一种光纤倏逝波生物膜活性检测传感器

摘要

一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，包括入射光纤，出射光纤，准直镜，聚焦镜，其特征在于：在传感器内设置有第一固定镜、第一动镜、第二动镜、第二固定镜、棱镜；在传感器底部的中间开有安装孔，棱镜设置在传感器底部的安装孔内，且棱镜的底面向外凸出，棱镜的上部为长方体，棱镜的下部的正面和反面形状为上底长于下底的等腰梯形、棱镜的下部的左侧面和右侧面为长方形；所述第一固定镜的反射面与入射光纤的中心线成45度角，第一动镜与水平面成β度夹角，且第一动镜的反射面同时与第一固定镜的反射面、棱镜的一个侧面对应；该发明能够进行生物膜活性在线检测，具有检测准确、反应灵敏、使用寿命长的优点。

权利要求

1.一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，包括入射光纤(1)，出射光纤(2)，准直镜(3)，聚焦镜(4)，其特征在于：在传感器内设置有第一固定镜(5)、第一动镜(6)、第二动镜(8)、第二固定镜(9)、棱镜(7)；在传感器底部的中间开有安装孔(10)，棱镜(7)设置在传感器底部的安装孔(10)内，且棱镜(7)的底面向外凸出，棱镜(7)的上部为长方体，棱镜(7)的下部的正面和反面形状为上底长于下底的等腰梯形、棱镜(7)的下部的左侧面和右侧面为长方形；所述第一固定镜(5)的反射面与入射光纤(1)的中心线成45度角，第一动镜(6)与水平面成β度夹角，且第一动镜(6)的反射面同时与第一固定镜(5)的反射面、棱镜(7)的一个侧面对应；所述准直镜(3)接收入射光纤(1)发出的入射光线，使光线全部聚焦后形成平行光线发射给第一固定镜(5)，第一固定镜(5)接收准直镜(3)发射的光，并将光反射给第一动镜(6)，第一动镜(6)将光反射到棱镜(7)的一个侧面，棱镜(7)的另一个侧面将光反射给第二动镜(8)；第二固定镜(9)的反射面与出射光纤(2)的中心线成45度角，第二动镜(8)与水平面成φ度夹角，且第二动镜(8)的反射面同时与第二固定镜(9)的反射面、棱镜(7)的另一个侧面对应，第二动镜(8)将光反射给第二固定镜(9)，第二固定镜(9)将光反射给聚焦镜(4)，聚焦镜(4)聚焦后通过出射光纤(2)发射出去。

2.根据权利要求1所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，其特征在于：

在传感器的顶部还设置有安装座(17)，在传感器内还设置有安装支架(11) 、二个安装块(18、19)、二个调整螺杆(12、13)、弹簧(16)，其中，所述安装支架(11)固定在安装座(17)上；所述安装块(18、19)分别通过安装轴(14、15)设置在安装支架(11)的下端，所述安装块(18、19)设置有斜面，安装块(18)的斜面同时与第一固定镜(5)、棱镜(7)的一个侧面对应，安装块(19)的斜面同时与第二固定镜(9)、棱镜(7)的另一个侧面对应；弹簧(16)设置在安装块(18、19)之间；调整螺杆(12)设置在安装块(18)的顶部和安装座(17)之间，调整螺杆(13)设置在安装块(19)的顶部和安装座(17)之间，调整螺杆(12、13)分别通过螺纹孔固定在安装座(17)上；第一动镜(6)和第二动镜(8)分别粘贴在安装块(18、19)的斜面上。

3.根据权利要求2所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，其特征在于：

所述安装支架(11)由连接杆(22)和底座(23)构成，其中，底座(23)是工形，由一根挑梁和两根横梁构成，连接杆(22)的一端固定在底座(23)的挑梁上，连接杆(22)的另一端固定在安装座(17)上；所述安装块(18、19)分别通过安装轴(14、15)设置在底座(23)的两根横梁之间的凹槽内。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，其特征在于：所述棱镜(7)的接收第一动镜(6)的反射光的侧面与传感器底部的夹角θ是：θ＝arcsin(n2/n1)

