本发明涉及的是一种基于荧光激发原理的ph光纤传感器系统，可用于极微小样品的ph值测量以及生物体内活性组织的ph值实时测量，属于光纤传感
技术领域：
：。(二)
背景技术：
：：在医学诊断(如组织代谢研究、神经生理学、癌症诊断学)、植物学、生物技术和微生物学中，对于微小样品的ph值检测具有十分重要的意义。例如，在肿瘤中，细胞内ph值的测量对于监测癌症进展和癌症细胞对各种治疗的反应至关重要；肌肉中ph值的测量可以帮助对创伤患者进行分类和治疗，同时也可以用来显示糖尿病患者末梢血流量是否不良；在植物组织中，局部的ph值差异可以调节参与控制植物生长发育的生物活性化合物代谢的酶的活性。随着医学诊断以及微环境研究技术的发展，在医疗，科研等众多领域，对研发可用于测量微小体积样品或用于患者体内检测的小型化ph传感器的需求日益增加。传统上，ph值的测试仪器都是基于电化学的方法，但近年来，得益于选择性高、易于微型化、无电磁干扰等特点，光学传感器逐渐发展为一种替代技术。在现有文献中描述的基于光学传感器的ph检测仪器采用多通道(多根光纤)进行光传播(如：文献nguyen,t.h.,etal,2014.“fluorescencebasedfibreopticphsensorfortheph10–13rangesuitableforcorrosionmonitoringinconcretestructures.”sensorsandactuatorsb:chemical,191,pp.498-507；文献socorro,a.b.,etal,2012.“taperedsingle-modeopticalfibrephsensorbasedonlossymoderesonancesgeneratedbyapolymericthin-film.”sensorsjournal,ieee,12(8),pp.2598-2603.以及文献singh,s.andgupta,b.d.,2012.“fabricationandcharacterizationofahighlysensitivesurfaceplasmonresonancebasedfibreopticphsensorutilizinghighindexlayerandsmarthydrogel.”sensorsandactuatorsb:chemical,173,pp.268-273.所述)，这使得他们通常具有较大的传感探头，这降低了光收集效率，同时也限制了它们在小体积样品测量中的实用性。在已公开的发明中，赵辉等在2012年公开了“一种用于ph值和溶液氧测量的双参数光纤传感器”(中国专利申请号：201210277262.3)，实现了液体的ph和溶解氧双参数的同时测量；石冰鑫等在2014年公开了“一种光纤ph计”(中国专利申请号：201310571847.0)，实现了基于光纤传感器的ph值测量；位耀光等在2015年公开了一种“智能光纤ph传感器”(中国专利申请号：201510034149.6)，系统中采用多光路检测ph值，并在信号处理中增加了温度等参数的补偿。以上所述文献以及发明公开所描述的ph光学传感器的现存问题有：需要多光路(多光纤)对光源发射的激发光以及光敏感层被激发的荧光进行传输。这导致被激发的荧光会有很大一部分输入入射和传输的各光路，造成到达光电探测器的荧光被削弱，探测效率降低。此外，现有的设计的传感头较大或直接使用光纤作为传感探头，由于光纤较脆，易折断，这限制了他们对于极微小样品以及对活体组织或者患者病变区域的取样和ph值得测量。此外，部分系统虽然加入了温度等参数的补偿，但是他们没有对光源出射光功率进行补偿或者调整，当荧光信号变化较大时(如因为荧光染料的流失或者荧光漂白效应导致荧光信号的衰减)，光电探测器可能会无法准确读出荧光信号，这会降低整体系统的测量准确性。为了解决以上问题，本发明公开了一种基于荧光激发原理的ph光纤传感器测量系统，可用于极微小样品的ph值测量以及生物体内活性组织的ph值实时测量。