基于石墨烯材料的pH传感器的研究进展

石墨烯材料因其独特的性质,在电化学检测领域备受关注。介绍了近年来石墨烯材料在pH传感器中的研究进展,主要成果包括石墨烯pH电极、液栅型石墨烯场效应管(SGFET)pH传感器以及顶栅型石墨烯场效应管pH传感器。     

基于溴酚蓝修饰的模式滤光光纤pH传感器

将溴酚蓝通过溶胶凝胶方法涂覆在裸光纤上,利用模式滤光光纤传感器测定了溶液中的pH值。该光纤传感器显示了良好的稳定性和重现性,当pH在2-8范围内时对pH有响应,且pH在3-6范围内具有较好的线性关系(r=0.991),其响应时间(t95%)为98s。同时考察了不同离子对模式滤光光纤pH传感器的干扰。     

基于氧化石墨烯构建新型荧光生物传感器用于DNA检测

以氧化石墨烯作为荧光猝灭基底,羧基荧光素标记的DNA探针作为识别元件,设计了一种用于检测单链DNA的新型荧光生物传感器,通过测定荧光探针分子和目标DNA作用前后体系的荧光强度变化实现特定序列单链DNA的定量检测.在该方法中,荧光强度恢复值与目标DNA浓度在20～1 000 pM范围呈线性关系,检测限为0.11 pM.该...     

基于OTDR的光纤液体泄漏检测的研究

通过应用光时域反射仪（OTDR)测量多模光纤（MMF）反射光强变化,提出一种检测液体泄漏的光纤传感器,并对其进行理论仿真和实验研究。众所周知,OTDR具有小巧、精密、智能化、便于移动的特点,能有效避免常规光纤传感器设备复杂笨重不可以移动的问题。使用一定溶度的氢氟酸（HF）溶液腐蚀多模光纤作为传感部件,易于设计和制作。当多模光纤的纤芯直径减小到一定程度时,将其暴露在空气或待测液体中。裸露的芯层周围介质折射率的变化,将会影响传感区域内光的模场分布,改变透射光的强度,故该结构可以有效检测环境中液体的泄漏。本文设计制作了两个远距离的光纤传感器。第一个传感器仅带有一个光纤传感结构。连接带有传感结构的长光纤和OTDR。设置OTDR的扫描脉宽30ns、扫描时间3min,光源的脉冲信号强度约为15dB、扫描距离5km。以水为检测对象。首先,将传感结构暴露在空气中,OTDR的反射曲线在检测处的损耗为2.893dB。当检测到水时,OTDR的反射曲线的损耗为0.631dB。因此,检测到水时,光损耗减小,反射光强变大。实验结果和仿真结果一致。第二个传感器是有两个传感结构的分布式复用传感器,将其检测两处的环境情况。两个传感结构都能很灵敏的检测出是否存在水,证明了传感器的复用特性。因此,该液体泄漏检测光纤传感器能够广泛应用于工程实践中。     

荧光素及其衍生物的荧光性质研究

以荧光素、荧光素甲酯和6-O-(乙氧基羧甲基)荧光素甲酯为研究对象,探讨了溶液中甲醇和乙腈的含量、溶液的pH值、光照时间以及温度四种因素对这3种物质荧光性质的影响,实验结果表明6-O-(乙氧基羧甲基)荧光素甲酯具有较好的耐溶剂性、光稳定性、热稳定性,并且其荧光强度受介质pH值影响小.     

基于石墨烯/纳米ZrO2复合膜修饰电极测定苹果中残余对硫磷的研究

石墨烯作为“明星材料”,具有高导电性和高比表面积;二氧化锆对磷酸基团具有很好的吸附作用.将石墨烯和纳米二氧化锆分散液修饰到电极表面制备成一种纳米石墨烯/纳米ZrO2复合膜修饰的对硫磷电化学传感器,并对修饰剂的浓度、支持电解质的选择、溶液pH值、富集时间和富集电位等实验条件进行了优化.由于复合膜修饰电极综合了石墨烯的高导电性与纳米ZrO2的强吸附能力,对硫磷在修饰电极表面表现出富集时间短、电子转移速率快的特点.差分脉冲伏安法分析结果显示对硫磷在传感器上的氧化峰电流与其浓度在0.05～30 μmol·L－1范围内呈良好的线性关系,检测限达20 nmol·L－1.用加标回收法测量苹果样品中对硫磷含量,回收率为99.1%～103.6%.     

