期光纤光栅甲烷传感器时，苯乙烯-丙烯腈/笼形分子A纳米薄膜与甲烷分子相互作用，引起薄膜折射率变化，使长周期光纤光栅谐振波长移动。
论文链接：High-sensitivity long-period fiber grating sensor with SAN/cryptophane A for coal mine gas detection
https://blog.sciencenet.cn/blog-3176-743750.html
上一篇：COL封面故事：锐利金属边缘在光挤压中的应用（2013，issue7）
下一篇：COL封面故事：通过光镊系统研究糖尿病引发心血管疾病的分子机理
