生物膜厚度光纤倏逝波传感器及其生物膜传感器系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物膜厚度光纤倏逝波传感器，采用由传感臂和参考臂组成的双探针结构形成；传感臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，参考臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成。同时，本发明还公开了一种生物膜传感器系统。本发明实现光生物反应器内生物膜厚度在线、原位、准确的测量，建立了传感器测量原理的理论模型，为工业中膜式反应器的过程优化控制，提高光生物制氢效率和推动光生物制氢工程化的发展都具有一定的意义。
【专利说明】生物膜厚度光纤倏逝波传感器及其生物膜传感器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤传感器及其系统，尤其涉及一种生物膜厚度光纤倏逝波传感器及其生物膜传感器系统。
【背景技术】
[0002]生物膜厚度是联系反应器流体力学特性和生化反应动力学特性的关键参数。Lamotta提出了临界生物膜厚的概念，当生物膜厚度超过临界生物膜厚度时，生物膜的活性会减弱。Schorer研究表明，生物膜厚度随着营养底物、时间和空间的改变而发生变化。生物膜厚度检测的方法有离线检测法和在线检测法，离线检测方法有:生物量干重法、原子力显微镜法、激光共聚焦显微镜法等。干重法操作过程复杂，测量误差较大。原子力显微镜法和激光共聚焦显微镜法测量法精度较高，但只限于观察微小反应器内生物膜厚度的变化情况；如果对于体积较大的生物膜反应器，必须不断地从反应器中采集样品，在采样过程中极易带进杂菌而感染反应器，采用离线方法的另一个缺点是不易实施自动化控制。
[0003]在线检测方法有:中子反射法、椭圆光度法、表面等离子体共振法、双偏振干涉法、电容法、微电极法、光纤倏逝场吸收法等。前三种方法主要应用于分子结构、分子间相互作用和生物膜超微结构的定量分析，精度高，但很难实现反应器内生物膜空间分布的测量。电容法和微电极法能实现生物膜厚度在线原位测量，并且能测量mm级的生物膜，但是在膜式反应器内安装存在困难，且易受电磁干扰。光纤倏逝场吸收法为最有前途的方法；光纤传感器体积小、耐腐蚀、安装方便，能实现反应器内生物量浓度的在线原位测量，最大测膜厚度为2 mm;但是当生物膜厚度从O?2 mm时，传感器输出光强的改变量仅为275 μ W，灵敏度低，同时在测量过程中并未考虑底物和产物浓度变化对传感器测量的影响，因此传感器测量结果的重复性低。因此，进一步提高光纤传感器灵敏度，消除底物和产物浓度变化对测量结果造成的影响，对实现反应器内生物膜生长过程的在线、原位、准确的测量很有必要。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述不足，为了消除微生物转化过程底物、产物浓度及外界光照强度的变化对传感器测量结果带来的影响，本发明提供了一种提高反应器内生物膜生长过程的在线、原位、准确的测量精度的生物膜厚度光纤倏逝波传感器。
[0005]本发明还提供一种提高反应器内生物膜生长过程的在线、原位、准确的测量精度的生物膜传感器系统。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案:
生物膜厚度光纤倏逝波传感器，该传感器采用由传感臂和参考臂组成的双探针结构形成；所述传感臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成。
[0007]同时，本发明提供的一种生物膜传感器系统，包括光生物反应器、反应器光源、LED光源、蠕动泵、恒温水浴、培养基储液瓶、气体收集瓶、探测头、光功率计、显微镜和光分路器；
所述光生物反应器包括固体基质上板、固体基质下板、传感臂和参考臂；所述固体基质上板和固体基质下板组合成一通明盒体，所述传感臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成；所述传感臂和参考臂分别设置在固体基质下板上的凹槽内，所述倏逝波传感臂和参考臂的未被腐蚀的一侧面贴近凹槽；在固体基质上板上设有入液口和出液口 ；