本发明使用单通道对光纤传感端的光敏感层进行荧光激发以及荧光收集，荧光收集的过程中无需分光，大幅提高了荧光接收效率，使得在传感端使用极小探头成为可能；本设计的传感探头直径可接近或小于100微米，利于对极小样品进行检测，同时传感探头处于探针针头之中，使其易于对活体组织或者患者病变区域进行插入或取样以进行ph值检测；此外，系统使用双光源对感光材料进行荧光激发，可对外部环境变量进行补偿；同时在探测过程中，系统能够对光源出射的光强实时调整，以使光电探测器处于正常工作范围，避免了探测器因返回荧光过强而饱和或因为返回荧光过弱而无法探测，增强了整体系统的动态范围和稳定性。(三)技术实现要素：本发明的目的在于提供一种可用于极微小样品以及生物体内活性组织的ph值实时测量的光纤传感器系统。本发明的目的是这样实现的：该基于荧光激发原理的ph光纤传感器系统是由探针针头1、ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一光源5、第二光源6、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10、带通滤光片11、光电探测器12、模拟数字转换器13、控制和信号处理系统14和驱动电路15组成，其中ph光纤传感探头2的传感端由一段去除套层和涂覆层后的光纤21构成，在去除套层和涂覆层后的光纤21的端面覆盖有一层光敏感层22。所述系统中ph光纤传感探头2的传感端位于探针针头1中，在测量时，可插入样品容器中，也可插入所需检测的活体组织如人体病变区域或者血管中。系统运行时，在控制和信号处理系统14的控制下，驱动电路15使得第一光源5和第二光源6产生时间坐标上互不重合但强度相同的脉冲光；第一光源5发出的脉冲光经第一二向色滤光片9反射进入光纤连接器3并由透镜4耦合进入ph光纤传感探头2，对ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22进行激发，ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22产生的荧光通过ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10以及带通滤光片11入射至光电探测器12，光电探测器12将所探测到的荧光信号转换为电信号，并经过模拟数字转换器13输入至控制和信号处理系统14中；第二光源6发出的脉冲光经第二二向色滤光片10反射，透过第一二向色滤光片9进入光纤连接器3并由透镜4耦合进入ph光纤传感探头2，对ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22进行激发，ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22产生的荧光通过ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10以及带通滤光片11入射至光电探测器12，光电探测器12将所探测到的荧光信号转换为电信号，并经过模拟数字转换器13输入至控制和信号处理系统14中；控制和信号处理系统14对第一光源5和第二光源6所激发的两个荧光信号进行计算和处理后给出测量结果。系统中所用光源可为led光源、激光二极管光源、sld光源、ase光源中的一种。系统中所用光电探测器可以是pin光电二极管，雪崩光电二极管，单光子探测器以及光电倍增管中的任意一种。系统中的ph光纤传感探头2可以是基于标准单模/多模石英光纤(纤芯9～100微米，包层直接125微米)或者是更小包层直径的特殊石英光纤(如gi50/80-29/165类型光纤，包层直径为80微米)的光纤传感探头。ph光纤传感探头2的一端为光纤耦合器接口，用于接入光纤连接器3；另一端为传感端，是一段去除套层和涂覆层后的光纤(含纤芯和包层)，覆盖感光材料后直径可为100微米以内，用于装入探针针头1。探针针头1的大小可为内径大于100微米的任何针头，包括国际通用标准32g(内径110微米)至14g(内径1.54毫米)的针头。ph光纤传感探头2的传感端光纤端面上覆盖一层由荧光染料以及溶胶凝胶工艺制成的光敏感层22，其在被特定波长的光激发时会发出荧光，激发出的荧光的强度会随着所测样品的ph值的变化而变化，其制作方法为：50mg的ph荧光染料(溴甲酚紫(bp)作为ph荧光染料)与纯乙醇(etoh)混合。二氧化硅前体(正硅酸四乙酯(teos))、0.1m盐酸水溶液和以etoh为基础的ph荧光染料溶液在1:0.007:6.25的摩尔比下制备硅基溶胶。