專利名稱：一種光纖倏逝波生物膜活性檢測傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器，具體涉及一種光纖倏逝波生物膜活性檢測傳感器。

背景技術(shù)：
在生物滴濾塔處理低濃度有機廢氣(VOCs)的過程中，由于生物廢氣處理的生化反應過程非常復雜，影響廢氣處理效率的因素很多，如含有微生物和營養(yǎng)物質(zhì)的菌懸液的成分、生物量濃度、PH值、循環(huán)速度循環(huán)液流量、塔內(nèi)溫度等，在上述各因素將最終影響與有機廢氣降解率直接相關(guān)的生物膜活性。文獻研究證實，細胞內(nèi)的很多至關(guān)重要的生命活動過程均存在于細胞表面，細胞表面的分泌物又與細胞的生命活動有著密切的關(guān)系。因此本課題提出通過檢測生物膜胞外多糖生物膜胞外分泌物來測量反應生物膜活性，其中生物膜胞外多糖主要包括蛋白質(zhì)、核酸、脂類等。
已有文獻研究表明，生物處理的凈化作用效果主要決定于生物量與生物活性，而生物膜量或生物膜厚度都只能反映附著生長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標來評判懸浮生長與附著生長微生物的活性。
目前用于生物膜活性檢測方法主要是離線測量法，離線測量方法主要有測定其脫氫酶活性法，生物膜中三磷酸腺苷(ATP)含量法，耗氧速率法。這些方法測量生物膜活性既費時又費力，最主要的是，無論是測定脫氫酶活性還是測定三磷酸腺營(ATP)含量，都需將生物膜從附著載體如填料球上脫下，在此過程中，生物膜胞外分泌物以及細胞將受到損傷，因此該方法很難實現(xiàn)真正的生物膜活性檢測。同時在取樣過程中極易帶進雜菌而感染反應塔，采用離線方法的另一個缺點是不易實施自動化控制。雖然耗氧速率法不用將生物膜從附著載體如填料球上脫落下來進行測量，但是如何準確在線檢測耗氧率尚未得到解決。關(guān)于在線檢測法到目前為止國內(nèi)外還未有有關(guān)研究論文發(fā)表。
雖然有一些方法可以測量生物膜活性，但是還處于較為原始的階段。因為從事該研究領(lǐng)域的研究者們，通常是將脫氫酶與TTC反應生成TF，TF顏色越深表明脫氫酶的活性越高。從而用來粗略的判斷生物膜活性。
在生物法處理低濃度有機廢氣的環(huán)保技術(shù)進入工程應用階段后，在工業(yè)生化反應處理過程中如何測定生物膜活性，提高廢氣降解率，是目前該技術(shù)進入工程應用階段的技術(shù)難題和關(guān)鍵。
綜上所述，系統(tǒng)使用光纖倏逝波(evanescent wave，簡寫為EW)能量衰減技術(shù)實現(xiàn)生物膜活性在線測量，通過傳感器的輸出數(shù)據(jù)，時時的顯示生物膜活性變化情況，從而讓從事該研究領(lǐng)域的研究者們，從微觀上了解到生物菌液的生長繁殖情況，從而及時的為生物菌添加營養(yǎng)液和觀察生物菌的活性等方面的信息。
針對這一技術(shù)難題和關(guān)鍵，通過對EW的物理現(xiàn)象的研究，設計了一種新型EW生物膜活性測量傳感器，并通過對傳感器的設計原理和方法、光路的理論分析，得出了接收光的能量與生物膜胞外多糖折射率的函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，深入研究了生物膜胞外多糖在不同波長光源情況下對生物膜活性的影響，實驗結(jié)果及理論分析表明這種方法用于測量生物膜活性是可行的，具有生物量濃度測量準確、反應靈敏、使用壽命長等優(yōu)點，該傳感器的設計原理和方法具有一定的普遍意義，是一種有很大實用價值的新型生物膜活性傳感器，具有良好的應用前景。


發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不能在線測量生物膜活性的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器。