所述培养基储液瓶设置在恒温水浴中，所述蠕动泵的进口通过管路与培养基储液瓶内连通，所述蠕动泵的出口通过管路与入液口连通；所述出液口通过管路分别与气体收集瓶和培养基储液瓶连接，在靠近气体收集瓶的管路上设置开关阀I，在靠近培养基储液瓶的管路上设置开关阀II ;所述反应器光源通过光纤与光分路器连接，所述光分路器输出三路光，其中两路分别与传感臂和参考臂的一端连接，传感臂和参考臂的另一端与探测头连接，第三路通过光纤直接与探测头连接，探测头与光功率计连接，所述LED光源发出的光与通明盒体对应，所述显微镜的镜头位于固体基质上板的正上方。
[0008]作为本发明的一种优选方案，生物膜传感器系统还包括温度测量仪和温度传感器，所述固体基质上板上设有温度传感器安装孔，所述温度传感器安装在温度传感器安装孔内并与温度测量仪连接。
[0009]作为本发明的另一种优选方案，所述气体收集瓶通过铁架台固定。
[0010]作为本发明的又一种优选方案，所述气体收集瓶上设有气体采样口。
[0011]作为本发明的一种改进方案，所述光生物反应器设置在载物台上。
[0012]本发明的有益效果是:为了实现光生物反应器内生物膜厚度在线、原位、准确的测量，设计了在线分离测量生物膜厚的传感器及反应器内生物膜厚度测量系统，建立了传感器测量原理的理论模型。实验研究了传感器的光谱传输特性，温度响应特性，参考臂对外界环境介质浓度变化的响应速度；根据反应器操作条件的不同，在线测量了培养基持续供给下反应器内生物膜厚度和培养基间断供给下反应器内生物膜厚度，采用显微镜实时监测了生物膜厚度的变化情况，并对传感器关于生物膜厚度的测量结果进行了标定。该方法为观察反应器内生物膜的生长环境条件、反应机理提供更有力的手段，能为工业中膜式反应器的过程优化控制，提高光生物制氢效率和推动光生物制氢工程化的发展都具有一定的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为生物膜厚度光纤倏逝波传感器在固体基质上安装的结构示意图；
图2为传感臂的结构示意图；
图3为传感臂的横截面示意图；
图4为参考臂的结构示意图；
图5为溶液浓度在PTFE滤膜内的分布示意图；
图6为生物膜传感器系统的结构示意图；
图7为传感器输出光强的变化量和生物膜厚度与培养时间的关系曲线；
图8为参数K与物膜厚度X间的关系曲线。
[0014]附图中:I一传感臂；2—参考臂；3 —反应器光源；4一LED光源；5—蠕动泵；6—恒温水浴；7—培养基储液瓶；8—气体收集瓶；9一探测头；10—光功率计；11 一显微镜；12—光分路器；13—固体基质上板；14 一固体基质下板；15—凹槽；16—开关阀I; 17—开关阀II; 18—温度测量仪；19 一温度传感器；20—铁架台；21—气体米样口 ； 22—载物台；23—计算机；24—温度传感器；25—纤芯；26—包层；27—涂覆层；28—聚四氟乙烯滤膜；29—固体基质；30—有机玻璃胶；31—多模石英光纤。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细地描述。
[0016]如图1所示，生物膜厚度光纤倏逝波传感器，该传感器采用由传感臂I和参考臂2组成的双探针结构形成。传感臂I由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，参考臂2由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成。
[0017]其中，传感臂I用于探测生物膜厚度及外界液相环境变化信息，包裹有微生物滤膜的参考臂2只用于探测液相环境信息。其次，参考臂2用于补偿外界光照条件变化对传感器测量结果带来的影响。传感器用光纤为多模石英光纤，从北京北玻科技产业中心购买。光纤纤芯25直径(Dl)为400±2% μ m，包层26直径(Dl)为440±2% μ m，光纤外径涂敷层27直径为480 ±3% μ m，温度范围为-190~380 °C，透过光谱范围为400~2500 nm，数值孔径(NA)为0.5。在制作光纤传感单元时，首先，将光纤进行侧边腐蚀，光纤腐蚀深度(H)介于40~100 μπι之间，腐蚀区长度(L)为50 mm。腐蚀后的多模石英光纤作为传感臂1，腐蚀后的光纤结构如图2、3所示。将多模石英光纤侧边腐蚀的目的是使光纤中更多的模式进入环境介质(生物膜)，同时增加光束在纤芯中的衰减全反射次数，增加生物膜对隐失场的吸收，提高传感器的灵敏度。为消除底物和产物浓度变化对传感器测量结果带来的影响，制作了参考臂，参考臂的结构 如图4所示，图中28为聚四氟乙烯滤膜。微生物虑膜为聚四氟乙烯，滤孔直径为0.25 μ m，滤膜厚度为500 μ m。滤膜的作用是，将微生物与光纤分离，让液相中小于0.25 μ m的物质通过滤膜并与光纤表面产生的倏逝场作用，从而对液相环境的变化(底物和产物的变化)信息做出响应。
