CN101231248A - 一种非接触式光电pH值检测方法及所用的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式光电pH值检测方法及所用的传感器，利用该检测方法可及时、定量测量生物反应器中培养液的pH值，从而为生物反应器的培养条件监控提供准确可靠的数据，并且实施该检测方法的传感器体积小、能耗小、安装简单、抗干扰能力强，检测中不与待测液直接接触，完全避免了对待测液体的污染等影响。

Description

一种非接触式光电pH值检测方法及所用的传感器

技术领域

本发明涉及一种非接触式光电pH值检测方法，以及实施该方法的传感器。

背景技术

在生物反应器中，工作液体的pH值是需要实时监控的。例如细胞培养液在不同的气体环境中pH值容易改变，细胞的新陈代谢也会改变培养液pH值。通常细胞需要在一定的溶液酸碱度下才能正常生长，因而监控工作液体pH值是此类反应器正常工作的重要条件。常用的生物培养液中溶解有3.9mg/L的苯酚红，该苯酚红在酸性环境下显淡黄色，碱性环境下显紫红色，将苯酚红作为指示剂用来示色，可通过培养液颜色的变化来评估培养液的pH值。

实验员可以通过观察培养液的颜色了解培养液的酸碱情况。但目测法不能得到定量数据，无法集成到控制系统中。常用的光学法定量测量pH值的仪器包括比色仪和固定染料光纤pH传感器。比色仪通常采用白炽灯作为白光光源，分光仪产生单色光源，操作时需将生物反应器中的培养液取出部分，转移到专用容器中，放置在仪器内部的避光室内进行光电比色测量，这种比色仪体积和重量都较大，不方便操作，而且无法对生物反应器中的培养液进行实时测量。典型的固定染料光纤pH传感器的结构是在光纤末端包被一定厚度凝胶，凝胶可根据液体酸碱度改变自身的光吸收系数，再利用光纤测量吸收系数间接得到溶液pH值。这种方法测量时需要探头与被测液体直接接触并产生离子交换，从而使得被测溶液被污染而导致测量数据不准确，并且探头通常无法进行高温高压灭菌处理。

生物反应器一般需要自动为细胞供应气体和液体，从而维持细胞正常的生长环境，这类反应器需要及时、定量测量培养液pH值并进行反馈控制。由于培养液必须保证无菌状态，其供应和回收系统使用前均需要高温消毒处理，与溶液接触的任何检测元件也必须灭菌处理，同时要求检测装置的体积小、能耗小。现有测量技术，不能有效的满足生物反应器的技术发展需求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的首要目的是提供一种非接触式光电pH值检测方法，利用该方法可实时、定量地测量培养液pH值，从而为生物反应器培养条件监控提供准确可靠的数据。本发明进一步的目的是提供一种实施上述方法的传感器。

为实现上述目的，本发明一种非接触式光电pH值检测方法，具体为：

1)配置pH分别为pH₁和pH₂的溶液，单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁溶液的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号V₁；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号V₂；同理，将绿色光和红色光再分别透射pH₂溶液后，得到电平信号V₃和V₄。代入公式a＝(pH₁-pH₂)/(V₁/V₂-V₃/V₄)、b＝(pH₂·V₁/V₂-pH₁·V₃/V₄)/(V₁/V₂-V₃/V₄)，可得到系数a、b。

2)单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号V_a；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号V_b；将电平信号V_a和电平信号V_b代入公式pH＝α×(V_a÷V_b)+b后即可算出待测液体的pH值。

进一步，所述绿色光的中心波长为565nm，所述红色光的中心波长为640nm。

进一步，所述V₁、V₂、V₃、V₄、V_a、V_b均为电平信号稳定后，以10ms间隔进行10次A/D转换所取得的平均值。

一种实施上述检测方法的传感器，该传感器包括绿光光源、红光光源、发射光纤、接收光纤和光敏元件，发射光纤用于传输绿光光源和红光光源发出的单色光，接收光纤将透射待测液体后的单色光传输到光敏元件，从而将光信号转换为电平信号。

