專利名稱：一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光傳感技術領域，具體涉及一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術：
水環(huán)境監(jiān)測包括對總磷、重金屬、氟化物、氰化物等多種參數(shù)進行檢測。磷是自然界水環(huán)境中重要的生源要素，磷的含量控制著水體生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)過程，它是水體環(huán)境富營養(yǎng)化的決定因素。水環(huán)境總磷離子濃度的檢測對于保護水環(huán)境、評估和控制污染程度有著重要的意義。鉬酸銨分光光度法是目前國際上通用的總磷檢測方法。我國的總磷檢測標準(GB 11893-89)也是采用這種方法。該方法采用人工采樣和實驗室分析的方式，分為以下兩步 第一步是消解，目的是把溶液中的存在的不同形式磷元素全部轉(zhuǎn)化為正磷酸根離子，第二步是正磷酸根離子濃度的檢測，首先用鉬酸銨作為顯色試劑使待測溶液顯色，然后通過分光光度儀測定正磷酸根離子濃度，從而推算出溶液的總磷含量。該方法通過測試顯色后溶液的透過率或反射率等光學性能的變化來推算溶液總磷含量，系統(tǒng)環(huán)境的溫度、PH值的微弱變化以及微量雜質(zhì)離子存在對測試的影響較小，使得該方法具有很高的靈敏度和抗干擾性。但是，該方法的核心設備是高精度的分光光度儀，它的性能決定了總磷測定的精度和測量范圍。高端的分光光度儀價格昂貴，體積較大比較笨重，測試過程過多地依賴于人工操作。這使得鉬酸銨分光光度法在大規(guī)模水環(huán)境總磷監(jiān)測過程中存在較高的運行成本和較低的測試效率。有鑒于此，國際上的研究學者正在積極尋找新的傳感方法，用光、電信號作為信息輸出方式代替人工的方式，實現(xiàn)信息的自動化收集和處理，提高測試效率，用微型化和系統(tǒng)集成化的微傳感器件代替笨重、昂貴的分光光度儀，降低成本，并希望最終開發(fā)出適于大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測應用的高效實時的微型總磷檢測系統(tǒng)。新傳感方法的研究探索主要集中在電化學和生物電化學方面，主要原理是通過待測溶液中正磷酸根離子與對其有特異性選擇的物質(zhì)發(fā)生化學反應，反應過程中產(chǎn)生電位差或電流與正磷酸根離子濃度存在特定線性關系，因此可以用電位或電流等信號的變化來表征溶液的總磷含量。根據(jù)響應方式的不同，可以分為以下三類電位測量法、間接伏安測定法和生物酶傳感法。電位測量法是利用敏感電極與正磷酸根離子發(fā)生特異性電化學反應，通過測量電極電位差得到溶液中總磷含量。目前取得較大進展是采用鈷/氧化鈷敏感電極，可以檢測到0. Ippm濃度的正磷酸根離子(A. Parra, M. Ramon, J. Alonso, S. G. Lemos, Ε. C. Vieira, A. R. A. Nogueira, "Flow Injection Potentiometric system for the simultaneous determination of inositol phosphates and phosphate: Phosphorus nutritional evaluation on seeds and grains，，J. Agric. Food Chem. 53 (2005) 7644 - 7648.)。間接伏安測定法是正磷酸根離子首先與其它金屬離子反應生成絡合物，通過測定反應過程的伏安特性變化，間接得到溶液總磷含量。這種方法靈敏度較高，最近的報道通過分析磷鉬酸鹽絡合物的響應電流特性間接得到溶液正磷酸根離子濃度，其測試極限達到 0.03ppm (J. Calvo Quintanaj L. Idrissij G. Palleschij P. AlbertanojA. Amine, Μ. El Rai ζ, D. Moscone, “Investigation of amperometric detection of phosphate Applications in seawater and cyanobacterial biofilm simples", Talanta. Vol. 63 (3) (2004), pp. 567-574)。生物酶傳感方法是利用對磷酸鹽高選擇性的生物酶與正磷酸根離子作用，通過電化學的方法測量由于酶分解作用所消耗的氧(E. Akyilmaz, E. Yorganci, Electrochim, “Construction of an amperometric pyruvate oxidase enzyme electrode for determination of pyruvate and phosphate", Acta 52 (2007) 7972 - 7977)或者產(chǎn)生過氧化氫的量(R. C. H. Kwan, H. F. Leung, P. Y. Τ. Hon, J. P. Bradford, R. Renneberg, "A screen-printed biosensor using pyruvate oxidase for rapid determination of phosphate in synthetic wastewater", App1. Microbiol. Biotech. 