基于石墨烯场效应管的无标记大肠杆菌快速检测方法

食源性细菌检测方法是食品安全的的重要课题,该文提出了一种新的细菌检测方法——基于石墨烯场效应管电化学生物传感器的大肠杆菌快速检测方法.在该方法中,采用化学气相沉积的方法获得石墨烯,之后利用抗原抗体特异性结合原则捕获大肠杆菌,通过检测石墨烯在大肠杆菌掺杂后的电学特性变化来表征大肠杆菌浓度.该文设计的系统有较好的稳定性(CV=6.98%)和较低的信噪比(6.8%).经过实验测试,系统的检测范围为10-107 cfu/ml,最低检测限为10CFU/ml(R=0.94).检测过程控制在30min以内完成,可以实现现场实时检测.     

新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究进展

天津大学在973计划项目的资助下,开展了光纤传感技术相关研究.其主要内容包括设计了基于光子晶体光纤的填充银线的PCF-SPR传感器,最佳灵敏度为2 400 nm/RIU;设计了一种基于液芯光子晶体光纤的PBG-PCF温度传感器,传感器的最高分辨率为4×10³ nm/RIU;设计了基于甲苯-氯仿混合溶液填充的光子晶体光纤可调谐热敏光开关,通过改变溶液配比实现不同温度跃变点;构建了基于光微流体理论的3种结构模型,并针对模式场分布及磁场探测展开了研究;构建了基于L波断掺饵光纤放大器的光纤内腔气体传感系统,其绝对误差小于0.04%;针对传感器结构、解调光路、解调算法,设计并优化了F-P传感系统;提出了针对光纤传感网的评估鲁棒性模型,开展了梳状暗调谐光源技术和OFDR技术在光纤传感网检测方面的研究.     

高分辨率pH图象传感器及其对溶液二维pH值分布的测量

以EIS结构为基础，研究高分辨率光扫描型二维pH图象传感器及其敏感膜一溶液界面势与pH值的关系．重点研究了传感器芯片结构、制作工艺以及测量系统与测试条件对传感器输出光电压的影响；并在优化的测试条件下，对溶液二维pH值进行了分布测量，给出传感器对pH值的瞬态响应及pH值二维分布的灰度图。     

HEMT压力传感器

利用Al Ga N/Ga N半导体的极化效应在异质结界面产生二维电子气(2DEG)的特性,设计了一种基于高电子迁移率场效应管(HEMT)的压强传感器;并利用标准的微电子工艺和背部深硅刻蚀技术制作了器件;对器件在不同压强下的源-漏I-V特性进行了测试和评价.结果表明本文设计制作的压强传感器的I-V特性对压强的变化能做出灵敏的反应.Ⅲ族氮化物半导体器件具有高速度、高灵敏、大功率和耐高温等特点,本压强传感器具有更广的应用领域.     

非本征光纤F—P传感器制作工艺

分析非本征光纤F-P传感器制作工艺上存在的问题,对传感器工艺制作进行了研究,设计了半自动光纤F-P 腔调节工作台,利用光纤五维调节架对光纤进行插入和对准,提高了光纤F-P传感器制作的速度和质量.     

基于杠杆原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器实验

目的为更好地扩大光纤光栅压力传感器的适用范围,设计一种基于拉伸铝片的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器.方法应用杠杆原理实现力的增敏,并改变力的方向,使光纤光栅受力增大,从而提高压力传感器的灵敏度及线性度.通过有限元模拟仿真,将实验结果与模拟结果进行对比分析.结果新型压力传感器的灵敏度实验结果与模拟结果相近,实测拉力灵敏度为2.239×10~(-6)nm/Pa,比裸光纤增敏了730倍,其线性度为"0.99".同时通过改变杠杆的比例、材料截面、形式等因素,可以使传感器适应更多的环境需求.结论笔者设计的光纤光栅压力传感器线性度好,灵敏度高,可以满足工程实用性.     

海洋环境监测中的光纤化学／生物传感技术

通过光纤溶解氧、pH、湿度等化学传感探头及发光菌水质毒性监测生物传感探头的研制,开发出了一类能用于环境监测的新型传感器。其创新之处在于传感探头的设计与包装,以及数种可逆性、选择性、稳定性、使用寿命、响应时间、灵敏度等响应特性具佳的化学及生物传感膜的配方和制作技术。利用这些技术,通过对光纤探头的设计与包装,可以实现在现场及实验室模拟条件下对样品的选择性检测。研制的传感器能广泛应用于海洋污染调查、内河水质评价、水产养殖、工矿企业水气排污自检等诸多方面。     

基于石墨烯和模间干涉的光纤气体传感器

为了实现对空气中有毒、有害气体进行精确监测预报,提出了一种石墨烯包裹的拉锥与错位级联型光纤气体传感器.包裹在光纤锥形传感区域的单层石墨烯和错位熔接的光纤导致的模间干涉,会使沿光纤表面传输的倏逝场得到大幅增强,提高了对折射率的灵敏度,其灵敏度可以达到1.2×10⁴nm.随着石墨烯表面吸附的气体分子量的增加,复合波导的有效折射率会发生规律性的变化,从而引起干涉波长的衰减和移动,进而通过检测输出光信号的变化而实现气体分子浓度的检测.研究表明,该传感结构具有体积小、机械强度好、光谱品质好、灵敏度高等优点.     

