CN101713734A - 一种实时在线的光纤氧传感器 - Google Patents

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熊艳
关亚风
宋翠红
徐静
陈士恒
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Abstract

本发明涉及一种实时在线的光纤氧传感器。采用一个高功率发光二极管或脉冲灯为激发光源，激发光通过激发光纤的传输照射到氧荧光敏感膜上，产生的荧光经过滤光片被发射光纤收集和传输至光电转换器件中进行检测。在光纤氧传感器探头内，激发光纤与发射光纤成50～70°角，能有效降低介质的干扰，在60°角附近时能得到最大的荧光接收效率。将氧荧光敏感膜放置在该传感器中，能实时在线连续检测气体中的氧含量及水中的溶解氧。该传感器具有使用寿命长、测量范围广、灵敏度高、稳定性及重复性好、易于微型化等优点。

Description

一种实时在线的光纤氧传感器
技术领域
本发明涉及光纤氧传感器，具体地涉及一种实时在体、用于气体中含氧量或水中溶解氧测定的光纤氧传感器。
背景技术
气态中氧含量及水中溶解氧浓度的测定，在工业、医学及环境领域等方面的至关重要。传统的氧测定方法为安培法(即Clark氧电极法)。氧电极法主要是通过分析物在电化学反应中对氧的消耗而产生的微小电流进行检测。该法在可实现现场连续测量，但需要消耗氧，只能进行水体中氧的测定，且所用电极容易被毒化。光学氧传感器在八十年代中期逐渐发展起来，它主要是利用氧作用荧光猝灭的原理来测定氧，不涉及氧的质量消耗，且测定所需的平衡时间很短，具有高灵敏度、易微型化、适于实时在线检测等特点，已被广泛应用于化学、生物、临床医学及环境监测等领域中。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时在线的光纤氧传感器，其利用氧荧光敏感膜，以激发光纤与发射光纤成一定角度组成光纤传感探头，以消除环境介质的干扰和得到最好的荧光收集效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明一种具有快速响应、易微型化、适于实时在线测量气态氧及水中溶解氧的光纤氧传感器，其包括光纤传感探头，所述光纤传感探头由顶端相互接触的激发光纤和接收光纤构成，激发光纤和接收光纤的接触端相互成20-90度的夹角，最好成夹角为50-70度，在60°角附近时达到最优值。
所述激发光纤的后端设置有激发光源、在激发光纤和接收光纤接触端下方设置有氧荧光敏感膜，在接收光纤的后端设置有信号接收和处理系统，在接收光纤和信号接收和处理系统之间设置有滤光片。
在激发光纤和接收光纤的外侧套设有探头固定套筒组件；所述氧荧光敏感膜通常涂敷于载体玻璃片的下表面；所述氧荧光敏感膜通过紧固螺帽和密封“O”圈固定于一“U”字型桶状的流通池池体内；
所述“U”字型桶状的流通池池体下端开口或于池体下端开设有样品入口和样品出口，于氧荧光敏感膜下方形成一检测腔。
所述的光纤传感探头由单根激发光纤与单根发射光纤组成或由2根或2根以上的激发光纤与发射光纤组成；激发光纤与激发光源耦合，将激发光传输至氧荧光敏感膜；发射光纤与滤光片及光电转换器件耦合，用于收集和传输氧荧光敏感膜上的荧光。
所述的激发光源为高功率发光二极管或能发射出合适波长的脉冲灯；所述的信号接收和处理系统为光电转换器件，如光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、硅光电池(Si_PCell)或电荷耦合光电检测器(CCD)；氧荧光敏感膜由对氧光敏感分子经溶胶凝胶技术固定在一定的无机或有机的透明材料内获得；流通池池体和探头固定套筒组件由金属材质或高分子材料制成。
本发明具有如下优点：
所述的氧传感器由激发光纤与发射光纤组成，二者经过优化成一定角度，可以消除环境介质的干扰并得到最大的荧光收集效率。将氧敏感膜安装在探头上，以高功率发光二极管或其它脉冲光源为激发光源，通过激发光纤照射到氧敏感膜，氧敏感膜所发射的荧光通过发射光纤收集和传输，经过滤光片后进入光电转换器件接收并转换成电信号。
本发明光纤氧传感器，是基于由激发光源、光纤、光电转换器件与氧敏感膜组合而成的。光纤氧传感探头可灵活地与不同的氧荧光敏感膜组合，极大地简化了操作和仪器结构，有利于扩大仪器的应用范围。与传统的氧测定仪器及一般的光学氧传感器相比，它具有成本低、响应迅速、稳定性和重复性好，不消耗氧等优点，易于实现传感器的微小型化，且适于实时在线的检测，可同时用于气体氧和水中溶解氧的测定。
附图说明
图1为一种实时在线的光纤氧传感器测定气态氧/水中溶解氧的示意图；
图2为一种实时在线的光纤氧传感器测定封闭体系中气体氧含量/水中溶解氧的示意图；
其中：1为激发光源(如：高功率发光二极管或脉冲式光源)，2为激发光纤，3为氧荧光敏感膜，4为接收光纤，5为滤光片，6为信号接收和处理系统(如：光电倍增管或硅光电池)，7为紧固螺帽，8为密封“O”圈，9为载体玻璃片，10为流通池池体，11为样品出口，12为样品入口，13为检测腔；
图3为所制备的光纤氧传感器对气态氧的响应，数据表明响应时间＜1s。
图4为所制备的光纤氧传感器对溶解氧的响应，数据表明响应时间＜25s。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明一种实时在线的光纤氧传感器，该氧传感器主要由高功率发光二极管(激发光源1)，激发光纤2、氧荧光敏感膜3、接收光纤4、滤光片5、信号接收和处理系统6组成。此外还有紧固螺帽7，O圈8，载体玻璃片9，流通池的池体10，样品入口11，样品出口12，检测腔13等附件组成。
所述光纤传感探头由顶端相互接触的单根激发光纤2和单根接收光纤4构成，激发光纤2和接收光纤4的接触端相互成60度的夹角。
在激发光纤2和接收光纤4的外侧套设有探头固定套筒组件，所述氧荧光敏感膜3涂敷于载体玻璃片9的下表面，所述载体玻璃片9通过紧固螺帽7和密封“O”圈8固定于一“U”字型桶状的流通池池体10内；所述“U”字型桶状的流通池池体10下端开口，于氧荧光敏感膜3下方形成一检测腔13；
所述激发光纤2的后端设置有激发光源1、在激发光纤2和接收光纤4接触端下方设置有氧荧光敏感膜3，在接收光纤4的后端设置有信号接收和处理系统6，在接收光纤4和信号接收和处理系统6之间设置有滤光片5。
本发明检测池体和探头固定不见可以由金属材质或高分子等非金属材质加工而成。其中金属材料如不锈钢、钛铝合金等；高分子材料如聚醚醚酮(PEEK)、特氟龙(Teflon)或聚碳酸酯(PC)等。
所述的激发光源为高功率发光二极管或能发射出合适波长的脉冲灯；所述的信号接收和处理系统为光电转换器件，如光电倍增管(PMT)、雪崩光电二极管(APD)、硅光电池(Si_PCell)或电荷耦合光电检测器(CCD)；氧荧光敏感膜由对氧光敏感分子经溶胶凝胶技术固定在一定的无机或有机的透明材料内获得；
本发明通过如下方法实现：
1)激发光纤和发射光纤之间成一定角度。优选方案中，当两者角度为60°时，可以消除环境介质的干扰和得到最好的荧光收集效率。
2)检测池池体11通过激发光纤2与发光二极管偶联，通过接收光纤4与滤光片5及信号接收和处理系统6偶联。
3)传感器采用一个高功率发光二极管为激发光源1，激发光通过激发光纤2照射到氧荧光敏感膜3上，产生的荧光被接收光纤4收集和传输经过滤光片5至信号接收和处理系统6中进行检测。
4)激发光纤2和接收光纤4通过螺帽和卡套固定于检测池池体11上盖。
5)氧荧光敏感膜的选择：选择包埋有荧光探针的氧荧光敏感膜，如包埋有钌络合物[Anal.Chem.2005，77：2670，The Analyst 2008，133：241]、金属钯络合物(Sens.Actuators B Chem.2002，82：200.]或金属铂络合物[Sens.Actuators B Chem.2007，124：376]等荧光探针分子作为荧光传感膜。
应用例
将包埋有荧光探针[Ru(bpy)3]2+的氧荧光敏感膜安装在实施例1所述探头上，以中心波长为460nm的蓝色高功率发光二极管为光源，通过激发光纤对氧荧光敏感膜进行激发，发射荧光经发射光纤的传输，通过长通滤光片(LP610)进入光电倍增管中(R928)进行检测。当有氧气存在时，激发态荧光探针分子能量转移给氧气分子，荧光探针分子从激发态回到基态，产生荧光猝灭。
如图3为所制备的光纤氧传感器对气态氧的响应，数据表明响应时间＜1s。图4为所制备的光纤氧传感器对溶解氧的响应，数据表明响应时间＜25s。
实施例2
与实施例1不同之处在于，如图2所示：
所述“U”字型桶状的流通池池体11下端开设有样品入口(11)和样品出口(12)，于氧荧光敏感膜3和流通池池体(10)底面形成一检测腔13。