66 (2005) 377 - 383)，推算出水溶液中正磷酸根離子的濃度。該方法的測量過程中可以引入微流體裝置，使測試系統(tǒng)更加微型化(Preechaworapun, Anchana ； Dai, Zong; Xiang, Yun； Chailapakul, Orawon； Wang, Joseph, “Investigation of the enzyme hydrolysis products of the substrates of alkaline phosphatase in electrochemical immunosensing", Talanta, 2008, 76(2), 424—431)。胃±@i$， 學和生物電化學方法具有較高的靈敏度，已經(jīng)接近了分光光度法的水平。它用電信號響應代替了人工讀取的信息輸出方式，便于信息的處理與傳輸，大大提高了測試效率，為總磷監(jiān)測系統(tǒng)自動化實時監(jiān)測的實現(xiàn)打下基礎。但是，此類方法以電化學反應和生物電化學為基礎，對系統(tǒng)環(huán)境十分敏感，溶液溫度、PH值微小變化以及微量雜質(zhì)離子的存在都會對測試的準確性和重復性有很大干擾。在復雜多變的自然界水環(huán)境下，電化學與生物電化學檢測方法面臨的巨大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其抗干擾能力強，可以快速、準確的對總磷進行檢測，具有微型化和集成化的潛力。本發(fā)明的另一目的在于提供一種光傳感總磷檢測方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為
一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)，包括底板及集成于底板上的激光器光源、光傳感單元、光電探測器和數(shù)顯模塊，所述激光器光源通過輸入光纖與所述光傳感單元連接，所述光傳感單元通過輸出光纖與所述光電探測器連接，所述光電探測器通過電連接線與所述數(shù)顯模塊連接。上述方案中，所述輸入光纖和所述輸出光纖為單模光纖。上述方案中，所述光傳感單元包括頂蓋、側壁和底蓋，所述頂蓋、側壁和底蓋組成密封腔室，所述密封腔室內(nèi)設有光纖傳感器，所述側壁上設有進樣口和出樣口。上述方案中，所述光纖傳感器由所述輸入光纖、所述輸出光纖和設置于所述密封腔室內(nèi)的V型槽構成；所述輸入光纖穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的一端， 所述輸出光纖穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的另一端。上述方案中，所述頂蓋、側壁和底蓋的材質(zhì)為有機玻璃。上述方案中，所述光電探測器為光探測器或光電二極管。上述方案中，所述底板為有機玻璃板。
一種光傳感總磷檢測方法，包括如下步驟
將加入顯色試劑的待檢測溶液樣品注滿光傳感單元，所述顯色試劑與待檢測溶液樣品中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；
打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；
所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出待檢測溶液樣品的光功率值；
將所述光功率值與參考光功率值的差值作為待檢測溶液的光響應信號，根據(jù)所述光響應信號在總磷濃度標準光響應曲線中查找相對應的總磷濃度，該總磷濃度值即為待檢測溶液的總磷含量。上述方案中，所述參考光功率值產(chǎn)生的步驟具體包括
(1)將未進行顯色的空白溶液注滿光傳感單元；
(2)打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；
(3)所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出參考光功率值。上述方案中，所述總磷濃度標準光響應曲線生成的步驟具體包括
(1)配制一系列標準總磷濃度溶液；
(2)取其中一標準總磷濃度溶液作為標定樣品，將加入顯色試劑的標定樣品注滿光傳感單元，所述顯色試劑與標準總磷濃度溶液中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；
(3)打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述顯色反應生成絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；
(4)所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出所述標準總磷濃度下的標定光功率值；
(5)將所述標定光功率值與所述參考光功率值的差值作為所述標準總磷濃度下的光響應信號；
(6)按照步驟(2)至步驟(5)所述，依次測試其他標準總磷濃度溶液的光響應信號，根據(jù)所有光響應信號與標準總磷濃度的線性對應關系繪制總磷濃度標準光響應曲線。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用的技術方案產(chǎn)生的有益效果如下
