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CN115356288A - 基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法 - Google Patents

基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法 Download PDF

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CN115356288A
CN115356288A CN202210938161.XA CN202210938161A CN115356288A CN 115356288 A CN115356288 A CN 115356288A CN 202210938161 A CN202210938161 A CN 202210938161A CN 115356288 A CN115356288 A CN 115356288A
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CN
China
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optical fiber
fiber grating
micro
pani
nano
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Pending
Application number
CN202210938161.XA
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徐永正
贾玉玺
高宇欣
杨盖
王宁
赵志彦
王海庆
程梦萱
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Shandong University
Original Assignee
Shandong University
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Publication date
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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Abstract

本发明公开了一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法，包括：依次连接的输入光纤和光纤光栅区探头；所述光纤光栅区探头部分经过蚀刻处理，并且光纤光栅区探头表面覆盖PANI膜，所述PANI膜为在光纤光栅区探头表面原位生长而成；所述PANI膜能够吸附环境中的设定气体而使其电导率降低，从而引起光纤光栅中反射谱中心波长的漂移，进而实现对设定气体浓度的检测。本发明把微纳光纤的折射率敏感特性和PANI的气敏特性有机地结合起来，在光纤栅区表面原位生长PANI膜，所得传感器灵敏度高、响应/回复时间快且稳定性好；可以用于气体、液体成分或浓度的测试中。

Description

基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着现代工业的飞速发展，各种工业废气的排放量越来越大，其中含有大量有毒气体和易燃易爆气体，不仅会对环境造成污染，也会对人类健康造成危害。新能源车的动力电池和储能电站的储能电池在损伤之后、自燃之前也产生多种有毒气体和易燃易爆气体，如果能及时检测且处理得当，就能避免电池自燃甚至爆炸事故的发生。
其中，氨气(NH3)是一种典型的无色、具有刺激性的有毒有害气体，是一种常见的空气污染物。同时，一定浓度的氨气会对人体健康造成危害。当人们处于25ppm的NH3环境下8h，甚至35ppm的NH3中15min时，NH3便会对人们的眼睛、呼吸道造成严重的伤害。因此及时准确地监测并控制污染源或大气环境中的NH3等有毒有害气体的浓度，对环境保护和人类健康具有重大意义。
传统的电化学式气体传感器的灵敏度和精度较高，但是其抗干扰性差，且使用温度高；光谱吸收型气体传感器的体积庞大、成本高，且难以在高粉尘、高湿度、振动环境中实现原位在线监测。
