基于纳米金MSEF效应的爆炸物光纤传感系统关键技术研究

Explosives detecting system with high sensitivity, low cost, high stability and fast detection rate has become an active research topic in security area at home and abroad. Plastic optical fiber sensing system which is used to detect nitroaromatic explosives based on fluorescence quenching method is proposed in this project. Both fluorescence intensity and lifetime of the indictor will be detected and the metal surface enhanced fluorescence (MSEF) effect will be used in this project. Theoretical model of MSEF effect will be built, the effect of the size, shape of the gold nanoparticle and shell thickness of SiO2 on the indictor's fluorescence intensity will be analyzed based on this model. The sensing material which gold nanoparticles and fluorescence indictor are contained will be fabricated by sol-gel method. The algorithm of the fluorescence lifetime and software implementation, optimization design and fabrication of sensor heads with high sensitivity will be explored. Based on above work an explosives sensing system with excellent performance will be developed and serve for the counter-terrorism area. The achievements of this project will provide theoretical and experimental basis for the MSEF based chemical optical fiber sensor and social benefit to counter-terrorism and environment protection.

高灵敏度、低成本、稳定、快速的爆炸物检测技术是当前国内外安全领域的研究热点。本项目基于荧光猝灭原理，利用纳米金表面增强荧光效应，采用荧光指示剂荧光强度和寿命同时探测的方法，研究用于硝基芳烃类爆炸物检测的塑料光纤传感系统。建立纳米金表面增强荧光效应的理论模型，深入研究纳米金尺寸、形状、二氧化硅壳层厚度等因素对荧光指示剂荧光强度的影响。实验研究含有纳米金和荧光指示剂的溶胶-凝胶敏感膜制备工艺。探索计算荧光寿命的相关算法和软件实现，高灵敏度传感头的优化设计、制备等关键问题。项目旨在根据国家反恐需要，对基于纳米金表面增强荧光效应的硝基芳烃类爆炸物检测系统的传感机理、检测手段、整个传感系统的设计及优化进行有益探索，开发性能优良的爆炸物检测系统。项目研究将为基于贵金属表面增强荧光效应的光纤化学传感器提供理论依据和实验基础，并对反恐和环境保护产生重大的社会效益。

爆炸物检测技术可以用于反恐、非金属地雷探测和环境质量监测等领域。本课题将金属表面增强荧光(MSEF)效应应用到硝基芳烃类爆炸物检测领域，利用荧光猝灭原理，采用荧光指示剂荧光强度和寿命同时探测的方法，研究用于硝基芳烃类爆炸物检测的光纤传感系统。主要研究内容为建立纳米金表面增强荧光效应的理论模型，深入研究纳米金尺寸、形状、二氧化硅壳层厚度等因素对荧光指示剂荧光强度的影响。探索计算荧光寿命的相关算法和软件实现。搭建爆炸物检测平台，实验研究微结构光纤和锥形光纤爆炸物检测性能等关键问题。经过3年的研究，取得了以下成果:. (1) 利用经典电动力学理论分析了纳米金周围表面等离子体共振产生的电场增强、荧光指示剂荧光衰减速率的增加和由于荧光共振能量转移引起的荧光减弱。理论分析结果如下:.a)增加纳米金的半径、降低二氧化硅壳层的厚度可以使荧光指示剂周围局域电场增强；.b)包裹纳米金的壳层厚度越厚，从荧光指示剂到纳米金的表面能量转移越小；.c)半径是20nm的纳米金粒子在入射光波长为600nm时，场增强因子最高为5左右；.d)包裹纳米金的介质材料折射率越低局域电场增强因子越高，理论分析了当壳层折射率分别为1.42，1.92，2.42时，局域电场增强因子。结果为当壳层折射率为1.42时局域场增强因子最高，实验中选用二氧化硅作为包裹材料。.(2) 实验研究了轮形微结构光纤爆炸物检测性能。采用压力注入法将轮形微结构光纤的空气孔内壁涂覆荧光指示剂，采用计算荧光衰减速率的方法检测爆炸物浓度，用Matlab软件和Origin软件进行数据处理，拟合出荧光衰减速率。最终测得系统对硝基芳烃类化合物二硝基甲苯(DNB)的检测下限为6.3ppm。.(3) 采用532nm的绿光半导体激光器作为光源，利用光敏聚合法实验研究了锥形光纤传感头的制备工艺，并研究了该传感头对DNB的测试性能。用提拉法将纳米金@二氧化硅核壳结构涂覆于锥形光纤传感头表面，实验结果表明纳米金可以增强荧光指示剂的荧光强度。.(4) 利用相移法实现了荧光寿命的测量。利用Protel软件设计了光源的调制电路和荧光信号的放大电路，基于Labview软件设计了基于相移法荧光寿命测量的程序。.项目研究为基于贵金属表面增强荧光效应的光纤化学传感器提供理论依据和实验基础，并对反恐和环境保护产生重大的社会效益。