其中：n1为棱镜(7)的折射率，n2为待测有机物的折射率。

5.根据权利要求4所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，

其特征在于：第一动镜(6)与水平面的夹角β是

第二动镜(8)与水平面的夹角φ的角度调节范围为：

6.根据权利要求5所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，其特征在于：

所述棱镜(7)采用硅晶体构成。

说明书

一种光纤倏逝波生物膜活性检测传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤传感器，具体涉及一种光纤倏逝波生物膜活性检测传感器。 背景技术

[0002] 在生物滴滤塔处理低浓度有机废气(VOCs)的过程中，由于生物废气处理的生化反应过程非常复杂，影响废气处理效率的因素很多，如含有微生物和营养物质的菌悬液的成分、生物量浓度、PH值、循环速度循环液流量、塔内温度等，在上述各因素将最终影响与有机废气降解率直接相关的生物膜活性。文献研究证实，细胞内的很多至关重要的生命活动过程均存在于细胞表面，细胞表面的分泌物又与细胞的生命活动有着密切的关系。因此本课题提出通过检测生物膜胞外多糖生物膜胞外分泌物来测量反应生物膜活性，其中生物膜胞外多糖主要包括蛋白质、核酸、脂类等。

[0003] 已有文献研究表明，生物处理的净化作用效果主要决定于生物量与生物活性，而生物膜量或生物膜厚度都只能反映附着生长微生物的生物量的多寡，而不能反映其活性，因此需借助于其他指标来评判悬浮生长与附着生长微生物的活性。

[0004] 目前用于生物膜活性检测方法主要是离线测量法，离线测量方法主要有：测定其脱氢酶活性法，生物膜中三磷酸腺苷(ATP)含量法，耗氧速率法。这些方法测量生物膜活性既费时又费力，最主要的是，无论是测定脱氢酶活 性还是测定三磷酸腺营(ATP)含量，都需将生物膜从附着载体如填料球上脱下，在此过程中，生物膜胞外分泌物以及细胞将受到损伤，因此该方法很难实现真正的生物膜活性检测。同时在取样过程中极易带进杂菌而感染反应塔，采用离线方法的另一个缺点是不易实施自动化控制。虽然耗氧速率法不用将生物膜从附着载体如填料球上脱落下来进行测量，但是如何准确在线检测耗氧率尚未得到解决。关于在线检测法到目前为止国内外还未有有关研究论文发表。

[0005] 虽然有一些方法可以测量生物膜活性，但是还处于较为原始的阶段。因为从事该研究领域的研究者们，通常是将脱氢酶与TTC反应生成TF，TF颜色越深表明脱氢酶的活性越高。从而用来粗略的判断生物膜活性。

[0006] 在生物法处理低浓度有机废气的环保技术进入工程应用阶段后，在工业生化反应处理过程中如何测定生物膜活性，提高废气降解率，是目前该技术进入工程应用阶段的技术难题和关键。

[0007] 综上所述，系统使用光纤倏逝波(evanescent wave，简写为：EW)能量衰减技术实现生物膜活性在线测量，通过传感器的输出数据，时时的显示生物膜活性变化情况，从而让从事该研究领域的研究者们，从微观上了解到生物菌液的生长繁殖情况，从而及时的为生物菌添加营养液和观察生物菌的活性等方面的信息。

[0008] 针对这一技术难题和关键，通过对EW的物理现象的研究，设计了一种新型EW生物膜活性测量传感器，并通过对传感器的设计原理和方法、光路的理论分析，得出了接收光的能量与生物膜胞外多糖折射率的函数关系。在此基础上，深入研究了生物膜胞外多糖在不同波长光源情况下对生物膜活性 的影响，实验结果及理论分析表明：这种方法用于测量生物膜活性是可行的，具有生物量浓度测量准确、反应灵敏、使用寿命长等优点，该传感器的设计原理和方法具有一定的普遍意义，是一种有很大实用价值的新型生物膜活性传感器，具有良好的应用前景。

发明内容

[0009] 针对现有技术存在的不能在线测量生物膜活性的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器。

