1 引言
氯仿(chloroform，CHCl3)是一种工业上常用的强挥发性有机溶剂，也是一中常见的环境污染物，对人体健康损害主要表现为：中枢神经系统抑制作用、心肌损害作用，肝肾细胞毒性及致癌、致畸和胚胎毒性。因此在环境监测中实时检测空气中的氯仿浓度很重要。
自1983年苏黎世联邦工学院的光学实验室发现平面光波导对相对湿度敏感现象以来，光波导传感器越来越广泛应用于环境监测、石油化工、生化检测等领域，与其他传感器相比，具有机械强度大、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、响应快、可在常温下操作等优点。本文利用平面离子交换光波导元件成功地检测了氯仿蒸汽。
2 实验部分
2.1 玻璃光波导的制备
将硝酸钾(KNO3)粉末在400℃的电炉中熔解并使基板(显微镜载玻片，76 mm×26 mm×1 mm)浸没于其中。在400℃下进行30～40 min离子交换，取出玻璃基板待完全冷却后用蒸馏水洗净备用。
2.2 敏感层的制备
称取0.0304 g甲基绿(FMP进口分装)粉末溶解于50 mL二次蒸馏水中，配制成浓度为1.0×10-3／l的甲基绿溶液。3 mL聚乙烯醇(1％)水溶液中加入1 mL甲基绿溶液混合均匀，再用稀NaOH溶液，使pH值调到8.0左右，最后利用匀胶机(spin-coater)把溶液固定在K+交换玻璃光波导表面制备甲基绿／PVA薄膜。匀胶机转速设定为2000 r•min-1，时间为25 s，涂抹后在室温标准大气压下烘干24 h。
2.3 氯仿蒸汽的制备
取微量氯仿液体(分析纯)注入标准体积的容器中，待完全蒸发，最后利用氯仿气体检测管(日本GASTEC公司生产)来确定氯仿蒸汽的准确浓度。
2.4 检测
光波导传感器测试系统如图1所示。为了使氯仿蒸汽与敏感层充分接触，采用体积为2 cm×1 cm×1 cm的流动池，纯氮气流入流动池的速度为60cm3／min。利用棱镜耦合法，为使玻璃棱镜紧贴于玻璃光波导，其交界面滴人折射率为1.74的二碘甲烷液体。将波长为633 nm的氦-氖激光通过玻璃棱镜输入到玻璃光波导，通过辐照计检出输出光并用电脑(记录仪)记录光强度随时间的变化。整个步骤在室温下进行。
3 结果与讨论
3.1 玻璃光波导
玻璃光波导具有容易制备、机械强度好等特点。玻璃中的MgO，CaO，Na2O，K2O等氧化物不能进入SiO2，GeO2，Li2O，BaO等构成的网络结构，而是处于网络之外，且其化学键容易断裂，形成游离的金属离子。将含有一价金属离子的中性盐，加热致熔点以上，再将一般的显微镜载玻片浸没于其中。玻璃表面附近的。Na+被一价金属离子置换，形成厚度为1～2 μm、折射率稍为高的离子交换层而得到离子交换玻璃光波导。常用的中性盐有KNO3(熔点为339℃)等。离子交换玻璃光波导表面的折射率变化△n是随着金属离子的电子极化率大小而变。由于K+的电子极化率远大于玻璃中Na+的电子极化率，所以K+容易置换玻璃表面附近的Na+而形成折射率稍高(折射率从1.510增加到1.518)的K+交换导波层。
3.2 检测氯仿的原理
光通过玻璃棱镜输入到玻璃光波导时，由于K+交换层的折射率高于上层(空气)和下层(基板)，因此激光在K+交换层与上下界面之间发生全反射而传播(见图1)。传播过程中产生的倏逝波(消逝波)渗透到甲基绿／PVA薄膜表面。当氯仿蒸汽存在时，使蓝色的甲基绿／PVA薄膜褪色，从而减弱薄膜对波长为633 nm的倏逝波的吸收，输出光强度(信号)增大，而且光强度的变化值与被测氯仿蒸汽浓度之间有良好的线性关系
3.3 响应曲线
N2流入到测定体系的流动池内时，输出光强度不发生变化(见图2)。当一定浓度的氯仿蒸汽流进时，输出光的强度突然增大。氯仿分子脱离薄膜表面时输出光强度也恢复到原来的强度。由图2可见，氯仿浓度低时输出光强度的变化也小，输出光强度的变化随着氯仿浓度的增大而变大。响应恢复速度快，响应和恢复时间分别为2 s和3 s。
传感器的光强度变化值(a)定义为
式中，I氯仿为注入氯仿时最高点的光强度，IN2为流人氮气时的初始光强度。从图3可见，该传感器的光强度变化值与被测氯仿蒸汽浓度之间有良好的线性关系，其线性响应范围为10×10-3～90×10-3，线性方程为a=0.000563[氯仿]+0.00826，相关系数R=0.98674。
实验发现，CCl4也有与氯仿一样的响应。其它气体的响应情况另行总结发表。
4 结 论
实验发现甲基氯／聚乙烯醇薄膜遇到氯仿蒸汽时，薄膜颜色褪色，从而薄膜对倏逝波的吸收减弱，输出光强度变大，其变化值与被测氯仿蒸汽浓度之间有良好的线性关系，从而成功地检测出氯仿蒸汽浓度。该元件对氯仿蒸汽具有线性、快速和可逆响应，而且成本低、制备简单，将具有良好的应用前景。
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