一种检测蓄电池生产工业废水中铅离子的光纤传感器的制作方法

1.本实用新型属于光纤传感检测领域，具体是涉及一种检测蓄电池生产工业废水中铅离子的光纤表面等离子共振(简称光纤spr)传感器。


背景技术：

2.随着生态环境特别是水环境的严重破坏，国家逐渐对水环境污染问题给予了足够的重视。当前铅被作为工业原料广泛应用于工业生产中，大部分以废气、废水、废渣等各种形式排放于环境中，造成大面积污染，而蓄电池生产行业工业废水是铅污染的主要来源之一。水环境中的铅离子会通过食物链而富集，在人体内不断的沉积易造成铅中毒，会对神经造血，消化肾脏，心血管和内分泌等多个系统产生危害。如何有效解决铅污染问题是我国当前面临的重要任务，且在排放工业废水前检测废水中铅含量是否符合排放的标准是必要的操作，从而开发简单实用，方便操作，能适应未来发展需要的铅离子检测方法显得尤为重要。
3.目前检测铅离子的主要方法有原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、阳极溶出伏安法、示波极谱法、生物染色剂试纸法。现有的检测方法分析范围广、灵敏度高、精密度高、分析速度快，但存在步骤繁琐(需对样品进行预处理)、检测方法成本高、投资费用较大等缺点，且线性范围较窄，检出限较高，易被干扰。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种检测铅离子的光纤spr传感器，该传感器具有成本低，操作便捷，灵敏度高，背景干扰小，待测物不需预处理等优点。当壳聚糖溶于醋酸的水溶液时，壳聚糖中的氨基质子化，壳聚糖变成一种类似高分子盐并溶解，然后与加入的戊二醛发生交联反应，交联后的壳聚糖稳定性和黏性增加，涂覆在银膜上形成一层均匀的半透明壳聚糖薄膜，当通入铅离子溶液时，铅离子和壳聚糖上未质子化的氨基发生螯合作用，壳聚糖的结构和组成发生改变，其折射率也因此改变，最终导致spr传感信号产生变化，同时铅离子浓度越大吸附速率越大，通入的铅离子溶液浓度越高，折射率变化越大，spr信号的共振峰偏离越多。该传感器利用改性壳聚糖膜对蓄电池生产工业废水中铅离子的吸附，使改性壳聚糖膜层的折射率发生变化，并利用光信号在无芯光纤外界面的银膜界面发生spr效应，激发spr信号，spr信号由传输多模光纤接收，获取spr曲线，通过matlab软件用小波变换滤除噪声，得到较平滑的拟合曲线，获取spr信号的共振峰，根据标准曲线判断铅离子浓度。
5.本实用新型所述的检测铅离子的光纤spr传感器，由多模光纤、无芯光纤衔接，无芯光纤端面加工成微球状，无芯光纤的表面依次包覆铬膜、银膜、改性壳聚糖膜形成光纤包层。
6.选用卤钨灯作为实验光源。
7.所述的无芯光纤端面用熔接机放电的工艺加工成微球状，光信号在微球中进行多
次反射并返回无芯光纤中，增加光能效果。
8.改性壳聚糖膜厚度优选50nm，其中壳聚糖含量为0.8％，醋酸含量为99.2％，此时改性壳聚糖膜吸附铅离子能力最强，使改性壳聚糖膜层的折射率发生变化。
9.工作时，光信号从多模光纤入射到多模光纤与无芯光纤的界面并在无芯光纤内散射，光线到达无芯光纤外界面时，在银膜上发生spr效应，激发出spr信号，spr信号由传输多模光纤接收；当待测水样中有铅离子时，壳聚糖吸附了铅离子，将发生折射率的改变，进而导致spr信号损耗峰波长的变化，由传输多模光纤接收spr信号，获取spr曲线，通过matlab软件用小波变换滤除噪声，得到较平滑的拟合曲线，获取spr信号的共振峰，根据标准曲线判断铅离子浓度。
10.本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
11.所述的多模光纤为石英系列光纤。
12.所述的无芯光纤表面先镀铬膜，增加光纤对银膜的粘性，然后镀银膜，其中铬膜厚度优选3nm；银膜厚度优选30nm；改性壳聚糖膜厚度优选10nm；镀膜的长度优选15mm。
13.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：
14.(1)本实用新型结构简单精巧，使用单端设计，制备过程与工艺简单；
15.(2)本实用新型操作便捷，在使用时仅需将光纤spr传感器置入样品中即可实现样品的检测，样品无需预处理且用量少，免去了各种繁琐的样品操作步骤，提高了检测效率；
16.(3)改性壳聚糖膜可吸附水样中98％的铅离子，并能有效地发生spr效应，形成spr曲线，实现铅离子的高灵敏高精度检测，同时抗干扰能力强，能对污水中铅离子的污染情况进行有效评估。
附图说明
17.图1是本实用新型的一种检测蓄电池生产工业废水中铅离子的光纤表面等离子共振(简称光纤spr)传感器结构示意图；
18.图2是本实用新型的光路示意图。
具体实施方式
19.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本实用新型，本实用新型的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。这些具体实施方式和实施例是用于说明本实用新型，而非限制本实用新型。
20.一种检测蓄电池生产工业废水中铅离子的光纤spr传感器结构如图1所示，选用石英系列光纤，由多模光纤(1)、无芯光纤(2)、铬膜(3)、银膜(4)、改性壳聚糖膜(5)组成，无芯光纤(2)端面加工成微球状，无芯光纤(2)的表面依次包覆铬膜(3)、银膜(4)、改性壳聚糖膜(5)形成光纤包层。
21.如图2所示，使用时，改性壳聚糖膜能吸附铅离子，使改性壳聚糖膜层的折射率发生变化，并引起银膜上spr信号峰的变化；其光路走向如下：由宽带光源发出的光经由多模光纤入射到多模光纤与无芯光纤的界面并在无芯光纤内散射，光线到达无芯光纤外界面时，在银膜上发生spr效应，激发出spr信号，spr信号由传输多模光纤接收，形成spr曲线，通过matlab软件用小波变换滤除噪声，得到较平滑的拟合曲线，获取spr信号的共振峰，根据
标准曲线判断铅离子浓度。
22.本实用新型检测铅离子的光纤spr传感器的制备方法，包括以下步骤：
23.(1)将传输多模光纤与无芯光纤熔接；
24.(2)步骤(1)所述的无芯光纤表面依次镀上铬膜、银膜；置于10
‑
20％的戊二醛溶液中15
‑
25小时，用水冲洗；
25.(3)用1
‑
5％浓度的醋酸溶解壳聚糖，得到0.8％浓度的壳聚糖溶液，涂覆在步骤(2)所述的银膜上；
26.(4)步骤(3)得到的光纤干燥后置于1
‑
10％的戊二醛溶液中1
‑
10分钟，壳聚糖与戊二醛的质量比为100:1
‑
10，干燥。
27.优选方案如下：
28.为了提高镀膜效果，将步骤(1)熔接后的无芯光纤置于超声波清洗槽中用无水乙醇清洗1
‑
3分钟3至5次，然后用脱脂棉蘸无水乙醇将其光纤包层表面擦拭干净并晾干；步骤(4)所述的干燥优选真空干燥，即步骤(3)得到的光纤真空1
‑
3小时干燥后置于1
‑
10％的戊二醛溶液中1
‑
10分钟，壳聚糖与戊二醛的质量比为100:1
‑
10，干燥20
‑
24小时。