本发明专利技术公开一种用于pH值和溶解氧测量的双参数光纤传感器，包括光源、光纤头、耦合器、培养皿、传感器探头、连接器、滤光片、光电器件、调理器、处理器以及调制器，传感器探头由光纤探针、Si层、聚合物基层和敏感膜组成；所述光纤探针的端部依次设置所述Si层、聚合物基层和敏感膜，所述敏感膜由两种敏感物质构成，即对pH值敏感的物质以及对溶解氧敏感的物质；所述光纤探针同时作为敏膜感的固定基体和传光元件，将敏感膜内敏感物质发射的荧光信号传输至后面的光电器件。本发明专利技术克服现有传感器单一参数测量以及不同传感器间相互干扰的缺点，实现有限空间及少量探测液体条件下的pH和溶解氧双参数的同时测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光纤传感器，具体地是一种可以同时测量微生物反应器皿中溶液PH值和溶解氧的传感器。
技术介绍
pH值和溶解氧(p02)是许多工业和研究领域中监测溶液质量的两个重要指标。比如，pH和p02的检测在病人的血液、体液和呼吸作用等的临床诊断上都是至关重要的参数。在食品工业中，PH和p02表明了饮用水的质量，食物的新鲜程度以及食物和饮料的无菌性等指标，因此需要进行大量的检测。PH和溶氧浓度在海水分析和海洋研究中也是非常重要的。PH值也是工业废水处理过程和监测雨水酸度的一个重要参数。在生物科技领域，溶解氧和pH是微生物发酵过程反应器过程控制的重要参数。在·细胞培养过程中，实时测定细胞代谢过程中的氧气消耗量和溶液PH值的变化状况，可以监测细胞的能量代谢状况以及线粒体的功能状况，破解能量代谢的机理，从而解释细胞及生物体产生异常的生理特点，进而揭示人类肥胖、糖尿病、心血管病、神经系统疾病以及癌症等疾病的发病机理，为肿瘤的诊断和治疗提供有力的证据及新的思路和途径，并且可以为疾病的预警与预防、早期诊断与及早治疗提供依据，减少病人的痛苦。测量溶液溶氧量和pH值长期以来的方法都是采用各种化学电极，分别对溶液中的两种参数进行检测。虽然这些电化学传感器已经非常成熟，但是这种常规的玻璃电极仅限于单点测量，无法得到参数的分布信息，而且每种电极只能测量一个参数。另一方面，电极结构庞大，具有侵入性，在活体环境内存在电击而破坏细胞的危险。因此，非接触式的光学传感器是一个较好的选择。光学传感器通过将不同的指示剂和聚合物载体组合起来，使传感器的化学、物理、机械和光学特性随之发生变化，被测物浓度的变化会引起指示剂光谱特性的变化，通过测量光的吸收、反射和荧光度等参数来测量被测物。近年来，虽然有些可以单独进行溶解氧和PH检测的光学传感器，也有通过两个或者以上单一参数传感器组成的传感器阵列或者传感器束，但目前还没有实用的能同时对PH和溶氧进行检测的单个传感器。由于微反应器、敏感单元和探测系统较为复杂，检测空间受限，采用多个传感器测量时，传感器体积较大，无法实现同时同步测量，加之传感器之间相互干扰等问题，使其很难应用于复杂瞬变的生物反应过程中。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，能够用于微生物反应器皿中的光纤化学传感器。本专利技术的再一目的是提供一种用于pH值和溶解氧测量的双参数光纤传感器，克服现有传感器单一参数测量以及不同传感器间相互干扰的缺点，实现有限空间及少量探测液体条件下的PH和溶解氧双参数的同时测量。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案本专利技术提供一种用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，该探头由光纤探针、Si层、聚合物基层和敏感膜组成；所述光纤探针的端部依次设置Si层、聚合物基层和敏感膜，所述敏感膜由两种敏感物质构成，即对pH值敏感的物质以及对溶解氧敏感的物质；所述光纤探针同时作为敏膜感的固定基体和传光元件，将敏感膜内敏感物质发射的荧光信号传输至后面的光电器件。所述光纤探针采用光控化学腐蚀与化学镀膜的方法制作，敏感膜通过共价结合的方式固定于光纤探针的端部，构成双参数敏感探头。所述对pH值敏感的物质为光子晶体材料，所述对溶解氧敏感的物质为CdTe量子点材料，对应的被测参数分别为PH值和溶解氧。所述量子点颗粒表面由席夫碱Pt配合物修饰，包埋于光子晶体膜内，并且间隔排列；为了实现参比测量，与量子点颗粒间隔布置很多与PH指示剂吸收特性类似的惰性荧光染料构成的参考颗粒，以保证测量的精度。 本专利技术采用光纤探针与敏感膜的方法形成一种微型探针式传感器探头，可用于微生物反应器皿等有限空间内检测液体较少的场合，实现双参数的同时测量，并且互不干扰。本专利技术还提供一种由上述传感器探头构成的双参数光纤传感器，该传感器包括光源、光纤头、耦合器、培养皿、传感器探头、连接器、滤光片、光电器件、调理器、处理器、调制器等组成。在调制器控制下，由光源发出的调制激光经过光纤头、耦合器、连接器后送达传感器探头进行激励，探头产生的与PH和溶氧相关的荧光信号经过连接器、耦合器和滤光片后达到光电器件，形成电信号。该电信号经过调理器进行调理之后，送至处理器进行数据处理，最终得到所需的测量结果。