CN110849826A - 反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氨氮检测技术领域，具体涉及反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法，所述反应膜的制作方法为：首先配置镀膜所用的聚偏氯乙烯‑溴麝香草酚蓝溶液，接着在光纤上面镀膜，从而在倾斜光纤光栅包层表面形成反应膜；所述氨氮检测装置包括：通过光纤依次连接的光源、单模光纤、倾斜光纤光栅、样品池以及光谱仪，所述倾斜光纤光栅的包层镀有该反应膜，本发明还相应的提供了氨氮检测方法，本发明采用光作为信号的载体，具有速度快的特点。反应膜的制备工艺简单，成本低廉。氨氮检测装置结构简单，不需要复杂的样品池反应***，且检测精度高。

Description

反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法
技术领域
本发明涉及氨氮检测技术领域，具体涉及反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法。
背景技术
污水治理是我国目前面临的一个难题，伴随着人口数量的日益剧增，生活污水以及工业发展污水的排放对水资源造成严重的污染，污水中常见的成分之一是氨氮。准确快速的检测水溶液中氨氮浓度的手段成为治理污水的必要需求。
传统的测量手段有PH传感器、氨氮传感器以及试纸检测方法。PH传感器和氨氮传感器是常用的测量手段，但是易受到周围环境的影响，传感器传回的信号中易掺杂别的信号干扰，产生信号漂移，常见的是温度漂移，即不确定信号的变化是由温度变化还是氨氮浓度变化的结果，同时，传统的利用试纸检测氨氮的方法，基于试纸颜色的变化，对照标准比色图来确定铵离子浓度，此方法不仅操作复杂，同时，人眼对颜色微小的变化不敏感，难以给出准确的判断。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
根据本发明实施例提供的反应膜的制作方法，包括以下步骤：
（1）配置镀膜所用的聚偏氯乙烯-溴麝香草酚蓝溶液：溶质为聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，取0.1g聚偏氯乙烯和0.1g溴麝香草酚蓝放入5ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，然后放在磁控搅拌机上面工作6个小时，待充分搅拌后，得到均匀的溶液；
（2）在光纤上面镀膜：将光纤垂直悬空固定，用胶头滴管取1ml步骤（1）所配的溶液，从光纤上方开始滴加该溶液，在重力作用下，溶液向下流动，然后经过栅区光纤表面，接着放置12个小时，待有机溶剂N-甲基吡咯烷酮充分挥发，只留下聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝组成的一层附着在倾斜光纤光栅包层表面的反应膜。
本发明还提供基于反应膜的氨氮检测装置，包括：通过光纤依次连接的光源、单模光纤、倾斜光纤光栅、样品池以及光谱仪，所述倾斜光纤光栅的包层镀有一层反应膜，所述反应膜通过如权利要求 1 所述的反应膜的制作方法所得到。
进一步，所述倾斜光纤光栅的倾角为18度，栅区长度为20mm。
进一步，所述光谱仪的分辨率设置为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm。
本发明还提供氨氮浓度检测方法，利用上述氨氮检测装置，包括以下步骤：
（1）将倾斜光纤光栅两端通过光纤跳线分别接入光源和光谱仪，设置光谱仪的分辨率为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm，调出光谱图；
（2）将包层镀有反应膜的倾斜光纤光栅浸入氨氮溶液中，启用光谱仪自动采集光能量强度随时间的变化，得氨氮溶液中的氨氮浓度。
进一步，所述光谱仪的波长设置为1516.32nm。
进一步，所述光谱仪还记录有纤芯模式对应的光能量强度变化信息。