[0010] 为了解决上述技术问题，根据本发明的技术方案，一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，包括入射光纤，出射光纤，准直镜，聚焦镜，其特点是：在传感器内设置有第一固定镜、第一动镜、第二动镜、第二固定镜、棱镜；在传感器底部的中间开有安装孔，棱镜设置在传感器底部的安装孔内，且棱镜的底面向外凸出，棱镜的上部为长方体，棱镜的下部的正面和反面形状为上底长于下底的等腰梯形、棱镜的下部的左侧面和右侧面为长方形；所述第一固定镜的反射面与入射光纤的中心线成45度角，第一动镜与水平面成β度夹角，且第一动镜的反射面同时与第一固定镜的反射面、棱镜的一个侧面对应；所述准直镜接收入射光纤发出的入射光线，使光线全部聚焦后形成平行光线发射给第一固定镜，第一固定镜接收准直镜发射的光，并将光反射给第一动镜，第一动镜将光反射到棱镜的一个侧面，棱镜的另一个侧面将光反射给第二动镜；第二固定镜的反射面与出射光纤的中心线成45度角，第二动镜与水平面成φ度夹角，且第二动镜的反射面同时与第二固定镜的反射面、棱镜的另一个侧面对应，第二动镜将光反射给第二固定镜，第二固定镜将光反射给聚焦镜，聚焦镜聚焦后通过出射光纤发射出去。

[0011] 根据本发明的一个优选方案，在传感器的顶部还设置有安装座，在传感器内还设置有安装支架、二个安装块、二个调整螺杆、弹簧，其中，所述安装支架固定在安装座上；所述安装块分别通过安装轴设置在安装支架的下端，所述安装块设置有斜面，其中一个安装块的斜面同时与第一固定镜、棱镜的一个侧面对应，另一个安装块的斜面同时与第二固定镜、棱镜的另一个侧面对应；弹簧设置在二个安装块之间；其中一个调整螺杆设置在其中一个安装块的顶部和安装座之间，另一个调整螺杆设置在另一个安装块的顶部和安装座之间，二个调整螺杆分别通过螺纹孔固定在安装座上；第一动镜和第二动镜分别粘贴在二个安装块的斜面上。

[0012] 根据本发明的一个优选方案，所述安装支架由连接杆和底座构成，其中，底座是工形，由一根挑梁和两根横梁构成，连接杆的一端固定在底座的挑梁上，连接杆的另一端固定在安装座上；所述安装块分别通过安装轴设置在底座的两根横梁之间的凹槽内。 [0013] 根据本发明的一个优选方案，所述棱镜的右侧面与传感器底部的夹角θ是： [0014] θ＝arcsin(n2/n1)

[0015] 其中：n1为棱镜的折射率，n2为待测有机物的折射率。

[0016] 根据本发明的一个优选方案，第一动镜与水平面的夹角β是：

[0017]

[0018] 其中：n1为棱镜的折射率，n2为待测有机物的折射率。

[0019] 根据本发明的一个优选方案，所述棱镜采用硅晶体构成。

[0020] 本发明所述的一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器的有益效果是：该发明能够进行生物膜活性在线检测，具有检测准确、反应灵敏、使用寿命长的优点，是一种有很大实用价值的新型生物膜活性传感器，具有良好的应用前景。

附图说明

[0021] 下面结合附图对本发明作详细说明。

[0022] 图1是本发明所述的光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器结构示意图。 [0023] 图2是本发明所述的棱镜7的结构示意图。

[0024] 图3是光在棱镜7中的全反射示意图。

[0025] 图4是本发明所述的倏逝波图像示意图。

[0026] 图5是本发明所述的第一动镜6在第一极值条件下的光路示意图。 [0027] 图6是本发明所述的第一动镜6在第二极值条件下的光路示意图。 [0028] 图7是本发明所述的第一动镜6、第二动镜8的安装结构示意图。