[0018]为实现生物膜光生物反应器内生物膜厚度的在线测量，将制作好的传感臂I和参考臂2安装在生物膜光生物反应器内用于生物膜生长的载体表面，传感臂I在固体基质29表面的安装示意图如图1所示。在安装光纤传感单元前，首先，在固体基质29表面刻上约为0.5 mm的深、0.5 mm宽的凹槽15。然后，在凹槽15上涂上一层透明有机玻璃胶30，将未被腐蚀的多模石英光纤31 (传感臂I和参考臂2)侧面贴近凹槽15，粘附在导光散射柱上。
[0019]传感器测量原理及方法:
在光纤传感器测量系统中，反应器光源3发出的光由光分路器12分为三路，其中两路用于连接传感臂I和参考臂2，另一路光纤直接与光功率计10相接，用于补偿光源光强和环境光强变化对测量结果带来的影响。其中，对于传感臂I，光纤经过生物膜吸收后，输入和输出光强之间满足:
I =I Βξι1+Ι(I)
in,Iin,2上式(I)中，Iin 1和Jr.^分别为传感臂中光纤输入端的光强和外界环境光强，β为
生物膜对倏逝波的吸收系数，I为光纤感应区(腐蚀区)的长度，ξ2为反应器内生物菌悬液对外界环境光的吸收系数，Z为生物膜厚度，为环境光从反应器壁入射到光纤表面所经历的光程。其中，倏逝波衰减系数&的计算表达式为:
【权利要求】
1.生物膜厚度光纤倏逝波传感器，其特征在于:该传感器采用由传感臂(I)和参考臂(2)组成的双探针结构形成；所述传感臂(I)由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂(2)由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成。
2.生物膜传感器系统，其特征在于:包括光生物反应器、反应器光源(3)、LED光源(4)、蠕动泵(5 )、恒温水浴(6 )、培养基储液瓶(7 )、气体收集瓶(8 )、探测头(9 )、光功率计(10 )、显微镜(11)和光分路器(12); 所述光生物反应器包括固体基质上板(13)、固体基质下板(14)、传感臂(I)和参考臂(2)；所述固体基质上板(13)和固体基质下板(14)组合成一通明盒体，所述传感臂(I)由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂(2)由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成；所述传感臂(I)和参考臂(2)分别设置在固体基质下板(14)上的凹槽(15)内，所述倏逝波传感臂(I)和参考臂(2)的未被腐蚀的一侧面贴近凹槽(15);在固体基质上板(13)上设有入液口和出液口 ； 所述培养基储液瓶(7 )设置在恒温水浴(6 )中，所述蠕动泵(5 )的进口通过管路与培养基储液瓶(7 )内连通，所述蠕动泵(5 )的出口通过管路与入液口连通；所述出液口通过管路分别与气体收集瓶(8)和培养基储液瓶(7)连接，在靠近气体收集瓶(8)的管路上设置开关阀I (16)，在靠近培养基储液瓶(7)的管路上设置开关阀II (17);所述反应器光源(3)通过光纤与光分路器(12)连接，所述光分路器(12)输出三路光，其中两路分别与传感臂(I)和参考臂(2)的一端连接，传感臂(I)和参考臂(2)的另一端与探测头(9)连接，第三路通过光纤直接与探测头(9 )连接，探测头(9 )与光功率计(10 )连接，所述LED光源(4)发出的光与通明盒体对应，所述显微镜(11)的镜头位于固体基质上板(13)的正上方。
3.根据权利要求2所述的生物膜传感器系统，其特征在于:还包括温度测量仪(18)和温度传感器(19)，所述固体基质上板(13)上设有温度传感器安装孔，所述温度传感器(19)安装在温度传感器安装孔内并与温度测量仪(18)连接。
4.根据权利要求2所述的生物膜传感器系统，其特征在于:所述气体收集瓶(8)通过铁架台(20)固定。
5.根据权利要求2所述的生物膜传感器系统，其特征在于:所述气体收集瓶(8)上设有气体采样口(21)。
6.根据权利要求2所述的生物膜传感器系统，其特征在于:所述光生物反应器设置在载物台(22)上。
【文档编号】G01B11/06GK103486975SQ201310483836
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月16日 优先权日:2013年10月16日
【发明者】廖强, 钟年丙, 朱恂, 陈蓉, 王宏, 叶丁丁, 丁玉栋, 李俊 申请人:重庆大学