将此溶胶剧烈搅拌48小时。将光纤端面以24毫米/分钟的浸渍速度浸入所制备的硅基溶胶以制备传感膜。光纤端面需浸入一次，浸泡30分钟，之后将制备好的光纤传感探头在70℃的烤箱中固化24小时。系统运行时，第一光源5和第二光源6受控发射出光波长不同而光强相同的脉冲光，这两个脉冲光在时间坐标上互不重合，即当第一光源5发光时第二光源6停止发光，反之亦然。第一光源5发出的光波长小于第二光源6发出的光。第一二向色滤光片9的通过波长为大于第一光源5发出的，同时包括第二光源6发出的光波长(即第二光源6发出的光信号不会被第一二向色滤光片9反射)。第二二向色滤光片10的通过波长为大于第二光源6发出的光波长。控制和信号处理系统14通过驱动电路15控制第一光源5和第二光源6发出时间坐标上互不重合的光强相同的脉冲光。同时控制和信号处理系统14通过光电探测器12和模拟数字转换器13接收由第一光源5和第二光源6所激发的返回荧光。为了使得荧光探测正常进行，即光电探测器12不会由于返回荧光过强而饱和，也不会因为返回荧光过弱而无法探测，同时对温度等外部环境变化进行补偿，控制和信号处理系统14会通过驱动电路15同时调整第一光源5和第二光源6的出射光强，使第一光源5所激发返回的荧光信号保持恒定，通过计算第一光源5和第二光源6所激发返回的荧光信号的比值计算出所测样品的ph值。相比已有技术，本发明的优点有：1.使用单通道对光纤传感端的传感膜进行荧光激发以及荧光收集，荧光收集的过程中无需分光，大幅提高了荧光接收效率，使得在传感端使用极小探头成为可能；2.传感探头仅为直径15微米，可对极小样品进行检测；同时传感探头处于探针针头之中，使其易于对活体组织或者患者病变区域进行ph值检测；3.探测过程使用双光源对感光材料进行荧光激发，可对外部环境变量进行补偿，同时系统对光源出射的光强实时调整，以使光电探测器处于正常工作范围，避免了探测器因返回荧光过强而饱和或因为返回荧光过弱而无法探测，增强了整体系统的动态范围和稳定性。(四)附图说明图1是基于荧光激发原理的ph光纤传感器测量系统的示意图。系统由探针针头1、ph光纤探头2、光纤连接器3、透镜4、第一光源5、第二光源6、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10、带通滤光片11、光电探测器12、模拟数字转换器13、控制和信号处理系统14和驱动电路15组成。图2是基于荧光激发原理的ph光纤传感器测量系统的实施例的示意图。此实施例是所述系统被用于对患者病变组织进行的ph值测量，系统是由探针针头1、ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一光源5、第二光源6、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10、带通滤光片11、光电探测器12、模拟数字转换器13、控制和信号处理系统14和驱动电路15组成。图3是系统对于第一光源5和第二光源6发射脉冲光信号的控制示意图。系统中的第一光源5和第二光源6受控发射出波长分别为470nm和480nm的脉冲光，这两个脉冲光光强相同，但是在时间坐标上互不重合，即当第一光源5发光时第二光源6停止发光，反之亦然，而光电探测器12接收相对应的激发荧光信号，并且输出至控制和信号处理系统14进行数据储存。图4显示的是在不同波长光的激发下以及不同的ph值样品中，返回荧光信号在波长515nm±10nm范围内的光强(光电探测器所探测到的荧光光强)。图5显示的是在系统调整光源1和光源2的光强后，使470nm激发的荧光光强保持恒定时，不同波长光的激发下以及不同的ph值样品中波长515nm±10nm范围内的荧光激发光强。图6表示的是在不同的ph值样品中，光源2(480nm)与光源1(470nm)所激发的波长515nm±10nm范围内的荧光光强比值。(五)具体实施方式下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。图2给出了基于荧光激发原理的ph光纤传感器测量系统的实施例。此实施例是所述系统被用于对患者病变组织进行的ph值测量。