具体实施方式

[0029] 参见图1至图7，一种光纤倏逝波生物膜活性在线检测传感器，由传感器外壳、入射光纤1、出射光纤2、准直镜3、聚焦镜4、第一固定镜5、第一动镜6、第二动镜8、第二固定镜9、棱镜7、安装座17、安装支架11、二个调整螺杆12、13、安装轴14、15、弹簧16、二个安装块18、19、支撑座20、21组成。其中，在传感器底部的中间位置开有安装孔10，棱镜7设置在传感器底部的安装孔内，且底面向外凸出，棱镜7的上部为长方体，棱镜7的下部的正面和反面形状为上底长于下底的等腰梯形、棱镜7的下部的左侧面和右侧面为长方形；所述第一固定镜5和第二固定镜9通过支撑座20、 21固定在传感器的外壳壁内，所述第一固定镜5的反射面与入射光纤1的中心线成45度角，第二固定镜9的反射面与出射光纤2的中心线成45度角；第一动镜6的反射面同时与第一固定镜5的反射面、棱镜7的一个侧面对应；安装座17设置在传感器的顶部，所述安装支架11固定在安装座17上；所述安装块18、19分别通过安装轴14、15设置在安装支架11的下端；所述安装支架11由连接杆22和底座23构成，其中，底座23是工形，由一根挑梁和两根横梁构成，连接杆22的一端固定在底座23的挑梁上，连接杆22的另一端固定在安装座17上；所述安装块18、19分别通过安装轴14、15设置在底座的两根横梁之间的凹槽内；所述安装块18、19设置有斜面，安装块18的斜面同时与第一固定镜5、棱镜7的一个侧面对应，并且安装块18的斜面与水平面成β度夹角，安装块19的斜面同时与第二固定镜9、棱镜7的另一个侧面对应，并且安装块19的斜面与水平面成φ度夹角；弹簧16设置在安装块18、19之间；调整螺杆12设置在安装块
18的顶部和安装座17之间，调整螺杆13设置在安装块19的顶部和安装座17之间，调整螺杆12、13分别通过螺纹孔固定在安装座17上；第一动镜6和第二动镜8分别粘贴在安装块
18、19的斜面上，可以用螺丝刀旋转调整螺杆12、13，完成安装块18、19上下微小距离的调整，用于调整动镜6、8与水平面的夹角β、φ，弹簧16用于产生平衡力，使安装块18、19保持平衡。

[0030] 所述准直镜3接收入射光纤1发出的入射光线，使光线全部聚焦后形成平行光线发射给第一固定镜5；第一固定镜5将光反射给第一动镜6，第一动镜6将光反射到棱镜7的一个侧面，在棱镜7中通过多次全反射后，棱镜7的另一个侧面将光反射给第二动镜8，第二动镜8将光反射给第二固定镜9，第二固定镜9将光反射给聚焦镜4，聚焦镜4聚焦后，通过出射光纤2发射出去；其中，所述棱镜7的接收第一动镜6的反射光的侧面与传感器底部的夹角θ是：

[0031] θ＝arcsin(n2/n1)

[0032] 其中：n1为棱镜7的折射率，n2为待测有机物的折射率。

[0033] 第一动镜6与水平面的夹角β是：

[0034]

[0035] 第二动镜8与水平面的夹角φ的角度调节范围为：

[0036]

[0037] 所述棱镜7材料选取折射率为3.4的Si晶体。

[0038] 所述棱镜7的接收第一动镜6的反射光的侧面与传感器底部的夹角θ角度选取依据的是：

[0039] 入射光反射到棱镜7的侧面上，即在侧面满足全反射条件，如图3、图4所示，由几何光学知，如果入射光在棱镜7的侧面满足全反射条件，即可满足在棱镜7的上面和底面上满足全反射条件。

[0040] 有机物折射率一般在1.0-1.5之间，即要求在测量中入射角能在整个有机物折射率分布区间上满足全反射条件。

[0041] 由全反射公式sinθ＝n2/n1知，其中，θ为发生全反射时的临界入射角，n1为Si晶体的折射率，n2为待测有机物的折射率，当选取有机物折射率n2＝1.5时，n1＝3.4，代入公式θ＝arcsin(n2/n1)，得：入射角为θ＝26.17897°，即可满足整个测量区间的全反射条件。

