[发明专利]一种基于石墨烯智能水凝胶的光纤光栅pH传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯智能水凝胶的光纤光栅pH传感器及其制备方法，所述传感器包括敏感涂层、紧固部件、光纤和基板。敏感涂层由掺杂有石墨烯微片层的智能水凝胶构成，光纤部分包含线性啁啾调制光纤光栅。传感器制备方法为：采用动态掩模板法制备线性啁啾调制光纤光栅；以BIS为交联剂，过硫酸钾为前驱体，制备石墨烯‑智能水凝胶溶胶；采用激光加工在基板中间位置加工微型半圆的凹槽，将光纤光栅放置在凹槽内，并用环氧树脂胶和紧固部件固定；将石墨烯‑智能水凝胶的溶胶涂覆在光纤光栅的四周，经过溶胶凝胶反应得到敏感涂层。具有精确度高、重复性好、抗电磁干扰等特点，适用于植物工厂、食品生产线等特殊环境下pH的分布式测量。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器，更具体的说是涉及一种基于石墨烯智能水凝胶的光纤光栅pH传感器，用于实现复杂环境下的植物工厂内的栽培营养液pH的快速准确在线测量。

背景技术

我国土地和水资源短缺，随着工矿污染区及沙化地等面积的不断增加，农业生产能力和农产品品质不断下降，对农业安全生产和可持续发展带来了严重挑战。设施园艺作为高投入、高产出、高效率的集约化生产方式，在世界各国受到了广泛重视。

植物工厂作为一种资源集约型植物生产模式，具有生产率高，自动化程度高，生产计划性强等优势，成为近年来设施园艺的一种重要的生产方式。营养液栽培具有营养成分易配比、易吸收、更新快等特点，是植物工厂生产的一种最重要的栽培方式。营养液质量将直接影响农产品质量。pH值是营养液的一项重要参数，合适的pH对于植物生长具有促进作用，而不合适的pH值将导致营养液内有益细菌和各种酶的生长受到抑制，从而限制植物根系对营养成分的吸收。因此营养液pH控制水平决定了营养液质量，进而决定了植物生产质量和农产品质量，及时准确的掌握并实施调节pH值，对于植物工厂安全高效生产具有重要意义。

目前，国内外对于pH检测技术的研究主要分为两大类：一类是电学检测方法，如氢电极，离子敏场效应晶体管（ISFET），电位型电极、电流型电极、离子敏选择性电极（ISE）等，如申请号为2015100039326、201580046907.4、201210026320.5等所公开的发明专利；另一类是非电学检测方法，如光纤法、比色法，近红外光谱法，光扫描图像传感法等，如申请号为201380069949.0、201510034169.6、201210587177.7、201310394168.0等所公布的发明专利。考虑到植物工厂栽培环境的特殊性，高湿、规模化种植环境对pH的精准控制提出了特殊的要求，如抗干扰能力，耐高湿能力、多点测量等，而传统的pH传感器已无法满足这些检测要求。随着光纤光栅技术和纳米技术的发展，基于智能水凝胶的光纤光栅被提出用于pH测量，由于具有灵敏度高，抗干扰能力强，稳定性好，易集成，易小型化，易实现分布式测量等优势，从而成为近年来的pH检测领域研究焦点之一。

发明内容

本发明针对已有pH传感器技术的不足，提出一种基于石墨烯智能水凝胶的光纤光栅pH传感器及其制备方法，用于实现复杂环境下的植物工厂内的栽培营养液pH的快速准确在线测量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于石墨烯智能水凝胶的光纤光栅pH传感器，包括敏感涂层、紧固部件A、紧固部件B、光纤和基板；所述紧固部件A和紧固部件B分别布置在基板表面左右两端，将光纤固定在基板上；所述光纤由光纤包层、光纤纤芯和光纤光栅组成，光纤光栅位于紧固部件A和紧固部件B之间的基板上；所述敏感涂层涂覆在光纤光栅周围；所述紧固部件A、紧固部件B和基板均为平板结构，中间开有半圆形的微凹槽。

上述方案中，所述的敏感涂层由掺杂有石墨烯微片层的智能水凝胶构成，智能水凝胶以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为交联剂，过硫酸钾（K2S2O8）为前驱体，石墨烯微片层的片径为100~300nm，质量比为0.5%~1.0%。