本专利技术根据pH敏感膜和溶解O2指示剂不同的发射和吸收光谱，分别采用两种不同频率的调制光作为激发光，使两个参数的频谱特性分离开来，以达到消除信号之间相互干扰的目的。在测量过程中，由调制器控制交替发出两种不同频率的激光，从而实现两种不同参数的测量。针对通常探测条件下荧光信号微弱，荧光强度探测困难，抗干扰能力差的特点，本专利技术提出采用频率域双寿命参比方法，通过测量信号的衰变时间(即寿命)来间接测量荧光强度，将荧光信号的寿命比转换成与被测参量浓度有关的相移信号，保证测量的灵敏度，以达到ns甚至ps量级的时间响应精度。本专利技术采用一种非接触的无创检测方式，采用微小尺寸的光学传感器结合光纤技术，构成光纤化学传感器。光纤可以作为传光原件将与被测参量对应的光学信息采集到分析仪器中，可以同时测量pH和溶解氧双参数，可适用于狭小检测空间以及检测液体容量有限的场合。附图说明图I是传感器系统组成原理示意图。图2是传感器探头的组成示意图。图3是敏感膜材料排列方式示意图。图4是米用频率域双寿命参比方法原理不意图。 图中，I-光源，2-光纤头，3-耦合器，4-培养皿，5-传感器探头，6_连接器，7_滤光片，8-光电器件,9-调理器，10-处理器，11-调制器，12-光纤探针，13-Si层，14-聚合物基层，15-敏感膜，16-参考颗粒17-量子点颗粒。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图I所示，本实施例的双参数测量传感器组成，图中光源I、光纤头2、耦合器3、培养皿4、传感器探头5、连接器6、滤光片7、光电器件8、调理器9、处理器10、调制器11。在调制器11控制下，由光源I发出的调制激光经过光纤头2、耦合器3、连接器6后送达传感器探头5进行激励，传感器探头5产生的与pH和溶氧相关的荧光信号经过连接器6、耦合器3和滤光片7后达到光电器件8，形成电信号。该电信号经过调理器9进行调理之后，送 至处理器10进行数据处理，最终得到所需的测量结果。图2为本实施例中所述的传感器探头5的组成示意图。传感器探头5由光纤探针12、Si层13、聚合物基层14和敏感膜15组成。该传感器探头中，光纤探针12不仅是作为敏感膜15的固定载体，同时也作为传光元件，将敏感膜15内敏感物质发射的荧光信号传输至后面的光电器件8。Si层13的作用，主要为了加强敏感膜15的附着力和工作稳定性。聚合物基层14的作用是在其上生长并支撑敏感膜15，使其基本形态保持不变。本实施例中，所述传感器的敏感膜15是由两种敏感物质构成的，如图3所示。对PH值敏感的物质为光子晶体材料，对溶解氧敏感的物质为CdTe量子点材料，并形成量子点颗粒17和参考颗粒16。量子点颗粒17的尺寸与吸收光谱特性相关，由探测灵敏度决定。量子点颗粒17的表面由席夫碱Pt配合物(Pt(salonap))修饰，采用颗粒包埋技术将本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于：该探头由光纤探针、Si层、聚合物基层和敏感膜组成；所述光纤探针的端部依次设置所述Si层、聚合物基层和敏感膜，所述敏感膜由两种敏感物质构成，即对pH值敏感的物质以及对溶解氧敏感的物质；所述光纤探针同时作为敏膜感的固定基体和传光元件，将敏感膜内敏感物质发射的荧光信号传输至后面的光电器件。
【技术特征摘要】
1.一种用于PH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于该探头由光纤探针、Si层、聚合物基层和敏感膜组成；所述光纤探针的端部依次设置所述Si层、聚合物基层和敏感膜，所述敏感膜由两种敏感物质构成，即对pH值敏感的物质以及对溶解氧敏感的物质；所述光纤探针同时作为敏膜感的固定基体和传光元件，将敏感膜内敏感物质发射的荧光信号传输至后面的光电器件。2.根据权利要求I所述的用于PH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于所述光纤探针采用光控化学腐蚀与化学镀膜的方法制作，敏感膜通过共价结合的方式固定于光纤探针的端部，构成双参数敏感探头。3.根据权利要求I或2所述的用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于所述对PH值敏感的物质为光子晶体材料，所述对溶解氧敏感的物质为CdTe量子点材料。4.根据权利要求3所述的用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于所述量子点颗粒表面由席夫碱Pt配合物修饰，包埋于光子晶体膜内，并且间隔排列。5.根据权利要求3所述的用于pH值和溶解氧测量的传感器探头，其特征在于与所述量子点颗粒间隔布置很多与PH指示剂吸收特性类似的惰性荧光染料构成的参考颗粒。6.根据权利要求I或2所述的用于pH值和溶解氧测量的传...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，陶卫，胡艳丽，刘泽敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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