[0042] 动镜角度的可调范围采用极值法确定：

[0043] 如图5所示，当第一动镜6与水平面的角度β＝2θ时，此时入射光在棱 镜7的侧面的入射角为90°，即垂直入射到棱镜7的侧面上，此时没有光到达第二动镜8。 [0044] 如图6所示，光束经第一动镜6直接反射到棱镜7的底面时，光束经棱镜7的底面反射后，光束与棱镜7的另一侧面平行到达第二动镜8，此时：

[0045] 从以上两个极值点知，第一动镜6与水平面的夹角β的角度调节范围为： 为使第二动镜8能接收到光束，第二动镜8与水平面的夹角φ的角度调节范围为也设计为： 由θ的表达式θ＝arcsin(n2/n1)知，第一动镜6与水平面的夹角β的角度调节范围为：

[0046]

[0047] 第二动镜8与水平面的夹角φ的角度调节范围为：

[0048]

[0049] 基于光纤EW倏逝波能量衰减量变化的生物膜活性传感器原理

[0050] 光束经过收介质时输入/输出光强的关系

[0051] 光束在弱吸收介质中传播时的强度定律，可以得出光在弱吸收介质的两点之间的强度关系为：

[0052] Iout＝Iine-αl (一)

[0053] 其中α＝nK0K，n为待测生物膜胞外多糖折射率，K0、K为特定常数。 [0054] 若吸收光强随位置改变而变化。这时(一)式将被推广为下式：

[0055] (二)

[0056] 式中积分沿着所选光线从起点到终点，(二)式常叫做比尔Beer定律。EW能量衰减量与生物膜胞外多糖浓度的关系

[0057] 当EW进入生物膜胞外多糖时，其穿透深度取决于入射光的波长、传感器所用晶体的折射率、生物膜胞外分泌物的折射率和光线在所用晶体界面的入射角。穿透深度D由下式计算：

[0058] (三)

[0059] 式中，λ为入射光波长；n1为传感器所用晶体的折射率；n2为物膜胞外多糖折射率；θ为入射角。

[0060] 现假定，EW光强为Ii，光经界面后直接反射回的光强为Ii，则有： [0061] Iin＝Ii+Ii (四)

[0062] 将(C)式代入(A)式可得，EW经过物膜胞外多糖后输出光强：

[0063] (五)

[0064] 由(5)式知EW损失能量，即物膜胞外多糖对入射光波的吸收能量： i

[0065] I吸收＝I-I′out (六)

[0066] 本传感器为了提高检测的灵敏，同时根据具体所需，来设计传感探头的大小。如光在Si晶体中的反射次数为N。

[0067] 由(六)式可知，当以反射次数为N次计算时，并假定在每个反射点EW损耗的能量相等，则入射光总能量损失为：i

[0068] I损失＝N(I-I′out)+I″(七)

[0069] 其中I″为Si晶体对入射光的吸收能量。

[0070] 由(七)式知，最终输出光强为：

[0071] (八)

[0072] 进一步假定，光经界面后直接反射回的光强为Ii和倏逝波光强Ii之比为 常数K，知：

[0073] Iin＝KIi+Ii＝(K+1)Ii＝K1Ii (九)

[0074] 将(九)式代入(八)式变形后，有：

[0075] (十)

[0076] 即：

[0077] (十一)

[0078] 其中

[0079] 令 则(十一)式简化为：

[0080] (十二)

[0081] 用U表示光反射光经光电转换后的输出电压。K7表示光探测器D的光电转换系数则经光电转换后的输出电压为：

[0082] (十三)

[0083] 即：

[0084] (十四)

[0085] 因为Ki(i＝1，2，3，4，5，6，7)均为常数，则可令： 则有：

[0086] (十五)

[0087] 即：

[0088] (十六)

[0089] 其中

[0090] 传感器输出电压与生物膜胞外多糖浓度之间的关系为：

[0091] (十七)

[0092] 从(十七)式可以看出，EW生物膜活性在线检测传感器通过发射光纤发出的输入光强Iin，经过硅晶体Si后，在硅晶体Si与生物膜胞外多糖界面反射，隐矢波进入生物膜胞外多糖中产生衰减，反射光经硅晶体Si后达接收光纤，再光探测器光电转换后(转换系数为K)变成电压信号U，经过信号调理、A/D转换后输入到计算机进行数据处理，即可知道生物膜活性的大小。