U形双锥光纤生物膜传感器以及制作与测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤生物膜厚度传感器，具体涉及U形双锥光纤生物膜传感器以及制 作与测量方法。
【背景技术】
[0002] 光合细菌生物膜制氢是将生物膜技术与光合细菌制氢技术相结合用于提高反应 器产氢能力和稳定性的一种微生物制氢技术。研宄表明生物膜内微生物细胞活性是联系生 化反应动力学特性与反应器性能的关键参数之一。未受到控制的生物膜，随着生物膜厚度 的增加，生物膜底物降解速率与代谢产氢活性降低，导致反应器产氢速率、光能转化效率与 产氢得率降低；这是因为生物膜中的扩散阻力限制了膜内微生物细胞直接参与有机底物的 降解及底物与产物的传递。具有最大有机底物降解速率或者最大产氢得率的微生物膜厚 度称为活性厚度；当生物膜过薄即小于活性厚度，活性微生物数量低，将达不到最大产氢速 率、得率和产氢量，反之，生物膜过厚即大于活性厚度，生物膜内微生物细胞代谢产氢活性 降低，则会降低生物膜与反应器的产氢性能。因此，实时在线获取生物膜厚度信息对实现生 物膜厚度优化控制及提高反应器产氢性能都有着重要的科学意义及实用价值。
[0003] 目前关于生物膜厚度测量方法有离线测量方法和在线测量方法。离线测量需实 时从反应器内采集样品、破坏微生物生长环境，同时测量结果与真实生物膜厚度偏差较 大；更为重要的是采用离线方法很难实现反应器的自动化控制。生物膜厚度在线检测方 法主要包括微电极法、电化学法、超声波法、激光共聚焦法及光学法（光纤法、光谱法及浊 度法）。其中光学法中的光纤倏逝波方法为最有前途的方法。因为光纤具有微结构、耐腐 蚀、抗电磁干扰、生物兼容及响应速度快等优点；此外，虽然专利发明人前期在文献"Zhong Nianbing, Liao Qiang, Zhu Xun, Zhao Mingfu. A fiber-optic sensor for accurately monitoring biofilm growth in a hydrogen production photobioreactor[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86(8) :3994 - 400L " 以及专利 CN103486975A 中采用补偿 法消除了生物膜生长过程液相浓度及其成分变化对生物膜厚度测量带来的影响，实现了 0-120 μm生物膜厚度的在线准确测量。但是已报道的光纤传感器不能实现对生物膜生长全 过程有效准确地测量，因为光合细菌生物膜的正常生长厚度在180 μ m左右。由此可见，现 有光纤传感器检测上限低，不能实现对生物膜生长过程进行全程在线检测。因此，研制能对 生物膜生长过程生物膜厚度进行全程在线准确测量的光纤传感器，是实现生物膜生长过程 优化控制及提高生物膜反应器产氢性能必需解决的任务。
[0004] 本发明专利针对现有传感器无法在线准确测量整个生物膜生长过程生物膜厚度 的问题，提出采用U形双锥光纤传感器提高光纤表面发光强度及其透射深度实现提高传感 器测量上限，以及采用双探针传感器（传感臂和参考臂）实现消除生物膜生长过程液相浓 度及成分变化对生物膜厚度测量带来影响，从而实现对生物膜生长全过程的在线准确测 量。本发明专利主要涉及的内容包括高检测上限、高灵敏度的U形双锥倏逝波石英光纤传 器传感臂及参考臂的研制方法，传感器测量生物膜厚度的原理，以及消除生物膜内液相变 化信息对生物膜厚度测量影响三个方面的内容。
【发明内容】
[0005] 针对上述已有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供U形双锥光 纤生物膜传感器以及制作与测量方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，根据本发明的第一个技术方案，U形双锥光纤生物膜传感 器，包括测量传感臂和参考传感臂，所述测量传感臂和参考传感臂为多模光纤，其特点是： 所述测量传感臂和参考传感臂的测量区均设置为U形，U形光纤的左、右臂均具有上大下小 的锥度；所述测量传感臂和参考传感臂的尾端均设置为半球状，半球状光纤包层的表面涂 覆有金属膜；所述参考传感臂的测量区的光纤表面涂覆有聚酰亚胺二氧化硅杂化虑膜。
[0007] 在传感器中测量传感臂的功能是用于测量生物膜厚度及生物膜内液相环境变化 信息，参考传感臂只用于探测液相环境信息；滤膜的作用是，将微生物与光纤分离，让液相 中小于0. 45 μ m的物质通过滤膜并与光纤表面产生的倏逝场作用，从而对生物膜内液相环 境的变化如底物和产物的变化等信息做出响应；金属膜的增强光的反射能力。由于本发明 测量传感臂和参考传感臂的测量区采用双锥U形结构，增强了光纤表面的发光强度及其透 射深度，从而提高了传感器的检测上限和传感器的灵敏度。同时由于采用双探针传感器即 利用测量传感臂和参考参考臂同时检测，消除了生物膜生长过程液相浓度及成分变化对生 物膜厚度测量带来影响，从而实现对生物膜生长全过程的在线准确测量。