相较于传统传感器，光纤气体传感器具有抗干扰性强、选择性高、可复用、工作温度低、响应速度快、可在线原位实时监测气体等优点。光纤光栅气体传感器属于光纤气体传感器中研究广泛的一种，其利用的是气体与光纤栅区表面的气敏材料接触诱导光纤光栅的透射谱或者反射谱发生一定的改变，从而实现对气体的传感。光纤光栅主要包括：短周期光纤光栅，即光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)以及长周期光纤光栅(LongPeriod Fiber Grating，LPFG)。
相比于LPFG传感器，FBG传感器的抗干扰能力更强，性能更加稳定，但是商品化的FBG的纤芯被厚厚的包层包裹着，无法直接与外界环境接触，因此无法基于光学折射率改变的原理直接用于气体的检测。
因此，目前大多采用LPFG传感器进行生化传感研究，而对于采用FBG传感器检测微量的气体及其变化方面的研究，仍需要克服诸多困难。
现有技术公开了一种FBG气体传感器的制备方法，采用热旋转涂覆高分子薄膜的FBG传感器制备方法，在光纤栅区表面涂覆气敏高分子薄膜，能够保证高分子薄膜在光纤栅区表面的涂覆质量，使得薄膜厚度均匀；但是，该光纤传感器利用的是涂覆在光纤栅区表面的高分子薄膜吸附气体后诱导产生体积膨胀或收缩效应，从而使FBG的栅距改变，达到气体检测的目的，这类FBG气体传感器只适用于高浓度气体的环境，无法检测ppm级的气体。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法，其利用的是微纳光纤对环境光学折射率敏感的特性进行气体浓度的检测；同时为了解决其灵敏度低和选择性差的问题，引入了聚苯胺(Polyaniline，以下简称PANI)作为气体敏感材料，在蚀刻加工后的光纤光栅的栅区表面原位生长PANI并做必要的改性处理，同时通过实时监测聚合物生长过程中的反射谱强度，获得合适的PANI膜层厚度和涂覆均匀性以确保光纤信号强度良好且稳定，并有效保证PANI与光纤光栅的栅区表面的结合牢固度。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器，包括：依次连接的输入光纤和光纤光栅区探头；所述光纤光栅区探头部分经过蚀刻处理，并且光纤光栅区探头表面覆盖PANI膜，所述PANI膜为在光纤光栅区探头表面原位生长而成。
PANI膜能够吸附环境中的设定气体而使其电导率降低，从而引起光纤光栅中反射谱中心波长的漂移，进而实现对设定气体浓度的检测。
作为具体的示例，上述的光纤光栅区探头可以为FBG光纤光栅区探头。本发明将微纳FBG光纤气体传感器的光学折射率敏感特性和PANI的气敏特性有机地结合起来，在光纤栅区表面原位生长PANI膜，解决了FBG传感器本身对气体灵敏度低和选择性差的问题；同时，通过PANI膜原位生长的方式，有效解决了聚合物在FBG光纤光栅表面的厚度控制和均匀涂覆以及稳定牢固地与FBG光纤光栅结合的技术问题。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，包括：
对光纤栅区进行蚀刻处理，同时监测光纤光栅反射谱的中心波长，当中心波长偏移设定值后，用去离子水浸泡栅区以去除栅区表面残留的杂质；
将光纤从去离子水中取出，对栅区进行表面处理；然后对光纤进行干燥处理；
在光纤栅区表面进行PANI的原位生长。
作为进一步地方案，在光纤栅区表面进行PANI的原位生长的过程具体为：
将苯胺单体分散在设定pH值的酸溶液中，形成苯胺－酸溶液；
将引发剂过硫酸铵均匀分散在与上述pH值相同的酸溶液中，形成过硫酸铵－酸溶液；
将表面处理完成的光纤栅区竖直浸入所述苯胺－酸溶液中，并进行冷却；将所述过硫酸铵－酸溶液加入所述苯胺－酸溶液中，形成反应液，使苯胺开始在栅区表面聚合生长；
同时监测光纤光栅反射谱中心波长的强度，满足设定要求后，将光纤取出。
作为进一步地方案，原位生长结束后，还包括：
将光纤浸入去离子水中清洗栅区表面残留的杂质；
将栅区完全浸入氨水溶液中，进行PANI薄膜的脱掺杂处理；
将光纤从氨水溶液中取出，再浸入去离子水中去除表面残留的氨分子，之后将其浸入相应的酸溶液中，调节其pH值对PANI薄膜进行再掺杂；最后将光纤取出进行充分干燥。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种用于检测NH3浓度的传感系统，包括：光纤光栅解调仪，上述的微纳光纤气体传感器和计算机；所述微纳光纤气体传感器的输入光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接。
