一种基于大面积二硫化钼的光纤传感探头及其制备方法技术领域
本发明涉及一种光纤传感探头的制备方法，特别是涉及一种基于大面积二硫化钼
的光纤传感探头及其制备方法，属于光纤折射率传感器制备技术领域。
背景技术
传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光
纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器，是将来自光源的光送入光纤，使
待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质发生变化，再经过光纤送入光
探测器，经解调后获得被测参数的仪器。石墨烯是由单层碳原子紧密堆垛而成的具有蜂窝
状结构的二维晶体，特殊的单原子层晶体结构和狄拉克锥形电子能带结构决定了石墨烯具
有优异的电学、热学、光学和力学等性质。石墨烯已被广泛应用于光纤传感，但是石墨烯并
不是唯一能够扮演这样角色的二维材料，二硫化钼是继石墨烯之后材料界的新宠。二硫化
钼同样拥有一些与石墨烯相同的非凡特性，并且有望超越石墨烯。二硫化钼具有优异的分
子吸附性、高透光性和柔软的膜状结构，这使得二硫化钼可以和光纤相结合，作为高灵敏传
感材料应用在光纤传感器方面。目前，机械剥离法、化学沉积法及激光剥离法制备的二硫化
钼作为传感材料应用在光纤传感器领域。这类方法制备的二硫化钼需要通过转移工艺将二
硫化钼转移到光纤表面上，来实现二硫化钼光纤传感器的制备。而以此制备的光纤传感器，
由于二硫化钼层数不均匀、面积小且需要通过一定的转移工艺转移到光纤表面，二硫化钼
的质量在转移过程中容易受到影响，在实际检测中，二硫化钼传感层易脱落，导致检测结果
不稳定且灵敏度低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于大面积二硫化钼的光纤传感探头及
其制备方法。制备得到的光纤传感器探头中，直接在光纤的表面制备二硫化钼，制备得到大
面积且连续的二硫化钼，且制备的二硫化钼通过范德华力紧密贴合在光纤的表面，光纤传
感器探头具有良好的检测结果稳定性和具有较好的灵敏度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于大面积二硫化钼的光纤传感探头的制备方法，包括以下步骤：
将四硫代钼酸铵溶液涂在光纤的传感区表面，利用热分解四硫代钼酸铵的方法，
在光纤的传感区表面制备二硫化钼纳米薄膜，二硫化钼纳米薄膜的面积为500～1000平方
毫米。
传感区为与待测物质接触，进而获取待测参数的区域。
由机械剥离法、化学沉积法及激光剥离法制备的二硫化钼，层数不均匀、面积小且
即使通过一定的转移工艺转移到光纤表面，也无法实现面积连续的要求，且测量过程中容
易脱落。使用热分解方法在光纤表面制备得到的是厚度均匀且连续的大面积二硫化钼，二
硫化钼纳米薄膜通过范德华力紧密贴合在光纤的表面，测量过程中不易脱落；在光纤传感
区制备得到大面积且连续的二硫化钼，使得到的二硫化钼的纳米薄膜各个位置处的灵敏度
趋于一致，避免了传统转移工艺对二硫化钼质量的破坏，从而保证了检测结果的稳定性和
检测的灵敏度。当制备的二硫化钼薄膜的面积较大时，可以提高与待测溶液的接触面积，提
高传感器接收信号的强度，进而提高了传感器检测的灵敏度。
此外，化学沉积法难以控制沉积得到的二硫化钼薄膜的厚度和面积，进而难以控
制二硫化钼薄膜的质量。
优选的，所述四硫代钼酸铵溶液是旋涂在光纤的传感区的表面。
旋涂，基片垂直于自身表面的轴旋转，同时把液态涂覆材料涂覆在基片上的工艺。
采用旋涂的工艺，可以保证光纤传感区表面的四硫代钼酸铵液膜的厚度均匀，制备得到的
二硫化钼纳米薄膜的厚度均匀，提高了二硫化钼薄膜的质量。
进一步优选的，四硫代钼酸铵溶液旋涂在光纤的传感区表面，形成的四硫代钼酸
铵溶液的液膜厚度为50～100微米。
在此条件下制得的二硫化钼既能保持连续的膜装结构又具有纳米尺度的厚度。液
膜过厚，制备得到的二硫化钼薄膜的厚度提高，提高了薄膜的刚度，在检测过程中，过厚的