本發(fā)明基于光纖傳感原理，其抗干擾能力強，可以快速、準確的對總磷進行檢測，具有微型化和集成化的潛力；尤其是利用了 V形槽定位光纖的耦合效率高和穩(wěn)定性好的特點， 獲得對溶液中總磷含量信息的光信號響應。


圖1為本發(fā)明實施例提供的光傳感總磷檢測系統(tǒng)的整體結構示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例提供的光傳感單元的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案進行詳細描述。
如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)，半導體激光器光源101 通過輸入光纖102與光傳感單元103連接，輸出光纖106連接了光傳感單元103與光電探測器107，光傳感單元103包含進樣口 104和出樣口 105，作為待測溶液進入光傳感單元103 的通道。光電探測器107的輸出端通過電連接線108與數(shù)顯模塊109相連，底板110為整個系統(tǒng)提供物理支撐，所有元件集成于底板110之上。其中，輸入光纖102和輸出光纖106 為單模光纖；光電探測器107為光探測器或光電二極管；底板110為有機玻璃板。如圖2所示，圖2為光傳感單元103的結構示意圖，光傳感單元103包括頂蓋113、 側壁114和底蓋112，頂蓋113、側壁114和底蓋112的材質(zhì)為有機玻璃，通過硅脂密封膠的形式組成密封腔室，密封腔室內(nèi)設有光纖傳感器，進樣口 104和出樣口 105就設置在光傳感單元103的側壁114上。光纖傳感器由輸入光纖102、輸出光纖106和設置于密封腔室內(nèi)的V型槽111構成，輸入光纖102穿過光傳感單元103的側壁114，通過紫外固化膠固定于 V型槽111上，輸出光纖106的一端固定在V型槽111的另一側，V型槽111通過密封膠固定在底蓋112上。使用時，首先將進行顯色反應的待檢測溶液樣品注入到光傳感單元的進樣口 104， 而后關閉出樣口 105，使待檢測溶液樣品充滿整個光傳感單元103。打開激光器光源101，探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖102、光傳感單元103、輸出光纖106進入到光電探測器107，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊109上顯示待檢測溶液的光功率值。根據(jù)待檢測溶液的光功率值與空白溶液的參考光功率值的差值，參照總磷濃度標準光響應曲線即可得出待檢測溶液的總磷濃度。本發(fā)明還提供一種光傳感總磷檢測方法，具體包括如下步驟
(1)將未進行顯色的空白溶液作為參照樣品，空白溶液可以選用純凈水或蒸餾水，把空白溶液注滿光傳感單元；打開激光器光源，激光器光源產(chǎn)生的探測光波長為顯色試劑與正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物的光吸收譜峰值波長，探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出參考光功率值；
(2)配制標準總磷濃度溶液，比如，以0. 00mg/L、0. 10mg/L、0. 20mg/L、0. 60mg/L、 1. 00mg/L、2. 00mg/L、3. OOmg/L七個標準總磷濃度，配置標準總磷濃度溶液；還可以根據(jù)實際檢測需要，選擇其他標準總磷濃度配置標準總磷濃度溶液；
取其中一標準總磷濃度溶液，如取標準總磷濃度為3. 00mg/L的溶液，作為標定樣品， 在標定樣品中加入顯色試劑，顯色試劑與標準總磷濃度溶液中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；清洗光傳感單元腔體，把經(jīng)過顯色的標準總磷濃度溶液注滿光傳感單元； 打開激光器光源，激光器光源產(chǎn)生的探測光波長為顯色反應生成絡合物的光吸收譜峰值波長；探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出標準總磷濃度為3. 00mg/L時的標定光功率值；標定光功率值與參考光功率值的差值即為該標準總磷濃度下的光響應信號；
(3)按照上述方法，依次測試其他標準總磷濃度下的光響應信號；根據(jù)光響應信號與標準總磷濃度的線性對應關系繪制總磷濃度標準光響應曲線，總磷濃度標準光響應曲線作為測定未知總磷含量溶液的參考依據(jù)；