本发明的有益效果是：本发明公开了反应膜的制作方法及基于反应膜的氨氮检测装置、方法，所述反应膜的制作方法为：首先配置镀膜所用的聚偏氯乙烯-溴麝香草酚蓝溶液，接着在光纤上面镀膜，从而在倾斜光纤光栅包层表面形成反应膜；所述氨氮检测装置包括：通过光纤依次连接的光源、单模光纤、倾斜光纤光栅、样品池以及光谱仪，所述倾斜光纤光栅的包层镀有该反应膜，本发明还相应的提供了氨氮检测方法，本发明采用光作为信号的载体，具有速度快的特点。反应膜的制备工艺简单，成本低廉。氨氮检测装置结构简单，不需要复杂的样品池反应***，且检测精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种基于反应膜的氨氮检测装置的结构示意图，图中：1.光源，2.光纤，3. 倾斜光纤光栅，4.样品池，5.光谱仪；
图2是倾斜光纤光栅的结构示意图；
图3是本发明实施例标定模式下光能量强度的变化图；
图4是本发明实施例纤芯模式下光能量强度的变化图；
图5是本发明实施例标定模式下光能量强度随时间变化的响应速率图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供的反应膜的制作方法为：
（1）配置镀膜所用的聚偏氯乙烯-溴麝香草酚蓝溶液：溶质为聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，取0.1g聚偏氯乙烯和0.1g溴麝香草酚蓝放入5ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，然后放在磁控搅拌机上面工作6个小时，待充分搅拌后，得到均匀的溶液；
（2）在光纤上面镀膜：将光纤垂直悬空固定，用胶头滴管取1ml步骤（1）所配的溶液，从光纤上方开始滴加该溶液，在重力作用下，溶液向下流动，然后经过栅区光纤表面，接着放置12个小时，待有机溶剂N-甲基吡咯烷酮充分挥发，只留下聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝组成的一层附着在倾斜光纤光栅包层表面的反应膜。
本实施例提供的反应膜制备工艺十分简单，成本低廉，所述反应膜能够对氨氮产生特异性识别。
参考图1和图2，本发明还提供一种基于反应膜的氨氮检测装置，包括：通过光纤依次连接的光源1、单模光纤2、倾斜光纤光栅3、样品池4以及光谱仪5，所述倾斜光纤光栅3的包层镀有一层反应膜6，所述反应膜6通过上述制作方法所得到。
作为一个优选的实施例，所述倾斜光纤光栅3的倾角为18度，栅区长度为20mm。
在一个优选的实施例中，所述光谱仪5的分辨率设置为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm。
使用时，光源1发出的光经过所述倾斜光纤光栅3后进入光谱仪5，光谱仪5实时测量通过倾斜光纤光栅3后的光能量强度，获得光谱图。
在光纤传感领域中，倾斜光纤光栅3是在不破坏光纤结构的情况下，通过紫外写入的方法，在纤芯中形成与光纤轴向成一定夹角的光栅，从而激发数百个对周围环境折射率非常敏感的包层模式，从而丰富了检测对象，并提高了测量精度。本实施例中，所述倾斜光纤光栅3通过准分子激光器以及相位掩膜版方法写制而成。倾斜光纤光栅3除了具备常规光纤传感器特点，还具有在不破坏光纤的情况下提高测量精度高的特点。同时，由于纤芯模式只对温度和压力敏感，而对外界折射率不敏感，故可实现折射率和温度的同时区分测量，通过对纤芯模式下光能量强度的检测，可有效监控和消除温度漂移。
与传统的氨氮传感器相比，本装置采用光作为信号的载体，具有速度快的特点。整个装置结构简单，不需要复杂的样品池反应***，且检测精度高。
本发明还提供一种基于上述氨氮检测装置的氨氮浓度检测方法，其步骤如下：
（1）将倾斜光纤光栅两端通过光纤跳线分别接入光源和光谱仪，设置光谱仪的分辨率为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm，调出光谱图；
（2）将包层镀有反应膜的倾斜光纤光栅浸入氨氮溶液中，启用光谱仪自动采集光能量强度随时间的变化，通过探测标定模式的响应速率，得氨氮溶液中的氨氮浓度。
由于倾斜光纤光栅表面镀有一层高折射率的反应膜，从而使倾斜光栅所激发的包层模中，有效折射率小于反应膜折射率的包层模无法在光纤包层中形成全反射，能量逐渐耦合到外界环境中，形成泄露模，从而使这部分模式在光谱中表现为能量较低，且消光比也比较低。
将所述倾斜光纤光栅浸入待测的氨氮溶液中，氨氮和所述倾斜光纤光栅的包层上的反应膜反应，腐蚀所述反应膜，随着腐蚀过程的进行，倾斜光纤光栅的表面折射率逐渐变小，此时，泄露模又逐渐转换成传导模并在光纤包层内传输，形成包层传导模。随着腐蚀程度的加深，更多的泄露模转换成包层的传导模在光纤内部传输，光谱仪探测到总能量也呈现上升状态，并且包层模式的消光比也呈现变大的趋势，即光谱中包层模式的上沿成上升状态，而下沿成下降状态，其上升和下降的速度与溶液中氨氮的浓度关联。