进一步，所述传感器上还设置有控制单元，控制单元控制所述绿光光源和红光光源的发光时间，并控制光信号转换为电平信号的过程。

本发明非接触式光纤pH值检测方法可及时、定量测量含有苯酚红指示剂的液体pH值，测量范围6.8-8.2，满足绝大多数生物培养液监控需求，从而可以对细胞的生长条件提供准确可靠的数据，并且实施该检测方法的传感器体积小、能耗小、安装简单、抗干扰能力强，检测中不与待测液直接接触，完全避免了对待测液体的污染等影响。

附图说明

图1为实施例1检测部份的结构示意图；

图2为实施例2检测部分的结构示意图；

图3为苯酚红在pH为7.9培养液中的吸收光谱；

图4为本发明传感器抗干扰性能曲线。

具体实施方式

苯酚红在培养液中与H⁺、OH^-建立化学平衡形成共轭酸式和共轭碱式两种分子，HIn和In^-分别表示苯酚红的共轭酸式和共轭碱式，其比例满足化学平衡方程：HInH⁺+In^-。

其电离平衡常数为：

$K_a=\frac{\left[H^{+}\right]\left[{\mathrm{In}}^{-}\right]}{\left[\mathrm{HIn}\right]}$

其解离常数pK_a＝-lg K_a＝7.9

根据pH的定义：pH＝-lg[H⁺]

苯酚红总浓度C_In等于二者相加即C_In＝[HIn]+[In^-]，可以得到苯酚红共轭碱式浓度与pH值和苯酚红总浓度C_In的关系：

$\left[{\mathrm{In}}^{-}\right]=\frac{K_a{C}_{\mathrm{In}}}{K_a+\left[H^{+}\right]}=\frac{C_{\mathrm{In}}}{1+{10}^{-(\mathrm{pH}-\mathrm{pKa})}}$

如图3所示，苯酚红共轭碱式对中心波长565nm的绿色光有特异性吸收，吸收峰带宽约100nm。根据朗伯-比尔定律，当液层的厚度不变且苯酚红总浓度C_In没有改变时，溶液对565nm单色光吸光度和苯酚红共轭碱式浓度[In^-]成正比，与溶液pH值呈函数关系。

本发明采用的探头结构中管壁、培养器外壳和液体中的杂质会吸收绿光，影响结果。为了补偿这个效应，本发明采用了红、绿双光源。使用2个并排的发光二极管可分别产生中心波长为565nm、带宽80nm的绿光和中心波长为640nm、带宽80nm的红光，苯酚红对640nm附近波长的红光没有特异性吸收，而壁面和液体杂质对这两种光有相同的吸收系数，因而红光可以单独反映管壁和液体杂质的吸收率，结果用于补偿绿光。

根据朗伯-比尔定律：

$I_{\mathrm{red}}=I_{\mathrm{ired}}{Q}_1{Q}_2...P_1^{l1}{P}_2^{l2}...$

$I_{\mathrm{green}}=I_{\mathrm{igreen}}{Q}_1{Q}_2...P_1^{l1}{P}_2^{l2}...{P_{\mathrm{pr}}}^{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{In}}}$

$\left[{\mathrm{In}}^{-}\right]=\frac{C_{\mathrm{In}}}{1+{10}^{-(\mathrm{pH}-p{K}_a)}}$

$\frac{I_{\mathrm{green}}}{I_{\mathrm{red}}}=\frac{I_{\mathrm{igreen}}}{I_{\mathrm{ired}}}{P_{\mathrm{pr}}}^{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{In}}\frac{1}{1+{10}^{-(\mathrm{pH}-p{K}_a)}}}$