Claims (8)

1.一种实时在线的光纤氧传感器，包括光纤传感探头，其特征在于：所述光纤传感探头由顶端相互接触的激发光纤(2)和接收光纤(4)构成，激发光纤(2)和接收光纤(4)的接触端相互成20-90度的夹角。
2.按照权利要求1的光纤氧传感器，其特征在于：所述激发光纤(2)和接收光纤(4)的接触端所成夹角为50-70度。
3.按照权利要求1的光纤氧传感器，其特征在于：所述激发光纤(2)的后端设置有激发光源(1)、在激发光纤(2)和接收光纤(4)接触端下方设置有氧荧光敏感膜(3)，在接收光纤(4)的后端设置有信号接收和处理系统(6)，在接收光纤(4)和信号接收和处理系统(6)之间设置有滤光片(5)。
4.按照权利要求1或3的光纤氧传感器，其特征在于：在激发光纤(2)和接收光纤(4)的外侧套设有探头固定套筒组件。
5.按照权利要求3的光纤氧传感器，其特征在于：所述氧荧光敏感膜(3)涂敷于载体玻璃片(9)的下表面。
6.按照权利要求3的光纤氧传感器，其特征在于：所述氧荧光敏感膜(3)通过紧固螺帽(7)和密封“O”圈(8)固定于一“U”字型桶状的流通池池体(10)内。
7.按照权利要求6的光纤氧传感器，其特征在于：所述“U”字型桶状的流通池池体(10)下端开口或于池体(10)下端开设有样品入口(11)和样品出口(12)，于氧荧光敏感膜(3)下方形成一检测腔(13)。
8.按照权利要求1的光纤氧传感器，其特征在于：所述的光纤传感探头由单根激发光纤与单根发射光纤组成或由2根或2根以上的激发光纤与发射光纤组成；激发光纤与激发光源耦合，将激发光传输至氧荧光敏感膜；发射光纤与滤光片及光电转换器件耦合，用于收集和传输氧荧光敏感膜上的荧光。
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