為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，包括入射光纖，出射光纖，準直鏡，聚焦鏡，其特點是在傳感器內(nèi)設置有第一固定鏡、第一動鏡、第二動鏡、第二固定鏡、棱鏡；在傳感器底部的中間開有安裝孔，棱鏡設置在傳感器底部的安裝孔內(nèi)，且棱鏡的底面向外凸出，棱鏡的上部為長方體，棱鏡的下部的正面和反面形狀為上底長于下底的等腰梯形、棱鏡的下部的左側(cè)面和右側(cè)面為長方形；所述第一固定鏡的反射面與入射光纖的中心線成45度角，第一動鏡與水平面成β度夾角，且第一動鏡的反射面同時與第一固定鏡的反射面、棱鏡的一個側(cè)面對應；所述準直鏡接收入射光纖發(fā)出的入射光線，使光線全部聚焦后形成平行光線發(fā)射給第一固定鏡，第一固定鏡接收準直鏡發(fā)射的光，并將光反射給第一動鏡，第一動鏡將光反射到棱鏡的一個側(cè)面，棱鏡的另一個側(cè)面將光反射給第二動鏡；第二固定鏡的反射面與出射光纖的中心線成45度角，第二動鏡與水平面成φ度夾角，且第二動鏡的反射面同時與第二固定鏡的反射面、棱鏡的另一個側(cè)面對應，第二動鏡將光反射給第二固定鏡，第二固定鏡將光反射給聚焦鏡，聚焦鏡聚焦后通過出射光纖發(fā)射出去。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，在傳感器的頂部還設置有安裝座，在傳感器內(nèi)還設置有安裝支架、二個安裝塊、二個調(diào)整螺桿、彈簧，其中，所述安裝支架固定在安裝座上；所述安裝塊分別通過安裝軸設置在安裝支架的下端，所述安裝塊設置有斜面，其中一個安裝塊的斜面同時與第一固定鏡、棱鏡的一個側(cè)面對應，另一個安裝塊的斜面同時與第二固定鏡、棱鏡的另一個側(cè)面對應；彈簧設置在二個安裝塊之間；其中一個調(diào)整螺桿設置在其中一個安裝塊的頂部和安裝座之間，另一個調(diào)整螺桿設置在另一個安裝塊的頂部和安裝座之間，二個調(diào)整螺桿分別通過螺紋孔固定在安裝座上；第一動鏡和第二動鏡分別粘貼在二個安裝塊的斜面上。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述安裝支架由連接桿和底座構(gòu)成，其中，底座是工形，由一根挑梁和兩根橫梁構(gòu)成，連接桿的一端固定在底座的挑梁上，連接桿的另一端固定在安裝座上；所述安裝塊分別通過安裝軸設置在底座的兩根橫梁之間的凹槽內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述棱鏡的右側(cè)面與傳感器底部的夾角θ是 θ＝arcsinn2/n1 其中n1為棱鏡的折射率，n2為待測有機物的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，第一動鏡與水平面的夾角β是 其中n1為棱鏡的折射率，n2為待測有機物的折射率。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述棱鏡采用硅晶體構(gòu)成。
本發(fā)明所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器的有益效果是該發(fā)明能夠進行生物膜活性在線檢測，具有檢測準確、反應靈敏、使用壽命長的優(yōu)點，是一種有很大實用價值的新型生物膜活性傳感器，具有良好的應用前景。



下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明。
圖1是本發(fā)明所述的光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明所述的棱鏡7的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是光在棱鏡7中的全反射示意圖。
圖4是本發(fā)明所述的倏逝波圖像示意圖。
圖5是本發(fā)明所述的第一動鏡6在第一極值條件下的光路示意圖。
圖6是本發(fā)明所述的第一動鏡6在第二極值條件下的光路示意圖。