[0008] 根据本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器的优选方案，聚酰亚胺二氧化硅杂 化虑膜为聚酰胺酸、对苯二胺、N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、硅溶胶、γ-(2, 3-环氧丙氧） 丙基三甲氧基硅烷按质量比为（0. 025~0. 075) : (0. 025~0. 075) : (0. 1~0. 3) : (0. 5~ L 5) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 005 ~0· 015)的比例构成。
[0009] 根据本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器的优选方案，U形光纤的左、右臂均 具有上大下小的锥度；该左、右臂的锥顶直径为120~125 μ m ;锥底直径为60~65 μ m。
[0010] 根据本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器的优选方案，聚酰亚胺二氧化硅杂 化虑膜厚度为8~10 μ m，孔径为0· 1~0· 45 μ m。
[0011] 根据本发明的第二个技术方案，U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法，其特点 是：包括如下步骤：
[0012] 第一步：取二根多模光纤分别作为测量传感臂和参考传感臂，设置多模光纤的中 部区域为测量区，将测量区表面的光纤保护层去除；
[0013] 第二步：将测量传感臂和参考传感臂的尾端制备成半球状，使用射频磁控溅射仪 在半球表面镀上一层金属膜；
[0014] 第三步：将测量传感臂和参考传感臂的测量区制备成U形结构；
[0015] 第四步：将测量传感臂和参考传感臂的测量区插入质量百分比浓度为0.25%~ 0. 5 %、温度为20°C~30°C的氢氟酸腐蚀溶液中进行腐蚀240~300分钟，在重力的作用 下，测量传感臂和参考传感臂的测量区的左、右臂均具有上大下小的锥度；
[0016] 第五步：在参考传感臂的测量区的光纤表面上涂覆聚酰亚胺二氧化硅杂化多孔滤 膜，并放置在250~300°C环境中干燥250~300小时。
[0017] 根据本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法的优选方案，聚 酰亚胺二氧化硅杂化虑膜为聚酰胺酸、对苯二胺、N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醇、硅溶 胶、γ-(2, 3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷按质量比为（0.025~0.075) :(0.025~ 0· 075) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 5 ~L 5) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 005 ~0· 015)的比例构成。
[0018] 聚酰亚胺二氧化娃杂化虑膜厚度为8~10 μ m，孔径为0. 1~0. 45 μ m。
[0019] 根据本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法的优选方案，金属膜为 铂金膜，铂金膜厚度为450~500nm〇
[0020] 根据本发明的第三个技术方案，利用本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器对 生物膜厚度进行测量的方法，其特点是：
[0021] 生物膜厚度Db可以描述为：
[0022] Vhn； =J(Dh)
[0023] Vb为生物膜体积，《〖为生物膜折射率；
[0024]
[0025] K为传感器输出信号，Kf为参考传感臂特征参数；1^是参考传感臂测量区光纤表面 的平均凹陷深度Sf以及表面平均凹陷深度与平均凹陷直径之比S f/Af的函数；KS为测量 传感臂特征参数，Ks是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度δ s以及表面平均凹陷 深度与平均凹陷直径之比Ss/λ3的函数；n 2，s是表示测量传感臂U形区域的生物膜厚度 灵敏度系数。
[0026] 本发明所述的U形双锥光纤生物膜传感器以及制作与测量方法的有益效果是，本 发明解决了现有传感器无法在线准确测量整个生物膜生长过程生物膜厚度的问题；本发明 结构独特，制作方法简单，微型化，光纤化，本发明具有一般光纤传感器的优越性，不易受电 磁干扰，传感器尺寸小、轻；本发明采用双探针传感器，即利用测量传感臂和参考参考臂同 时检测生物膜，消除了生物膜生长过程液相浓度及成分变化对生物膜厚度测量带来影响， 从而实现对生物膜生长全过程的在线准确测量；测量传感臂和参考参考臂的测量区采用U 形双锥结构，提高了光纤表面发光强度及其透射深度，提高了传感器测量上限，具有良好应 用前景，可广泛应用于生物、化工、环保等领域。
【附图说明】
[0027] 下面结合附图对本发明作详细说明。
[0028] 图1是测量传感臂的结构示意图。
[0029] 图2是参考传感臂的结构示意图。
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