I_ired为红色光源(640nm)的发射光强

I_red为红色光(640nm)的接收光强

I_igreen为绿色光源(565nm)的发射光强

I_green为绿色光(565nm)的接收光强

P_pr为碱性酚红吸收系数，Q、P为管壁、培养器壁、反射面和光纤的光强吸收系数。

上述公式消除了管壁吸收系数的干扰，可知绿色与红色接收光强的比值即I_green/I_red与溶液pH呈单值函数关系。函数在溶液酸碱度pH6.8-8.2的范围内可近似为线性关系，因而运算可采用线性拟合方式，公式为pH＝a’×(I_green/I_red)+b’，拟合相关系数在6.8-8.2范围内为R²＝0.98。在传感器中，光敏元件将光强信号线性转化为电压信号，I_green和I_red分别转变为V_a、V_b，因而最终的pH计算公式为pH＝a×(V_a÷V_b)+b。系数a、b与二极管和光敏元件的特性、指示剂浓度以及溶液厚度有关，因此当传感器更换二极管或光敏元件、改变探头的机械结构或待测溶液中指示剂浓度改变时，需要进行两点法拟合以获得a、b值。

在两点法拟合中，配置pH分别为pH₁和pH₂的溶液，单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁溶液的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号V₁；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号V₂；同理，将绿色光和红色光再分别透射pH₂溶液后，得到电平信号V₃和V₄，将pH₁、V₁、V₂和pH₂、V₃、V₄分别代入公式pH＝a×(V_a÷V_b)+b，得到二元一次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pH}}_1=a\×(V_1/V_2)+b\\ {\mathrm{pH}}_2=a\×(V_3/V_4)+b\end{array}\right.$

求解得：

a＝(pH₁-pH₂)/(V₁/V₂-V₃/V₄)

b＝(pH₂·V₁/V₂-pH₁·V₃/V₄)/(V₁/V₂-V₃/V₄)。

a、b为测量前所准备的常量。

并且为了避免环境杂散光进入测量系统、影响结果，光信号采用调制技术。运算放大电路生成1kHz方波信号驱动二极管，光敏输出信号在1kHz频率上带通滤波，滤除了频率与1kHz不符的环境光信号，所得1kHz正弦波信号经过半波整形、低通滤波后，得到直流电平信号，电压幅值正比于测试光波经液管后的光强。

本发明中，主控芯片为Atmel公司89C2051单片机，TI公司的10位A/D转换器TLC1549。运算放大器采用LM324，光敏元件采用TI公司OPT101光电传感器。光源采用5mm直径的超高亮型发光二极管。其他元件包括LM7805、ICL7660、CD4511 BCD-7段译码器等。光纤内径1mm。采用运算放大器振荡电路生成1kHz方波信号，与非门控制选通，由恒流源驱动发光二极管。恒流源可保持二极管发光量的稳定。光敏元件的输入信号中1kHz方波幅值为A，经过品质因数约15的有源带通滤波，可以滤除由环境光引起的背景信号。所得的1kHz正弦波，经过全波整形，10Hz低通滤波，得到振幅小于1mV的稳定电压信号V，V＝K×A，K为常数。

单片机首先控制565nm二极管单独发光，稳定1秒后，控制A/D以10ms间隔进行10次数模转换，取平均值得到电压数值V_a，再令640nm二极管单独发光，稳定1秒后以同样方法得到V_b。采用事先拟合得到的系数a、b进行运算：pH＝a×(V_a÷V_b)+b，结果显示在3位数码管上。

实施例1

如图1所示，传感器检测部份包括硅胶输液管1、探头卡具2、发射光纤3、接收光纤4、反射面5、二极管6、二极管7、光敏元件8、待测溶液9、光纤连接器10、探头17。检测前，将装有待测液体9的硅胶输液管1卡装在探头卡具2上所设置的深沟槽内，并固定安装探头17，使探头17靠近硅胶输液管1的外壁，探头卡具2上与探头17相对的位置上设置有反射面5。工作时，传感器控制单元首先控制二极管6发出中心波长为565nm的绿色光，绿色光经由发射光纤3和探头17后透射装有待测液体9的硅胶输液管1，并经过反射面5将透射光反射回接收光纤4，透射光经由接收光纤4后传导到光敏元件8，并在光敏元件8上形成电平信号；当绿色光透射稳定1秒后，传感器控制单元控制以10ms的间隔进行10次A/D转换，并取得10次变换的电平信号平均值V_a。