圖7是本發(fā)明所述的第一動鏡6、第二動鏡8的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例方式 參見圖1至圖7，一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，由傳感器外殼、入射光纖1、出射光纖2、準直鏡3、聚焦鏡4、第一固定鏡5、第一動鏡6、第二動鏡8、第二固定鏡9、棱鏡7、安裝座17、安裝支架11、二個調(diào)整螺桿12、13、安裝軸14、15、彈簧16、二個安裝塊18、19、支撐座20、21組成。其中，在傳感器底部的中間位置開有安裝孔10，棱鏡7設置在傳感器底部的安裝孔內(nèi)，且底面向外凸出，棱鏡7的上部為長方體，棱鏡7的下部的正面和反面形狀為上底長于下底的等腰梯形、棱鏡7的下部的左側(cè)面和右側(cè)面為長方形；所述第一固定鏡5和第二固定鏡9通過支撐座20、21固定在傳感器的外殼壁內(nèi)，所述第一固定鏡5的反射面與入射光纖1的中心線成45度角，第二固定鏡9的反射面與出射光纖2的中心線成45度角；第一動鏡6的反射面同時與第一固定鏡5的反射面、棱鏡7的一個側(cè)面對應；安裝座17設置在傳感器的頂部，所述安裝支架11固定在安裝座17上；所述安裝塊18、19分別通過安裝軸14、15設置在安裝支架11的下端；所述安裝支架11由連接桿22和底座23構(gòu)成，其中，底座23是工形，由一根挑梁和兩根橫梁構(gòu)成，連接桿22的一端固定在底座23的挑梁上，連接桿22的另一端固定在安裝座17上；所述安裝塊18、19分別通過安裝軸14、15設置在底座的兩根橫梁之間的凹槽內(nèi)；所述安裝塊18、19設置有斜面，安裝塊18的斜面同時與第一固定鏡5、棱鏡7的一個側(cè)面對應，并且安裝塊18的斜面與水平面成β度夾角，安裝塊19的斜面同時與第二固定鏡9、棱鏡7的另一個側(cè)面對應，并且安裝塊19的斜面與水平面成φ度夾角；彈簧16設置在安裝塊18、19之間；調(diào)整螺桿12設置在安裝塊18的頂部和安裝座17之間，調(diào)整螺桿13設置在安裝塊19的頂部和安裝座17之間，調(diào)整螺桿12、13分別通過螺紋孔固定在安裝座17上；第一動鏡6和第二動鏡8分別粘貼在安裝塊18、19的斜面上，可以用螺絲刀旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿12、13，完成安裝塊18、19上下微小距離的調(diào)整，用于調(diào)整動鏡6、8與水平面的夾角β、φ，彈簧16用于產(chǎn)生平衡力，使安裝塊18、19保持平衡。
所述準直鏡3接收入射光纖1發(fā)出的入射光線，使光線全部聚焦后形成平行光線發(fā)射給第一固定鏡5；第一固定鏡5將光反射給第一動鏡6，第一動鏡6將光反射到棱鏡7的一個側(cè)面，在棱鏡7中通過多次全反射后，棱鏡7的另一個側(cè)面將光反射給第二動鏡8，第二動鏡8將光反射給第二固定鏡9，第二固定鏡9將光反射給聚焦鏡4，聚焦鏡4聚焦后，通過出射光纖2發(fā)射出去；其中，所述棱鏡7的接收第一動鏡6的反射光的側(cè)面與傳感器底部的夾角θ是 θ＝arcsin n2/n1 其中n1為棱鏡7的折射率，n2為待測有機物的折射率。
第一動鏡6與水平面的夾角β是 第二動鏡8與水平面的夾角φ的角度調(diào)節(jié)范圍為 所述棱鏡7材料選取折射率為3.4的Si晶體。
所述棱鏡7的接收第一動鏡6的反射光的側(cè)面與傳感器底部的夾角θ角度選取依據(jù)的是 入射光反射到棱鏡7的側(cè)面上，即在側(cè)面滿足全反射條件，如圖3、圖4所示，由幾何光學知，如果入射光在棱鏡7的側(cè)面滿足全反射條件，即可滿足在棱鏡7的上面和底面上滿足全反射條件。
有機物折射率一般在1.0-1.5之間，即要求在測量中入射角能在整個有機物折射率分布區(qū)間上滿足全反射條件。
由全反射公式sinθ＝n2/n1知，其中，θ為發(fā)生全反射時的臨界入射角，n1為Si晶體的折射率，n2為待測有機物的折射率，當選取有機物折射率n2＝1.5時，n1＝3.4，代入公式θ＝arcsin n2/n1，得入射角為θ＝26.17897°，即可滿足整個測量區(qū)間的全反射條件。
動鏡角度的可調(diào)范圍采用極值法確定 如圖5所示，當?shù)谝粍隅R6與水平面的角度β＝2θ時，此時入射光在棱鏡7的側(cè)面的入射角為90°，即垂直入射到棱鏡7的側(cè)面上，此時沒有光到達第二動鏡8。
如圖6所示，光束經(jīng)第一動鏡6直接反射到棱鏡7的底面時，光束經(jīng)棱鏡7的底面反射后，光束與棱鏡7的另一例面平行到達第二動鏡8，此時
從以上兩個極值點知，第一動鏡6與水平面的夾角β的角度調(diào)節(jié)范圍為