石墨烯材料在气体传感器中的应用

介绍了石墨烯作为气敏材料在气体传感器件中的应用特点,包括所用石墨烯的制备方法,不同方法合成的石墨烯在器件加工时的特点,不同类型的传感器对气体的检测情况,以及该类传感器的主要缺陷和改进的一些基本方法.结合作者的部分工作,指出与半导体材料复合的方式代表了石墨烯在气体传感器领域应用的一个主要方向.     

微型光纤加速度计系统研究

光纤加速度计作为新型光纤传感器的一种,在高精度测量领域中有着不可替代的作用.实现光纤加速度计信号的解调,对于进一步提高传感器测量精度以及实用化都有着重要的意义.光源调频相位生成载波技术(PGC)常用于干涉型光纤传感器的信号解调,为了实现整个光纤传感系统的小型化,提高数据处理速度和解调精度,设计制作了应用于盘式光纤加速度计数字解调系统,系统以DSP和FPGA数字系统作为解调硬件电路的核心,实现对微型盘式光纤Michelson干涉仪相位信号检测.实验结果表明,微型盘式光纤加速度测量系统对微小振动信号检测有着很高的灵敏度,是高精度测量领域中的一个重要研究方向.     

掺杂石墨烯分子印迹传感器对色氨酸的手性识别

以掺杂了石墨烯纳米片的壳聚糖为功能基体,L-色氨酸为模板分子,利用恒电位沉积法制备对L-色氨酸具有手性识别功能的分子印迹传感器.采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等方法表征印迹膜的形成过程.探讨印迹传感器的电化学性能,并优化了最优检测条件.研究结果表明:石墨烯掺杂量为1mg.mL-1,沉积时间为300s,工作电压为+0.85V,溶液pH值为6时,所制备的石墨烯-壳聚糖印迹传感器具有良好的手性识别性能,且对L-色氨酸的浓度线性响应范围为0.17～25μmol.L-1,检测限(S/N=3)达0.04μmol.L-1.     

pH值温度监测显示系统研究

pH值计是一种常用的仪器设备,主要用来精密测量液体介质的酸碱度值,广泛应用于工业、农业、科研和环保等领域。根据微机式医学仪器设计实验教学的需要,设计了一种便携式温度、pH值测试仪。温度测量部分选用的是DALLAS公司推出的DS18B20可编程的单总线数字温度传感器。在进行pH值测量的同时,利用测得的溶液温度值在软件中实现pH值测量的温度补偿;pH值测量部分是以E201C实验室pH复合电极为传感器,采用电位法测量溶液的酸碱浓度,使用精密低功耗仪表放大器INA128组成差分放大电路,测量溶液相对参考电极电位差,再经8位串行模数转换器TLC549转换得到数字信号,由单片机进行计算处理。     

基于侧面抛磨的光纤SPR传感器研究

在设计并搭建光纤侧面抛磨平台的基础上,研制可用于表面等离子体传感器的侧面抛磨光纤,并给出实验检测测量效果.首先理论模拟光纤SPR传感器在制作过程中以及完成后的性能变化,找到理想的工艺参数和测量效果的关系,然后进行设计并搭建光纤侧面抛磨平台,可实现对光纤抛磨的深度,长度,光插入损耗等物理量的实时在线控制,最后对制成的光纤抛磨样品进行测量,来验证整套装置.根据实验结果,光纤抛磨样品的测量分辨率为3×10-4RIU,峰峰值大于0.1 dB.     

测试混凝土孔溶液的pH值研究混凝土的碳化性能

设计了单掺30%粉煤灰、单掺30%矿渣微粉、复掺粉煤灰和矿渣微粉总量为30%以及不加矿物掺合料的普通混凝土试件,运用混凝土孔溶液的表观pH值测试法对上述混凝土的碳化性能进行研究,并与酚酞溶液测试结果进行对比.研究表明,pH值测试法是一种能反映混凝土抗碳化能力的可靠测试方法.混凝土抗碳化能力越高,混凝土表层的pH值越大,该值在混凝土内部恒定时的深度越小.结合两种测试方法可将碳化混凝土内部分为完全碳化区、部分碳化区和未碳化区,两种测试方法得出的完全碳化区深度基本相等,部分碳化区深度约为完全碳化区深度的2倍.在钢筋混凝土抗碳化性能设计中,要求部分碳化区深度不允许超过混凝土保护层厚度更为科学.