【摘 要】
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重金属污染是非常重要的水环境保护问题之一。作为重金属污染中毒性最大的元素汞（Hg）对人身体健康存在严重的威胁。为了保证水环境中Hg2+的含量在安全范围之内,研究检测准确、灵敏度高、使用方法简单及高效的Hg2+传感器就显得非常重要。目前常用的基于光谱法和电化学法的Hg2+传感器,大多数都存在着测量设备体积大、价格昂贵、测量过程复杂等缺点。而飞速发展的光纤传感技术有着抗电磁干扰、体积小、成本低等其他传
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重金属污染是非常重要的水环境保护问题之一。作为重金属污染中毒性最大的元素汞（Hg）对人身体健康存在严重的威胁。为了保证水环境中Hg2+的含量在安全范围之内,研究检测准确、灵敏度高、使用方法简单及高效的Hg2+传感器就显得非常重要。目前常用的基于光谱法和电化学法的Hg2+传感器,大多数都存在着测量设备体积大、价格昂贵、测量过程复杂等缺点。而飞速发展的光纤传感技术有着抗电磁干扰、体积小、成本低等其他传感技术无法比拟的优点。基于此,本文旨在研究基于光纤传感技术的Hg2+传感器,并着眼于反射式传感探头的设计与实现、Hg2+敏感膜的制备与涂覆、以及温度交叉敏感问题的解决。主要研究内容包括:（1）反射式光纤Hg2+传感器结构的理论设计与仿真分析。根据Hg2+的实际测量需求,提出了基于模间干涉原理的反射式单模光纤-无芯光纤（Single mode fiber-No-core fiber,S-N）光纤传感结构和基于表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）原理的反射式SPR光纤传感结构。分别建立两种传感器的理论模型,验证传感方案的可行性,并通过仿真分析,确定传感器的最佳结构参数和传感特性,为Hg2+传感实验奠定理论基础。（2）Hg2+敏感膜的选择与涂覆方法的研究。选择无毒无害的壳聚糖（Chitosan,CS）和聚丙烯酸（Polyacrylicacid,PAA）作为Hg2+敏感膜材料。由于两种传感方法中,分别需要将敏感膜涂覆在光纤表面和金属膜表面上,为了敏感膜与光纤能够有效、稳定地结合,分别提出对光纤表面进行羟基化（-OH）和对金属膜表面进行羧基化（-COOH）的处理方法,然后通过层层自组装技术实现敏感膜的涂覆。（3）实验系统的搭建与传感器特性分析。利用制作好的传感器对不同浓度的Hg2+溶液进行实验研究,结果表明:反射式S-N光纤传感器在0～100μmol/L的Hg2+浓度范围内,灵敏度可达0.082nm/（μmol/L）;反射式SPR光纤传感器在0～30μmol/L的Hg2+浓度范围内,灵敏度可达0.5586nm/（μmol/L）。相比于反射式S-N光纤Hg2+传感器,反射式SPR光纤Hg2+传感器在Hg2+低浓度范围内的灵敏度得到了显著的提高。此外,两种传感器对Hg2+均表现出较好的特异性以及良好的重复性。（4）Hg2+浓度与温度交交敏感问题的分析与解决。反射式S-N光纤Hg2+传感器的温度灵敏度为0.0187nm/℃,通过对传感器级联FBG的方法实现对溶液温度和Hg2+浓度的同时测量,经过实验验证,FBG的温度灵敏度为0.0147nm/℃,通过双参数测量矩阵方程,不仅实现了离子浓度和温度的同时测量,而且可消除溶液温度对Hg2+浓度检测准确性的影响;同样,反射式SPR光纤Hg2+传感器的温度灵敏度为0.2158nm/℃,采用在SPR传感区域进行部分涂覆敏感膜的方法,使输出光谱中出现两个SPR共振波长,实现对被测溶液温度和Hg2+浓度的同时测量,通过实验验证,传感器的温度灵敏度为0.2901nm/℃,Hg2+浓度灵敏度为 1.1176nm/μmol/L)。
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