传感器控制单元再控制二极管6发出中心波长为640nm的红色光，红色光经由发射光纤3和探头17后透射装有待测液体9的硅胶输液管1，并经过反射面5将透射光反射回接收光纤4，透射光经由接收光纤4后传导到光敏元件8，并在光敏元件8上形成电平信号；当红色光透射稳定1秒后，传感器控制单元控制以10ms的间隔进行10次A/D转换，并取得该10次变换的电平信号平均值V_b。

将测得的V_a和V_b代入预先设定的公式pH＝a×(V_a÷V_b)+b中后，即可求得待测液体9的pH值。

实施例2

本实施例中可对装在培养皿中的待测液体直接进行检测，如图2所示，在培养皿11的外侧设置有卡具12，发射光纤13通过探头15卡装在卡具12的一侧上，接收光纤14通过探头16卡装在卡具12的相对侧上，使得探头15和探头16相对，以便光纤的有效传输；工作时，依照实施例1中的工作步骤也可测取得电平信号V_a和V_b，代入预先设定的公式pH＝a×(V_a÷V_b)+b中，可求得待测液体9的pH值。

本发明的传感器可通过试验方法验证本发明的抗干扰性能。实验前配制pH分别为6.67、7.01、7.32、7.67和7.96的磷酸盐缓冲溶液，均加入3.9mg/L苯酚红；实验中采用实施例1中描述的结构，将一条硅胶软管(外径2.5mm，内径1mm)安装入探头，然后用注射器将5组溶液依次加入硅胶软管中，更换每组溶液时需灌以去离子水清洗，记录下每次测量数据。实验中再截取3段软管，每个管子前后实验2次，中间经过20分钟120℃高压锅消毒处理，以研究消毒处理对检测系统的影响。如图4所示，实际曲线与理论曲线符合，标准误差在pH6.67时最大为0.1，在pH7.96时最小为0.03。

Claims (5)

1.一种非接触式光电pH值检测方法，具体为：

1)配置pH分别为pH₁和pH₂的溶液，单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁溶液的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号V₁；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有pH₁液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号V₂；同理，将绿色光和红色光再分别透射pH₂溶液后，得到电平信号V₃和V₄。代入公式a＝(pH₁-pH₂)/(V₁/V₂-V₃/V₄)、b＝(pH₂·V₁/V₂-pH₁·V₃/V₄)/(V₁/V₂-V₃/V₄)，可得到系数a、b。

2)单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号V_a；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号V_b；将电平信号V_a和电平信号V_b代入公式pH＝a×(V_a÷V_b)+b后即可算出待测液体的pH值。

2.如权利要求1所述的一种非接触式光纤pH值检测方法，其特征在于，所述绿色光的中心波长为565nm，所述红色光的中心波长为640nm。

3.如权利要求1所述的一种非接触式光纤pH值检测方法，其特征在于，所述V₁、V₂、V₃、V₄、V_a、V_b均为电平信号稳定后，以10ms间隔进行10次A/D转换所取得的平均值。

4.一种实施权利要求1所述检测方法的传感器，其特征在于，该传感器包括绿光光源、红光光源、发射光纤、接收光纤和光敏元件，发射光纤用于传输绿光光源和红光光源发出的单色光，接收光纤将透射待测液体后的单色光传输到光敏元件，从而将光信号转换为电平信号。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述传感器上还设置有控制单元，控制单元控制所述绿光光源和红光光源的发光时间，并控制光信号转换为电平信号的过程。

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