為使第二動鏡8能接收到光束，第二動鏡8與水平面的夾角φ的角度調(diào)節(jié)范圍為也設計為

由θ的表達式θ＝arcsinn2/n1知，第一動鏡6與水平面的夾角β的角度調(diào)節(jié)范圍為 第二動鏡8與水平面的夾角φ的角度調(diào)節(jié)范圍為 基于光纖EW倏逝波能量衰減量變化的生物膜活性傳感器原理 光束經(jīng)過收介質(zhì)時輸入/輸出光強的關(guān)系 光束在弱吸收介質(zhì)中傳播時的強度定律，可以得出光在弱吸收介質(zhì)的兩點之間的強度關(guān)系為 Iout＝Iine-αl (一) 其中α＝nK0K，n為待測生物膜胞外多糖折射率，K0、K為特定常數(shù)。
若吸收光強隨位置改變而變化。這時(一)式將被推廣為下式 (二) 式中積分沿著所選光線從起點到終點，(二)式常叫做比爾Beer定律。EW能量衰減量與生物膜胞外多糖濃度的關(guān)系 當EW進入生物膜胞外多糖時，其穿透深度取決于入射光的波長、傳感器所用晶體的折射率、生物膜胞外分泌物的折射率和光線在所用晶體界面的入射角。穿透深度D由下式計算 (三) 式中，λ為入射光波長；n1為傳感器所用晶體的折射率；n2為物膜胞外多糖折射率；θ為入射角。
現(xiàn)假定，EW光強為Ii，光經(jīng)界面后直接反射回的光強為Ii，則有 Iin＝Ii+Ii (四) 將(C)式代入(A)式可得，EW經(jīng)過物膜胞外多糖后輸出光強 (五) 由(5)式知EW損失能量，即物膜胞外多糖對入射光波的吸收能量 I吸收＝Ii-I′out (六) 本傳感器為了提高檢測的靈敏，同時根據(jù)具體所需，來設計傳感探頭的大小。如光在Si晶體中的反射次數(shù)為N。
由(六)式可知，當以反射次數(shù)為N次計算時，并假定在每個反射點EW損耗的能量相等，則入射光總能量損失為 I損失＝N(Ii-I′out)+I″(七) 其中I″為Si晶體對入射光的吸收能量。
由(七)式知，最終輸出光強為 (八) 進一步假定，光經(jīng)界面后直接反射回的光強為Ii和倏逝波光強Ii之比為常數(shù)K，知 Iin＝KIi+Ii＝(K+1)Ii＝K1Ii(九) 將(九)式代入(八)式變形后，有 (十) 即 (十一) 其中 令則(十一)式簡化為 (十二) 用U表示光反射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓。K7表示光探測器D的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)則經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為 (十三) 即 (十四) 因為Ki(i＝1，2，3，4，5，6，7)均為常數(shù)，則可令則有 (十五) 即 (十六) 其中 傳感器輸出電壓與生物膜胞外多糖濃度之間的關(guān)系為 (十七) 從(十七)式可以看出，EW生物膜活性在線檢測傳感器通過發(fā)射光纖發(fā)出的輸入光強Iin，經(jīng)過硅晶體Si后，在硅晶體Si與生物膜胞外多糖界面反射，隱矢波進入生物膜胞外多糖中產(chǎn)生衰減，反射光經(jīng)硅晶體Si后達接收光纖，再光探測器光電轉(zhuǎn)換后(轉(zhuǎn)換系數(shù)為K)變成電壓信號U，經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計算機進行數(shù)據(jù)處理，即可知道生物膜活性的大小。
權(quán)利要求
1、一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，包括入射光纖(1)，出射光纖(2)，準直鏡(3)，聚焦鏡(4)，其特征在于在傳感器內(nèi)設置有第一固定鏡(5)、第一動鏡(6)、第二動鏡(8)、第二固定鏡(9)、棱鏡(7)；在傳感器底部的中間開有安裝孔(10)，棱鏡(7)設置在傳感器底部的安裝孔(10)內(nèi)，且棱鏡(7)的底面向外凸出，棱鏡(7)的上部為長方體，棱鏡(7)的下部的正面和反面形狀為上底長于下底的等腰梯形、棱鏡(7)的下部的左側(cè)面和右側(cè)面為長方形；所述第一固定鏡(5)的反射面與入射光纖(1)的中心線成45度角，第一動鏡(6)與水平面成β度夾角，且第一動鏡(