进行NH3浓度检测时，光纤光栅解调仪内置光源输出的光信号经微纳光纤气体传感器的输入光纤进入到栅区，栅区表面的PANI膜吸附环境中的NH3，NH3分子夺取PANI分子链中亚胺氮上的质子使得PANI膜的电导率降低，引起光纤纤芯中反射谱中心波长的漂移，进而计算得到NH3的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明把微纳光纤的折射率敏感特性和PANI的气敏特性有机地结合起来，在光纤栅区表面原位生长PANI膜，所得传感器可检测1～100ppm浓度范围的NH3，具有灵敏度高、响应/回复时间快且稳定性好的优点；可以用于气体、液体成分或浓度的测试中。
(2)本发明在光纤栅区表面原位生长PANI的过程中，通过解调仪实时监测微纳光纤光栅的信号变化，同时通过调节反应液的pH值控制PANI的生长速度和形貌，可制备得到颗粒大小均匀、厚度均匀以及多孔的PANI膜，并且PANI膜与光纤栅区表面结合牢靠，不易脱落；能够获得信号稳定、膜厚度适中且气敏性能优异的气体传感器。
(3)本发明中PANI膜的去掺杂和再掺杂过程一方面是为了去除反应过程中未反应的小分子、低聚物以及引发剂分子，排除其对传感器气敏性能的干扰，另一方面是为了实现对PANI电导率的可逆调控，获得对NH3的迅速响应/回复特性。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的微纳FBG气体传感器结构示意图；
图2为本发明实施例中的用于检测NH3浓度的传感系统结构示意图；
图3为本发明实施例中的表面原位生长PANI的微纳光纤的电子显微镜照片；
图4为本发明实施例中的基于表面原位生长PANI的微纳FBGNH3传感器的响应值与NH3浓度的关系曲线；
图5为本发明实施例中传感器在60天内的稳定性测试曲线；
其中，1.输入光纤，2.光纤光栅区探头，3.光纤光栅解调仪，4.计算机；101.保护层，102.包层，103.纤芯，201.光栅，202.PANI膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
正如背景所说，由于微纳光纤本身对NH3的检测灵敏度低且不具有优异的气体选择性，因此本实施例通过涂覆特殊的氨敏材料来解决这个问题。而如何实现光纤光栅直径的优选和加工，在此基础上如何实现敏感涂层材料的优选和改性加工，如何实现敏感涂层材料在光纤光栅表面的厚度控制和均匀涂覆，以及如何稳定牢固地与光纤光栅结合是目前面临的主要挑战。
基于此，在一个或多个实施方式中，公开了一种基于表面原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器，本实施例以FBG气体传感器为例(当然其他基于折射率敏感机理的微纳光纤也都在本发明的保护范围内，下面实施例也是一样)，结合图1，具体包括：依次连接的输入光纤1和光纤光栅区探头2；其中，输入光纤1为单模光纤，包括由内而外依次设置的纤芯103、包层102和保护层101；光纤光栅区探头2部分经过蚀刻处理，并且光纤光栅区探头部分内部设有光栅201，光纤光栅区探头2表面覆盖PANI膜202，PANI膜为在光纤光栅区探头表面原位生长而成。
本实施例中，使用的是光纤布拉格光栅，光纤直径为250μm，栅区直径(去除表面的聚酰亚胺或聚酰胺保护层之后)为125μm，纤芯直径约8～9μm，每个栅区长度为3～10mm。
光纤光栅区探头直径为4～12μm，其表面覆盖了一层PANI膜；PANI膜的厚度为0.1～2μm，PANI膜为在光纤光栅区探头表面原位生长而成。
PANI膜能够吸附环境中的设定气体(比如NH3)而使其电导率降低，从而引起光纤光栅中反射谱中心波长的漂移，进而实现对设定气体浓度的检测。
PANI膜的厚度与原位生长的时间相关，原位生长的时间由光纤光栅中反射谱的强度来确定，当反射谱的强度衰减至设定范围时，控制原位生长结束。
在一些实施方式中，还包括：用于固定光纤光栅区探头的基片，光纤光栅区探头的两端固定在所述基片上。固定栅区的基片可以用来固定蚀刻后的栅区，避免其在后续操作过程中因不稳定的飘动而造成对PANI原位生长以及气敏测试过程中的不良影响。
PANI因具有良好的化学和环境稳定性、价格低廉、合成简易、电导率可控以及独特的掺杂方式等特点而被广泛用于气体传感领域。本实施例引入了PANI作为敏感材料，将微纳光纤的折射率敏感特性和PANI的气敏特性有机地结合起来，在光纤栅区表面原位生长PANI膜，解决了FBG传感器本身对气体检测不敏感的问题；同时，通过PANI膜原位生长的方式，有效解决了聚合物在光纤光栅表面的厚度控制和均匀涂覆以及稳定牢固地与光纤光栅结合的技术问题。
