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基于荧光猝灭原理的光纤氧传感器研究

张建标  
【摘要】: 气态氧和溶解氧的测定在医学、工业分析、环境监测等领域中具有重要的意义。由于光纤氧传感器具有本质安全、灵敏度高、检测精度高、响应时间快、不受电磁干扰等优点,并可对危险环境中的气态氧和溶解氧进行远程、连续和在线监控,近年来,其研究受到了人们的极大关注。本论文以钌(Ⅱ)—联吡啶(Ru(bpy)_3Cl_2)为荧光指示剂,醋酸纤维素(Cellulose Acetate membrane,简称CA膜)为荧光指示剂固定的基质材料,制备出光纤氧传感膜。采用锁相放大技术,研制出一种基于荧光猝灭原理的可对气态氧和溶解氧浓度进行测定的光纤氧传感器。 本论文内容主要包括以下四个方面:荧光指示剂合成、氧传感膜的制备、光纤氧传感器的设计及该传感器对气态氧和溶解氧的检测。 (1) 采用水合三氯化钌和2,2′—联吡啶合成出一种荧光物质——钌(Ⅱ)-联吡啶(Ru(bpy)_3Cl_2),通过红外光谱和X射线衍射图谱对该指示剂进行表征。因其具有优良的荧光性能,适合作为检测气态氧和溶解氧的光纤氧传感器的荧光指示剂。 (2) 以CA为基质材料,采用物理包埋法将荧光指示剂固定在基质材料中制备出荧光性能优良的氧传感膜。通过调整成膜配比,控制CA膜的网格大小,最大限度地防止了荧光指示剂的渗漏。 (3) 设计出一种基于荧光猝灭原理的光纤氧传感器装置。根据荧光信号弱的特点,采用锁相放大技术,通过检测指示剂荧光寿命的变化来实现对气态氧和溶解氧浓度的检测。 (4) 该传感器对气态氧检测的响应时间小于20s,检测下限为5ppm,检测精度为0.5%,具有较好的重复性和稳定性。同时研究了各种因素对传感器性能的影响。 (5) 该传感器对溶解氧响应时间小于60s,检测下限为0.5mg/l,检测精度为0.1mg/l,重复性和稳定性较好。抗干扰能力强,不受水质中杂质离子,pH值以及水温的影响。同时我们用该传感器对东湖水质中的溶解氧进行了检测,测量结果与传统的溶解氧测量法——碘量法之间无明显差别,测量误差小于2%,说明该传感器可用于对环境水质的在线监测。


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