二硫化钼薄膜容易脱落；液膜过薄，制备的二硫化钼薄膜的厚度较小，二硫化钼薄膜与光线
之间的结合强度较弱，同样容易导致二硫化钼薄膜的脱落；同时，当液膜过薄时，制备得到
的二硫化钼薄膜较薄，且难以保证薄膜的连续性，不利于提高传感器检测的灵敏度。
优选的，所述四硫代钼酸铵溶液中的溶剂为二甲基甲酰胺。
二甲基甲酰胺，是一种透明液体，能和水及大部分有机溶剂互溶，相对于一般的有
机溶剂，四硫代钼酸铵在二甲基甲酰胺中具有更大的溶解度，制备的二硫化钼薄膜质地紧
密、厚度适中，可以显著提高检测的灵敏度。如果选择溶解度较小的有机溶剂，则会导致制
备的二硫化钼薄膜的厚度偏低，影响二硫化钼薄膜的质量。
进一步优选的，所述四硫代钼酸铵溶液的浓度为0.001～0.05克/毫升。
优选的，所述光纤为U型光纤。
U型光纤作为传感器探头，与其他类型的光纤传感器探头相比，更适于与二硫化钼
薄膜的结合，以提高制备得到的传感器的灵敏度。
优选的，所述热分解四硫代钼酸铵的方法，包括如下步骤：
将涂有四硫代钼酸铵溶液的光纤传感区在真空状态下加热至300～800℃后，向其
通入设定量的氢气和氩气的混合气体，进行热解，即得。
四硫代钼酸铵热分解制备二硫化钼的化学反应式：四硫代钼酸铵→二硫化钼+氨
气+硫化氢+硫((NH4)2MoS4＝MoS2+2NH3+H2S+S)。传统的制备方法需要首先制备三硫化钼颗
粒，然后将三硫化钼在氢气和氩气的混合气体环境下进行还原。与传统制备方法相比，热分
解法操作步骤简单的优点。
优选的，热解反应的时间为30～120分钟。
优选的，热分解反应的真空度小于1～3×10-6托。高真空状态可有效避免二硫化钼
的氧化且避免了空气中的杂质对二硫化钼制备的影响。
优选的，热分解发生的容器为石英管。
石英管即为石英玻璃管，是一种非常优良的基础材料。且具有耐高温、耐腐蚀、热
稳定性好、透光性能好以及电绝缘性能好的优良特性。将涂覆有四硫代钼酸铵溶液的光纤
的传感区放入石英管中，便于密封后抽真空。且由于石英管可以在1100℃下长时间使用，在
进行热分解反应时，石英管可以正常使用，不会因为石英管的破坏导致试验的失败。
优选的，上述方法还包括热解完成后，在氩气氛围下自然降温的步骤。
由于热分解的温度较高，当热分解得到的二硫化钼暴露在空气中时，在高温作用
下，二硫化钼会与空气中的活性气体反应，产生杂质。所以，在氩气氛围下将二硫化钼自然
降温，一方面可以将二硫化钼与空气隔绝，保证二硫化钼的纯度，进而保证得到的光纤传感
器探头的灵敏度；另一方面，二硫化钼的自然冷却过程，也是二硫化钼进行密实的过程，自
然冷却后的二硫化钼层密实度较高，与光纤之间的作用力较强，避免了光纤传感器的损坏，
同时保证了光纤传感器的检测的稳定性和准确性。
上述制备方法制备得到的光纤传感器探头。
光纤折射率传感器检测溶液浓度的实验原理：由菲涅尔公式可知，当光波入射到
两种媒质交界面时，振幅反射系数为：
式中：ρ⊥为入射波的电场垂直于入射面(垂直极化)时的振幅反射系数；ρ||为入射
波的电场平行于入射面(平行极化)时的振幅反射系数；n1、n2分别为两种媒质的折射率；θ1
为n1媒质中的入射角；θ2为n2媒质中的折射角。
光入射到两种媒质交界面时的功率反射系数为：
可见，功率反射系数R与入射光的极化状态、入射角θ1以及媒质的折射率n1、n2有
关。另外，全反射的临界角为：
当θ1＞θC时，R＝100％，入射光功率将全部被反射到n1媒质中。
由上述分析可得，n2越大，θC越大。因为只有θ1＞θC的入射光才能发生全反射，所以
n2越大，通过全反射回到原媒质的光功率越小。当被测液体的浓度C发生变化时，其折射率n2
发生变化，通过全反射回到原媒质的光功率也发生变化，通过测量接收端光强的大小，就可
以得到被测液体的浓度。
本发明的有益效果为：
1、本发明制备的光纤传感器探头是将二硫化钼纳米颗粒层直接生长在光纤的传
感区表面，二硫化钼与光纤的传感区表面紧密接触，避免转移过程导致的二硫化钼层的损
伤，大大提高了二硫化钼薄膜的连续性和面积，进而提高了光纤传感器探头检的测稳定性
和灵敏度。