本实施例基于表面原位生长聚合物的微纳FBG气体传感器具有高检测精度、高灵敏度和优异的稳定性，可以用于气体、液体的成分或浓度的测试，比如：可以实现对NH3、H2S、N2O等气体浓度的检测。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于表面原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，同样以FBG气体传感器为例，具体包括如下过程：
步骤(1)：将一根光纤与解调仪连接，并用氢氟酸(HF)溶液对光纤栅区进行蚀刻处理，待监测到光纤光栅反射谱中心波长蓝移1.2～1.8nm时，将光纤取出并用去离子水多次清洗栅区表面，以去除栅区表面残留的HF分子；
步骤(2)：将光纤从去离子水中取出，对栅区进行表面处理；表面处理的方法可选用氨水－过氧化氢(NH3·H2O-H2O2)的水溶液浸泡处理，也可以采用硅烷偶联剂溶液浸泡处理；
其中，NH3·H2O-H2O2水溶液是将NH3·H2O、H2O2和去离子水按照一定的体积比配制成的溶液；硅烷偶联剂可选用乙烯基硅烷、氨基硅烷或甲基丙烯酰氧基硅烷型偶联剂。
步骤(3)：将表面处理完的光纤置于干燥箱中干燥处理，干燥箱温度控制在60～120℃；
步骤(4)：在光纤栅区表面进行PANI的原位生长。
本步骤中，进行PANI的原位生长的具体过程如下：
步骤(4-1)：将苯胺单体分散在一定pH值的酸溶液中，形成苯胺－酸溶液；其中，酸溶液可为无机酸或有机酸中的一种，如盐酸、硫酸或樟脑磺酸。
步骤(4-2)：将引发剂过硫酸铵分散在与上述pH值相同的酸溶液中，并搅拌均匀，形成过硫酸铵－酸溶液。
步骤(4-3)：将表面处理完成的光纤栅区竖直浸入上述的苯胺－酸溶液中，并置于冰水浴(0～5℃)中冷却，然后将过硫酸铵－酸溶液逐滴、缓慢地加入苯胺－酸溶液中，使苯胺开始在栅区表面聚合生长；
步骤(4-4)：观察计算机上由解调仪输出的光纤栅区反射谱中心波长的强度，待其下降至一定范围时，将光纤取出。
本实施例中，光纤栅区表面生长的PANI膜厚度与生长的时间有关，原位生长的时间越长，膜越厚。但是本实施例中PANI膜不宜太厚，太厚了容易导致光纤的信号强度衰减很多，以至于检测不到。因此需要通过实时监测生长过程中的信号强度变化情况，通过信号强度衰减至一定范围来控制聚合物膜生长结束的时间，也就是说满足光纤信号强度范围的膜厚才是比较合适的。
上述原位生长过程完成后，进行PANI的酸掺杂和再掺杂处理，具体过程如下：
将上述完成PANI表面生长的光纤取出，浸入去离子水中清洗栅区表面残留的未反应的苯胺单体、低聚体及引发剂等杂质；然后将栅区完全浸入氨水溶液中一段时间，进行PANI薄膜的脱掺杂处理；最后将光纤从氨水溶液中取出，再浸入去离子水中去除表面残留的氨分子，之后将其浸入相对应的酸溶液中一段时间，调节其pH值对PANI薄膜进行再掺杂；结束之后将光纤取出转移至干燥箱，充分干燥。
本实施例通过对PANI膜的去掺杂和再掺杂过程一方面是为了去除反应过程中未反应的苯胺单体、低聚物以及残留的引发剂分子，排除其对传感器气敏性能的干扰，获得性能稳定的传感器；另一方面是为了实现对PANI电导率的可逆调控，获得对NH3的迅速响应/回复特性。
下面以不同的实施方式对本实施例的制备方法进行具体描述。
1、以盐酸掺杂PANI的微纳光纤NH3传感器的制备工艺为例，对本实施例的制备方法进行具体描述。
本实施例首先用40wt％的HF溶液对FBG的栅区进行蚀刻，待蚀刻至栅区的反射谱中心波长蓝移1.2nm时，取出光纤并用去离子水多次清洗栅区表面，蚀刻的裸光纤的SEM照片如图3中的(a)所示，可见蚀刻后的光纤栅区粗细均匀，并且表面较光滑，没有明显的斑驳和缺陷。然后将光纤栅区浸泡在NH3·H2O-H2O2的水溶液(比例为NH3·H2O：H2O2：H2O＝1：1：5)中3h，之后取出光纤置于干燥箱中40℃干燥2h。将上述干燥之后的光纤栅区置于苯胺－盐酸溶液中，溶液的pH值为0.3，苯胺的浓度为0.1mol/L，整体置于冰水浴中冷却30min之后，将过硫酸铵－盐酸溶液(0.025mol/L)缓慢滴加至苯胺－盐酸溶液中，开始PANI在光纤栅区表面的原位生长。同时，将光纤连接至解调仪，并在计算机的软件用户界面上实时监测反射谱的强度变化，直到反射光谱的强度下降至-25dB时将光纤取出，浸入去离子水中清洗表面残留的杂质分子。随后将光纤栅区浸泡在质量分数为1％的氨水溶液中30min，再取出光纤栅区，用去离子水清洗，之后浸入到相同pH值的盐酸溶液中30min进行再掺杂，结束之后将光纤取出并置于干燥箱中40℃烘干2h。采用本实施例制备得到的表面生长PANI的光纤栅区SEM照片如图3中的(b)所示，可见光纤栅区表面均匀生长着一层PANI膜，并且PANI膜的颗粒大小均匀、厚度均匀、多孔，且与光纤栅区结合牢靠，没有脱落缺陷。