(4)在待檢測溶液樣品中加入顯色試劑，顯色試劑與待檢測溶液中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；打開激光器光源，激光器光源產(chǎn)生的探測光波長為顯色反應生成絡合物的光吸收譜峰值波長；探測光信號通過依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，從數(shù)顯模塊上顯示出該標準濃度下的待檢測溶液的光功率值；光功率值與參考光功率值的差值即為未知濃度待測溶液的光響應信號；按照待檢測溶液的光響應信號大小，從總磷濃度標準光響應曲線中查找相對應的總磷濃度，該濃度值即為待檢測溶液的總磷含量。上述步驟(1)中的參考光功率值和步驟(3)中的總磷濃度標準光響應曲線確定以后，每次檢測未知溶液的總磷濃度，只需按照步驟(4)進行即可，無需再重復步驟(1)至步驟(3)中的方法。本發(fā)明基于光纖傳感原理，其抗干擾能力強，可以快速、準確的對總磷進行檢測， 具有微型化和集成化的潛力；尤其是利用了 V形槽定位光纖的耦合效率高和穩(wěn)定性好的特點，獲得對溶液中總磷含量信息的光信號響應。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于包括底板及集成于底板上的激光器光源、 光傳感單元、光電探測器和數(shù)顯模塊，所述激光器光源通過輸入光纖與所述光傳感單元連接，所述光傳感單元通過輸出光纖與所述光電探測器連接，所述光電探測器通過電連接線與所述數(shù)顯模塊連接。
2.如權利要求1所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述輸入光纖和所述輸出光纖為單模光纖。
3.如權利要求1所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光傳感單元包括頂蓋、 側壁和底蓋，所述頂蓋、側壁和底蓋組成密封腔室，所述密封腔室內(nèi)設有光纖傳感器，所述側壁上設有進樣口和出樣口。
4.如權利要求3所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光纖傳感器由所述輸入光纖、所述輸出光纖和設置于所述密封腔室內(nèi)的V型槽構成；所述輸入光纖穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的一端，所述輸出光纖穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的另一端。
5.如權利要求3所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述頂蓋、側壁和底蓋的材質(zhì)為有機玻璃。
6.如權利要求1所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述光電探測器為光探測器或光電二極管。
7.如權利要求1所述的光傳感總磷檢測系統(tǒng)，其特征在于所述底板為有機玻璃板。
8.一種光傳感總磷檢測方法，其特征在于，包括如下步驟將加入顯色試劑的待檢測溶液樣品注滿光傳感單元，所述顯色試劑與待檢測溶液樣品中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出待檢測溶液樣品的光功率值；將所述光功率值與參考光功率值的差值作為待檢測溶液的光響應信號，根據(jù)所述光響應信號在總磷濃度標準光響應曲線中查找相對應的總磷濃度，該總磷濃度值即為待檢測溶液的總磷含量。
9.如權利要求8所述的光傳感總磷檢測方法，其特征在于，所述參考光功率值產(chǎn)生的步驟具體包括(1)將未進行顯色的空白溶液注滿光傳感單元；(2)打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；(3)所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出參考光功率值。
10.如權利要求8所述的光傳感總磷檢測方法，其特征在于，所述總磷濃度標準光響應曲線生成的步驟具體包括(1)配制標準總磷濃度溶液；(2)取其中一標準總磷濃度溶液作為標定樣品，將加入顯色試劑的標定樣品注滿光傳感單元，所述顯色試劑與標準總磷濃度溶液中的正磷酸根離子發(fā)生顯色反應生成絡合物；(3)打開激光器光源，所述激光器光源產(chǎn)生波長為所述顯色反應生成絡合物的光吸收譜峰值波長的探測光信號；(4)所述探測光信號依次經(jīng)過輸入光纖、光傳感單元、輸出光纖進入到光電探測器，通過光電轉(zhuǎn)換，在數(shù)顯模塊上顯示出所述標準總磷濃度下的標定光功率值；(5)將所述標定光功率值與所述參考光功率值的差值作為所述標準總磷濃度下的光響應信號；(6)按照步驟(2)至步驟(5)所述，依次測試其他標準總磷濃度溶液的光響應信號，根據(jù)所有光響應信號與標準總磷濃度的線性對應關系繪制總磷濃度標準光響應曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及光傳感技術領域，具體涉及一種光傳感總磷檢測系統(tǒng)。所述檢測系統(tǒng)，包括底板及集成于底板上的激光器光源、光傳感單元、光電探測器和數(shù)顯模塊，所述激光器光源通過輸入光纖與所述光傳感單元連接，所述光傳感單元通過輸出光纖與所述光電探測器連接，所述光電探測器通過電連接線與所述數(shù)顯模塊連接。本發(fā)明還提供一種光傳感總磷檢測方法。本發(fā)明基于光纖傳感原理，其抗干擾能力強，可以快速、準確的對總磷進行檢測，具有微型化和集成化的潛力。
文檔編號G01N21/31GK102252981SQ201110106878
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權日2011年4月27日
發(fā)明者劉新宇, 劉煥明, 周靜濤, 楊成樾, 申華軍, 賈銳 申請人:中國科學院微電子研究所