2、本发明中是原位制备二硫化钼纳米颗粒层，可以根据适用的对象合理调整二硫
化钼纳米颗粒层的面积，可以制备一种大面积的二硫化钼光纤传感器，当二硫化钼的面积
较大时，与待测介质接触的面积较大，提高了检测的灵敏度；且待测介质不均匀时，与待测
介质的大面积接触，可以避免小面积接触时导致的检测结果不准确的发生。
附图说明
图1为本发明实施例制备的大面积二硫化钼U型光纤传感探头的扫描电子图像；
图2为本发明实施例制备的大面积二硫化钼U型光纤传感探头的拉曼光谱；
图3为本发明实施例制备的大面积二硫化钼U型光纤传感探头检测不同体积浓度
酒精溶液的吸光率与酒精浓度的关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实
施例仅限于说明解释本发明，并不用于限定本发明。所述材料如无特别说明均能从公开商
业途径而得。
实施例1
一种基于大面积二硫化钼U型光纤传感探头的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.05克的四硫代钼酸铵溶解在5毫升的二甲基甲酰胺溶液中，超声处理5分
钟，然后将四硫代钼酸铵溶液均匀的旋涂在U型光纤传感探头的U形区表面。
2)利用热分解方法将二硫化钼直接生长在U型光纤表面上，具体操作为：将涂有四
硫代钼酸铵的U型光纤置于石英管中，将石英管密封完全后将石英管内的气压抽至极限真
空状态3×10-6托，同时将温度升至温度500摄氏度；达到热解温度后通入一定量的氢气和氩
气的混合气体热解60分钟，热分解完成后，关闭在氩气氛围下自然降温，即可得到基于大面
积二硫化钼的U型光纤传感探头。
图1所示大面积二硫化钼的U型光纤传感探头的扫描电子显微镜图像，表明在制备
完成后U型光纤表面相对比较平滑，可见二硫化钼薄膜与光纤表面紧密贴覆。图2所示大面
积的二硫化钼U型光纤传感探头的拉曼图像，二硫化钼的拉曼特征峰证实了U型光纤表面已
经生长了均匀的二硫化钼，图3所示利用大面积二硫化钼U型光纤传感探头，检测空气和不
同体积浓度酒精溶液的吸光率与酒精体积浓度的关系：酒精体积浓度分别为20％、40％、
60％、80％和100％，随着酒精浓度的增大，吸光度由10％提高到25％，具有较高的检测灵敏
度。
实施例2
一种基于大面积二硫化钼U型光纤传感探头的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.01克的四硫代钼酸铵溶解在5毫升的二甲基甲酰胺溶液中，超声处理5分
钟，然后将四硫代钼酸铵溶液均匀的旋涂在U型光纤传感探头的U形区表面。
2)利用热分解方法将二硫化钼直接生长在U型光纤表面上，具体操作为：将涂有四
硫代钼酸铵的U型光纤置于石英管中，将石英管密封完全后将石英管内的气压抽至极限真
空状态1×10-6托，同时将温度升至温度800摄氏度；达到热解温度后通入一定量的氢气和氩
气的混合气体热解120分钟，热分解完成后，关闭在氩气氛围下自然降温，即可得到基于大
面积二硫化钼的U型光纤传感探头。
实施例3
一种基于大面积二硫化钼U型光纤传感探头的制备方法，包括以下步骤：
1)将0.005克的四硫代钼酸铵溶解在5毫升的二甲基甲酰胺溶液中，超声处理5分
钟，然后将四硫代钼酸铵溶液均匀的旋涂在U型光纤传感探头的U形区表面。
2)利用热分解方法将二硫化钼直接生长在U型光纤表面上，具体操作为：将涂有四
硫代钼酸铵的U型光纤置于石英管中，将石英管密封完全后将石英管内的气压抽至极限真
空状态2×10-6托，同时将温度升至温度400摄氏度；达到热解温度后通入一定量的氢气和氩
气的混合气体热解30分钟，热分解完成后，关闭在氩气氛围下自然降温，即可得到基于大面
积二硫化钼的U型光纤传感探头。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围
的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需
要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。