2、以盐酸掺杂PANI的微纳FBG的NH3传感器的制备工艺为例，对本实施例的制备方法进行具体描述。
本实施例首先用24wt％的HF溶液对FBG的栅区进行蚀刻，待蚀刻至栅区的反射谱中心波长蓝移1.4nm时，取出光纤并用去离子水多次清洗光纤栅区表面。然后将光纤栅区浸泡在KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)的水溶液中2h，之后取出光纤置于干燥箱中80℃干燥2h。将上述干燥之后的光纤栅区置于苯胺－盐酸溶液中，溶液的pH值为0，苯胺的浓度为0.1mol/L，整体置于冰水浴中冷却30min，之后将过硫酸铵－盐酸溶液(0.05mol/L)缓慢滴加至苯胺－盐酸溶液中，开始PANI在光纤栅区表面的原位生长。同时，将光纤连接至解调仪，并在计算机的软件用户界面上实时监测反射谱的强度变化，直到反射光谱的强度下降至-30dB时将光纤取出，浸入去离子水中清洗表面残留的杂质分子。随后将光纤栅区浸泡在质量分数为1％的氨水溶液中30min，再取出光纤栅区用去离子水清洗，之后浸入到相同pH值的盐酸溶液中60min进行再掺杂，结束之后将光纤取出并置于干燥箱中40℃烘干3h。采用本实施例制备得到的表面生长PANI的光纤栅区SEM照片如图3中的(c)所示，可见光纤栅区表面均匀生长着一层PANI膜，并且PANI膜的颗粒大小均匀、厚度较实施例1中的膜厚，且与光纤栅区结合紧密，没有脱落缺陷。
对按照上述技术方案制备好的传感器进行气敏性能测试，分别将传感器置于含有10ppm、20ppm、50ppm以及100ppm的NH3的密闭容器中，待计算机软件用户界面上显示的光纤栅区的反射谱中心波长稳定之后，计算其偏移值，得到了如图4所示的波长偏移量与NH3浓度的关系曲线，可以看出本实施例制备的传感器对10～100ppm范围内的NH3具有较好的响应。
3、以樟脑磺酸掺杂PANI的微纳FBG的NH3传感器的制备工艺为例，对本实施例的制备方法进行具体描述。
本实施例首先用24wt％的HF溶液对FBG的栅区进行蚀刻，待蚀刻至栅区的反射谱中心波长蓝移1.4nm时，取出光纤并用去离子水多次清洗光纤栅区表面。然后将光纤栅区浸泡在NH3·H2O-H2O2的水溶液(比例为NH3·H2O：H2O2：H2O＝1：1：5)中3h，之后取出光纤置于干燥箱中40℃干燥2h。将上述干燥之后的光纤栅区置于苯胺－樟脑磺酸溶液中，溶液的pH值为0.3，苯胺的浓度为0.1mol/L，整体置于冰水浴中冷却30min，之后将过硫酸铵－樟脑磺酸溶液(0.05mol/L)缓慢滴加至苯胺－樟脑磺酸溶液中，开始PANI在光纤栅区表面的原位生长。同时，将光纤连接至解调仪，并在计算机的软件用户界面上实时监测光反射谱的强度变化，直到反射光谱的强度下降至-30dB时将光纤取出，浸入去离子水中清洗表面残留的杂质分子。随后将光纤栅区浸泡在质量分数为1％的氨水溶液中30min，再取出光纤栅区，用去离子水清洗，之后浸入到相同pH值的樟脑磺酸溶液中60min进行再掺杂，结束之后将光纤取出并置于干燥箱中40℃烘干3h。采用本实施例制备得到的表面生长PANI的光纤栅区SEM照片如图3中的(d)所示，可见光纤栅区表面均匀生长着一层PANI膜，并且PANI膜的颗粒大小均匀、厚度较实施例1中的膜厚，且与光纤栅区结合紧密，没有脱落缺陷。
对按照上述技术方案制备好的传感器进行气敏稳定性测试，每隔5天将传感器置于100ppm的NH3的密闭容器中，进行一次响应测试并记录波长偏移值，总共进行了为期60天的12次测试，得到了如图5所示的传感器的稳定性曲线，可以看出，本实施例所制备的传感器具有优异的稳定性。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种用于检测NH3浓度的传感系统，本实施例以微纳FBG的NH3传感器为例进行说明，结合图2，具体包括：光纤光栅解调仪3，实施例一中所述的微纳FBG的NH3传感器和计算机4；微纳FBG的NH3传感器的输入光纤1与光纤光栅解调仪3连接，光纤光栅解调仪3与计算机4连接。
本实施例中的微纳FBG的NH3传感器可以采用实施例二中所述的方法进行制备。
检测气体时，将传感器置于一定浓度的NH3环境中；光纤栅区表面的PANI膜吸附环境中的NH3，NH3分子夺取PANI分子链中亚胺氮上的质子使得PANI膜的电导率降低，从而引起PANI/微纳光纤光栅复合波导的有效折射率的改变，最终引起纤芯反射谱的中心波长的漂移，通过计算机中的软件计算可得到环境中NH3的浓度。
