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聚电解质层层自组装多层膜在光纤传感器中的应用研究

殷明杰  
【摘要】:在众多制备纳米尺寸的薄膜技术中,层层自组装(layer-by-layer, LbL)技术通过特定的作用力将两种物质组装在基底上,可制得结构均一、厚度在纳米尺度可控的多层膜。由于可用的LbL的材料种类很多,因此能制备出各种功能的纳米多层膜。本文选用光纤(optical fiber)为组装基底,通过聚电解质LbL技术,分别制备了可用于检测pH值、重金属离子及湿度的光纤传感器(fiber-optic sensor)。 采用紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和石英晶体微天平(quartz crystal microbalance, QCM)研究了聚电解质在石英片和金电极基底上LbL自组装过程。研究发现制备的LbL多层膜(如(PDDA/PAA)1.5(PAA/P4VP)10多层膜(P4VP·HCl/PSS)10多层膜、(P4VP·HCl/PVS)1O多层膜等)随着组装层数的增加都呈现了线性增长,表明了所制备的多层膜比较均一。采用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)和扫描电子显微镜(scanning electronic microscope, SEM)表征了LbL多层膜表面形貌。结果发现,LbL多层膜的表面粗糙度越大,传感器响应时间越短。 采用LbL技术将(PAH/PAA)25多层膜组装在细芯光纤模式干涉仪(TCFMI)表面上,制备了光纤pH传感器。该传感器波长随着介质的pH增加呈现先上升后下降的趋势(在pH=7时,波长最大),其灵敏度在酸性和碱性区域分别为0.32 nm/pH和-0.45nm/pH,响应时间为120s。改用含聚电解质络合物(PEC-)的(PDDA/PSS)3(PDDA/PEC-)10自组装多层膜,制备了另一种光纤pH传感器。该传感器灵敏度在酸性和碱性区域分别为0.6 nm/pH和-0.85nm/pH,响应时间为30s,PEC-的引入显著的改进了光纤pH传感器的性能。 采用LbL技术,将(PDDA/PAA)1.5(PAA/P4VP)10多层膜组装在细芯光纤模式干涉仪(TCFMI)表面上,制备了光纤重金属离子传感器。该传感器对重金属离子如Cu2+、Fe2+、Zn2+等均具有响应性,其最低检测限可达10-8M,响应时间为60s,且可多次重复使用。将LbL多层膜改为(P4VP·HC1/PSS)10时,制得了对汞离子具有高度选择性的汞离子传感器。在氯化汞溶液中,当pH=5时,具有最佳性能,最低检测限可达10-9M,响应时间仅30s。 采用LbL技术,将(P4VP·HCl/PVS)10多层膜组装在布拉格光栅(fiber Bragggrating, FBG)的TCFMI光纤表面上,制备了FBG-TCFMI湿度传感器。考察传感器在20℃、40℃、和60℃和20%-90%的相对湿度范围内的湿度响应性,结果表明FBG-TCFMI湿度传感器具有温度补偿效应,重复性好,灵敏度和响应时间分别为0.1nm/1%相对湿度和2s。


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