[發明專利]一種利用有源微球腔與酚紅結合探測水中氨濃度的方法

在審

• 申請號: 202110687451.7
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113433083A
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 王鵬飛;張萌
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/64;G02B6/255
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種利用有源微球腔與酚紅結合探測水中氨濃度的方法，步驟一：空光纖內置稀土離子摻雜微球諧振器集成結構的制備；(1)制備內置增益微球的光纖結構；(2)制備鉺鐿共摻含鉛玻璃微球；(3)將微球置于光纖內部；步驟二：基于上述集成結構實現對水中氨濃度的探測；本發明利用稀土離子摻雜微球腔替代了復合材料薄膜，避免了繁瑣的薄膜合成過程，并且將微球腔集成在光纖內部進行封裝，大大提高了傳感元件的緊湊性，同時也更方便與光源、光譜儀等檢測器件相連，優化了整個傳感器的測試系統。在提高了傳感器的實用性的基礎上，更是提升了傳感性能，擁有更高的靈敏度和選擇性，更快的響應和恢復時間，且具備優秀的穩定性和可重復性。

技術領域

本發明涉及一種探測水中氨濃度的方法，尤其涉及一種利用有源微球腔與酚紅結合探測水中氨濃度的方法。

背景技術

氨水，是氨(NH₃)的水溶液，是世界上重要的化工原料，廣泛應用于石油冶煉、化肥制造、醫藥、塑料、染料等制造業。但是，氨水中氨氣分子會發生微弱水解生成氫氧根離子和銨根離子(NH₄⁺)，一方面，過高濃度的NH₄⁺會使水體富營養化，藻類大量生長造成水體缺氧，最終破壞水系統的生態平衡；另一方面，人類若攝入受到NH₄⁺污染的食物或水，會導致口腔、食道和胃的腐蝕，若吸入高濃度的氨氣會導致反射性呼吸停止、心臟停搏。因此，有必要用靈敏、有選擇性的儀器對這類物質進行檢測。水中氨濃度檢測方法主要包括電化學分析法、儀器分析法、分光光度分析法和其他分析技術(熒光法)。以離子選擇電極法為例，銨離子電極法指根據能斯特原理，依靠敏感膜，可以實現銨離子的特定性響應，讓敏感膜內外部分的電位出現變化，實現對被測水樣的氨氮分析。根據數據顯示，通過離子選擇電極法測量的結果，數據誤差可以控制在0.5％范圍以內，因此具有極強的靈敏度，同時操作難度也相對較低；以凱氏定氮法為例，凱氏定氮法的原理是對于被測水體樣本不進行消解就直接注入過量的氫氧化鈉溶液，將氫氧化鈉溶液從強堿性逐漸轉換為弱堿性，將水中的銨鹽轉換成氨。在蒸餾并析出氨之后，依靠硼酸溶液進行吸收，然后使用電位滴定儀對溶液進行滴定。硼酸在吸收氨之后，其堿性逐漸增強，再使用硫酸溶液滴定至原始pH值，使用pH計對滴定終點進行控制，依靠對上述環節中硫酸的使用量來對水中的氨氮含量進行分析；分光光度分析法主要包括納氏試劑法、水楊酸-次氯酸鹽法以及淀粉藍光度法等。其中，靛酚藍光度法的原理是：水中銨態氮在強堿性環境中與苯酚、次氯酸鈉進行相互作用，由此形成穩定性較強的水溶性燃料靛酚藍。通過實驗發現，若被測水體樣本中氨氮濃度在0.01-0.5mg/L時，其吸光度與銨態氮含量為正比例關系，可以在625nm位置進行對比測量；熒光法的原理是利用部分物質在紫外線照射下會產生熒光的特征，例如：在堿性物質環境下，鄰苯二甲醛與氮氨作用形成具有熒光特征的物質，所產生的熒光強度與氨氮質量濃度在2-300μg/L之間呈現線性關系，因此依靠對熒光強度的檢測，就能夠獲得待測水體中的氨氮含量的數據。

除此之外，研究人員發現，在光吸收法的基礎上，利用熒光染料的特性，可以實現原位、實時快速分析等功能，提升了水中氨濃度探測器的傳感性能。熒光染料具有高的消光系數，寬的吸收譜帶及高熒光量子產率，且與特定分析物作用后，不僅表現出顯著的吸收及熒光強度變化，還可伴隨明顯的顏色變化以實現裸眼檢測等功能，與傳統分析檢測儀器(如原子吸收分光光度計、原子熒光分光光度計及電感耦合等離子質譜儀等)相比，操作簡便，響應迅速，靈敏度高，選擇性好。

目前，基于氨傳感應用領域的熒光染料研究已經取得了一定進展和成果。例如，通過在聚吡咯中摻雜鉻菁R制備用于氨氣傳感的染料摻雜聚吡咯薄膜，在室溫下暴露于不同濃度的氨氣后，可呈現出顯著的吸光度變化，并且具有快速響應時間和較低的檢測限；將乙基纖維素與惡嗪170高氯酸鹽合成的復合材料薄膜作為傳感元件，在不同氨水濃度下，惡嗪170高氯酸鹽在565nm和630nm處的熒光強度比值會發生變化，以實現氨探測等。然而，這種層層自組裝復合薄膜制備過程繁瑣，測試裝置難以集成等，限制了在實際生產生活場景的進一步發展。