在一个优选的实施例中，所述光谱仪的波长设置为1516.32nm。
在一个优选的实施例中，所述光谱仪还记录有纤芯模式对应的光能量强度变化信息，所述光能量强度变化信息用于校正探测过程中外界温度变化所带来的交差影响，提高测量精度。
为更好的说明本发明提供的氨氮浓度检测方法，参考图3，图3为本发明中氨氮浓度检测装置的倾斜光纤光栅包层表面反应膜被腐蚀过程中，在标定模式下（波长为1516.32nm）光能量强度的变化图。图3可以看出随着反应膜被氨氮逐渐腐蚀，标定模式对应的光能量强度逐渐下降。可见，所述反应膜能够对氨氮产生特异性识别。
参考图4，图4为本发明氨氮浓度检测装置的倾斜光纤光栅包层表面反应膜被腐蚀过程中，在纤芯模式下光能量强度的变化图。从图4可以看出随着反应膜被氨氮逐渐腐蚀的过程中，由于纤芯模式对折射率变化不明显，而对温度变化很明显，光谱仪探测到的纤芯模式对应的光能量强度基本不变，故消除该过程中温度变化对测量结果的影响，具有温度自补偿功能。
参考图5，图5为通过本发明的检测方法测定不同浓度氨氮溶液时，在标定模式下光能量强度随时间变化的响应速率图。从图5可以看出，在10mg/L的氨氮溶液中，由于氨氮浓度相对较大，倾斜光纤光栅包层表面的反应膜被腐蚀的速率最快，标定模式下的光能量强度变化速率也最快，而且光能量强度变化的幅度也最大；在5mg/L和1mg/L的氨氮溶液中，标定模式的光能量强度变化的速率相对减慢，光能量强度变化幅度也依次减小；而在不含氨氮的水中，标定模式下的光能量强度几乎没有发生变化。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出各种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.反应膜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配置镀膜所用的聚偏氯乙烯-溴麝香草酚蓝溶液：溶质为聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，取0.1g聚偏氯乙烯和0.1g溴麝香草酚蓝放入5ml的N-甲基吡咯烷酮溶剂中，然后放在磁控搅拌机上面工作6个小时，待充分搅拌后，得到均匀的溶液；
（2）在光纤上面镀膜：将光纤垂直悬空固定，用胶头滴管取1ml步骤（1）所配的溶液，从光纤上方开始滴加该溶液，在重力作用下，溶液向下流动，然后经过栅区光纤表面，接着放置12个小时，待有机溶剂N-甲基吡咯烷酮充分挥发，只留下聚偏氯乙烯和溴麝香草酚蓝组成的一层附着在倾斜光纤光栅包层表面的反应膜。
2.基于反应膜的氨氮检测装置，其特征在于，包括：通过光纤依次连接的光源、单模光纤、倾斜光纤光栅、样品池以及光谱仪，所述倾斜光纤光栅的包层镀有一层反应膜，所述反应膜通过如权利要求 1 所述的反应膜的制作方法所得到。
3.根据权利要求2所述的基于反应膜的氨氮检测装置，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的倾角为18度，栅区长度为20mm。
4.根据权利要求2所述的基于反应膜的氨氮检测装置，其特征在于，所述光谱仪的分辨率设置为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm。
5.氨氮浓度检测方法，利用权利要求2~4任一所述的氨氮检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将倾斜光纤光栅两端通过光纤跳线分别接入光源和光谱仪，设置光谱仪的分辨率为0.1nm，频率设置为200Hz，采样点为2001pt，波长范围为：1480nm至1620nm，调出光谱图；
（2）将包层镀有反应膜的倾斜光纤光栅浸入氨氮溶液中，启用光谱仪自动采集光能量强度随时间的变化，得氨氮溶液中的氨氮浓度。
6.根据权利要求5所述的氨氮浓度检测方法，其特征在于，所述光谱仪的波长设置为1516.32nm。
7.根据权利要求5所述的氨氮浓度检测方法，其特征在于，所述光谱仪还记录有纤芯模式对应的光能量强度变化信息。
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