本实施例基于表面原位生长PANI的微纳光纤NH3传感器，酸掺杂的PANI对NH3具有可逆的吸附/脱附特性，能够显著提高传感器检测NH3分子的灵敏度以及有效降低响应/回复时间；通过PANI吸附/脱附NH3，改变PANI膜的电导率及介电常数，从而改变PANI膜的折射率，进一步改变PANI/微纳光纤复合波导的有效折射率，从而实现对不同浓度NH3的检测。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器，其特征在于，包括：依次连接的输入光纤和光纤光栅区探头；所述光纤光栅区探头部分经过蚀刻处理，并且光纤光栅区探头表面覆盖PANI膜，所述PANI膜为在光纤光栅区探头表面原位生长而成；
所述PANI膜能够吸附环境中的设定气体而使其电导率降低，从而引起光纤光栅中反射谱中心波长的漂移，进而实现对设定气体浓度的检测。
2.如权利要求1所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器，其特征在于，还包括：用于固定光纤光栅区探头的基片，光纤光栅区探头的两端固定在所述基片上。
3.如权利要求1所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器，其特征在于，所述PANI膜的厚度与原位生长的时间相关，所述原位生长的时间由光纤光栅中反射谱的强度来确定，当反射谱的强度衰减至设定范围时，控制原位生长结束。
4.一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，包括：
对光纤栅区进行蚀刻处理，同时监测光纤光栅反射谱的中心波长，当中心波长偏移设定值后，用去离子水浸泡栅区以去除栅区表面残留的杂质；
将光纤从去离子水中取出，对栅区进行表面处理；然后对光纤进行干燥处理；
在光纤栅区表面进行PANI的原位生长。
5.如权利要求4所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，在光纤栅区表面进行PANI的原位生长的过程具体为：
将苯胺单体分散在设定pH值的酸溶液中，形成苯胺－酸溶液；
将引发剂过硫酸铵均匀分散在与上述pH值相同的酸溶液中，形成过硫酸铵－酸溶液；
将表面处理完成的光纤栅区竖直浸入所述苯胺－酸溶液中，并进行冷却；将所述过硫酸铵－酸溶液加入所述苯胺－酸溶液中，形成反应液，使苯胺开始在栅区表面聚合生长；
同时监测光纤光栅反射谱中心波长的强度，满足设定要求后，将光纤取出。
6.如权利要求4所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，原位生长结束后，还包括：
将光纤浸入去离子水中清洗栅区表面残留的杂质；
将栅区完全浸入氨水溶液中，进行PANI薄膜的脱掺杂处理；
将光纤从氨水溶液中取出，再浸入去离子水中去除表面残留的氨分子，之后将其浸入相应的酸溶液中，调节其pH值对PANI薄膜进行再掺杂；最后将光纤取出进行充分干燥。
7.如权利要求4所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，对栅区进行表面处理，具体包括：
采用氨水－过氧化氢的水溶液浸泡处理，或者，采用硅烷偶联剂溶液浸泡处理。
8.如权利要求7所述的一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器的制备方法，其特征在于，所述的氨水－过氧化氢的水溶液是将NH3·H2O、H2O2和去离子水按照设定的体积比配制成的溶液；
所述的硅烷偶联剂选用乙烯基硅烷、氨基硅烷或甲基丙烯酰氧基硅烷型偶联剂。
9.一种用于检测NH3浓度的传感系统，其特征在于，包括：光纤光栅解调仪，权利要求1-3任一项所述的微纳光纤气体传感器和计算机；所述微纳光纤气体传感器的输入光纤与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接。
10.如权利要求9所述的一种用于检测NH3浓度的传感系统，其特征在于，进行NH3浓度检测时，光纤光栅解调仪输出的光信号经微纳光纤光栅传感器的输入光纤进入到栅区，栅区表面的PANI膜吸附环境中的NH3，NH3分子夺取PANI分子链中亚胺氮上的质子使得PANI膜的电导率降低，引起光纤光栅中反射谱中心波长的漂移，进而计算得到NH3的浓度。
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