6)的反射面同時與第一固定鏡(5)的反射面、棱鏡(7)的一個側(cè)面對應；所述準直鏡(3)接收入射光纖(1)發(fā)出的入射光線，使光線全部聚焦后形成平行光線發(fā)射給第一固定鏡(5)，第一固定鏡(5)接收準直鏡(3)發(fā)射的光，并將光反射給第一動鏡(6)，第一動鏡(6)將光反射到棱鏡(7)的一個側(cè)面，棱鏡(7)的另一個側(cè)面將光反射給第二動鏡(8)；第二固定鏡(9)的反射面與出射光纖(2)的中心線成45度角，第二動鏡(8)與水平面成φ度夾角，且第二動鏡(8)的反射面同時與第二固定鏡(9)的反射面、棱鏡(7)的另一個側(cè)面對應，第二動鏡(8)將光反射給第二固定鏡(9)，第二固定鏡(9)將光反射給聚焦鏡(4)，聚焦鏡(4)聚焦后通過出射光纖(2)發(fā)射出去。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，其特征在于在傳感器的頂部還設置有安裝座(17)，在傳感器內(nèi)還設置有安裝支架(11)、二個安裝塊(18、19)、二個調(diào)整螺桿(12、13)、彈簧(16)，其中，所述安裝支架(11)固定在安裝座(17)上；所述安裝塊(18、19)分別通過安裝軸(14、15)設置在安裝支架(11)的下端，所述安裝塊(18、19)設置有斜面，安裝塊(18)的斜面同時與第一固定鏡(5)、棱鏡(7)的一個側(cè)面對應，安裝塊(19)的斜面同時與第二固定鏡(9)、棱鏡(7)的另一個側(cè)面對應；彈簧(16)設置在安裝塊(18、19)之間；調(diào)整螺桿(12)設置在安裝塊(18)的頂部和安裝座(17)之間，調(diào)整螺桿(13)設置在安裝塊(19)的頂部和安裝座(17)之間，調(diào)整螺桿(12、13)分別通過螺紋孔固定在安裝座(17)上；第一動鏡(6)和第二動鏡(8)分別粘貼在安裝塊(18、19)的斜面上。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，其特征在于所述安裝支架(11)由連接桿(22)和底座(23)構(gòu)成，其中，底座(23)是工形，由一根挑梁和兩根橫梁構(gòu)成，連接桿(22)的一端固定在底座(23)的挑梁上，連接桿(22)的另一端固定在安裝座(17)上；所述安裝塊(18、19)分別通過安裝軸(14、15)設置在底座(23)的兩根橫梁之間的凹槽內(nèi)。
4、根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，其特征在于所述棱鏡(7)的接收第一動鏡(6)的反射光的側(cè)面與傳感器底部的夾角θ是
θ＝arcsinn2/n1
其中n1為棱鏡(7)的折射率，n2為待測有機物的折射率。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，其特征在于第一動鏡(6)與水平面的夾角β是
第二動鏡(8)與水平面的夾角φ的角度調(diào)節(jié)范圍為
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，其特征在于所述棱鏡(7)采用硅晶體構(gòu)成。
全文摘要
一種光纖倏逝波生物膜活性在線檢測傳感器，包括入射光纖，出射光纖，準直鏡，聚焦鏡，其特征在于在傳感器內(nèi)設置有第一固定鏡、第一動鏡、第二動鏡、第二固定鏡、棱鏡；在傳感器底部的中間開有安裝孔，棱鏡設置在傳感器底部的安裝孔內(nèi)，且棱鏡的底面向外凸出，棱鏡的上部為長方體，棱鏡的下部的正面和反面形狀為上底長于下底的等腰梯形、棱鏡的下部的左側(cè)面和右側(cè)面為長方形；所述第一固定鏡的反射面與入射光纖的中心線成45度角，第一動鏡與水平面成β度夾角，且第一動鏡的反射面同時與第一固定鏡的反射面、棱鏡的一個側(cè)面對應；該發(fā)明能夠進行生物膜活性在線檢測，具有檢測準確、反應靈敏、使用壽命長的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/17GK101609000SQ200910104408
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者趙明富, 羅彬彬, 鐘年丙, 王少飛 申請人:重慶工學院