系统是由探针针头1、ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一光源5、第二光源6、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10、带通滤光片11、光电探测器12、模拟数字转换器13、控制和信号处理系统14和驱动电路15组成，其中ph光纤传感探头2的传感端由一段去除套层和涂覆层后的光纤21构成，在去除套层和涂覆层后的光纤21的端面覆盖有一层光敏感层22。当测量时，系统的探针针头1被插入患者病变组织进行取样，所测区域的样品(液体)经过探针针头1到达ph光纤传感探头2传感端的光敏感层22。系统运行时，在控制和信号处理系统14的控制下，驱动电路15使得第一光源5和第二光源6产生时间坐标上互不重合但强度相同的脉冲光；第一光源5发出的脉冲光经第一二向色滤光片9反射进入光纤连接器3并由透镜4耦合进入ph光纤传感探头2，对ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22进行激发，ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22产生的荧光通过ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10以及带通滤光片11入射至光电探测器12，光电探测器12将所探测到的荧光信号转换为电信号，并经过模拟数字转换器13输入至控制和信号处理系统14中；第二光源6发出的脉冲光经第二二向色滤光片10反射，透过第一二向色滤光片9进入光纤连接器3并由透镜4耦合进入ph光纤传感探头2，对ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22进行激发，ph光纤传感探头2的传感端的光敏感层22产生的荧光通过ph光纤传感探头2、光纤连接器3、透镜4、第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10以及带通滤光片11入射至光电探测器12，光电探测器12将所探测到的荧光信号转换为电信号，并经过模拟数字转换器13输入至控制和信号处理系统14中；控制和信号处理系统14对第一光源5和第二光源6所激发的两个荧光信号进行计算和处理后给出测量结果。系统中的第一光源5和第二光源6受控发射出波长分别为470nm和480nm的脉冲光，这两个脉冲光光强相同，但是在时间坐标上互不重合，即当第一光源5发光时第二光源6停止发光，反之亦然(如图3所示)，光电探测器12接收相对应的激发荧光信号，并且输出至控制和信号处理系统14进行数据储存。第一二向色滤光片9、第二二向色滤光片10为长通滤光片，可通过波长分别为＞475nm和＞485nm；带通滤光片11的通过波长为515nm±10nm。控制和信号处理系统14通过驱动电路15控制第一光源5和第二光源6发出时间坐标上互不重合的光强相同的脉冲光。同时控制和信号处理系统14通过光电探测器12和模拟数字转换器13接收由第一光源5和第二光源6所激发的返回荧光。为了使得荧光探测正常进行，即光电探测器12不会由于返回荧光过强而饱和，也不会因为返回荧光过弱而无法探测，控制和信号处理系统14会通过驱动电路15控制第一光源5和第二光源6的出射光强，使第一光源5所激发返回的荧光信号保持恒定，通过计算第一光源5和第二光源6所激发返回的荧光信号的比值计算出所测样品的ph值。图4显示的是在不同波长光源的激发下以及不同的ph值样品中，返回荧光信号在波长515nm±10nm范围内的光强(光电探测器所探测到的荧光光强)。本实例所使用的双光源的波长分别为470nm以及480nm，为了使光电探测器处于正常工作范围，避免因返回荧光过强而饱和或因为返回荧光过弱而无法探测，同时对温度等外部环境变化进行补偿，系统会同时调整光源1和光源2的光强，使470nm激发的荧光光强保持恒定，图5显示了在这种情况下，在不同波长光的激发下以及不同的ph值样品中波长515nm±10nm范围内的荧光激发光强。系统所计算的ph值则为光源2与光源1所激发的波长515nm±10nm范围内荧光光强的比值，实验结果可见图6。在对系统进行的稳定性测试中，实验结果表明，得益于对光源出射光强的实时调整以及用双光源激发荧光光强之比所计算的ph值的算法，整体ph探测系统的稳定性得到了极大提升。当前第1页12当前第1页12