CN102252981A - 一种光传感总磷检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光传感技术领域，具体涉及一种光传感总磷检测系统。所述检测系统，包括底板及集成于底板上的激光器光源、光传感单元、光电探测器和数显模块，所述激光器光源通过输入光纤与所述光传感单元连接，所述光传感单元通过输出光纤与所述光电探测器连接，所述光电探测器通过电连接线与所述数显模块连接。本发明还提供一种光传感总磷检测方法。本发明基于光纤传感原理，其抗干扰能力强，可以快速、准确的对总磷进行检测，具有微型化和集成化的潜力。

Description

一种光传感总磷检测系统及检测方法

技术领域

 本发明涉及光传感技术领域，具体涉及一种光传感总磷检测系统及检测方法。

背景技术

水环境监测包括对总磷、重金属、氟化物、氰化物等多种参数进行检测。磷是自然界水环境中重要的生源要素，磷的含量控制着水体生态系统中的初级生产过程，它是水体环境富营养化的决定因素。水环境总磷离子浓度的检测对于保护水环境、评估和控制污染程度有着重要的意义。

钼酸铵分光光度法是目前国际上通用的总磷检测方法。我国的总磷检测标准（GB 11893-89）也是采用这种方法。该方法采用人工采样和实验室分析的方式，分为以下两步：第一步是消解，目的是把溶液中的存在的不同形式磷元素全部转化为正磷酸根离子，第二步是正磷酸根离子浓度的检测，首先用钼酸铵作为显色试剂使待测溶液显色，然后通过分光光度仪测定正磷酸根离子浓度，从而推算出溶液的总磷含量。该方法通过测试显色后溶液的透过率或反射率等光学性能的变化来推算溶液总磷含量，系统环境的温度、PH值的微弱变化以及微量杂质离子存在对测试的影响较小，使得该方法具有很高的灵敏度和抗干扰性。但是，该方法的核心设备是高精度的分光光度仪，它的性能决定了总磷测定的精度和测量范围。高端的分光光度仪价格昂贵，体积较大比较笨重，测试过程过多地依赖于人工操作。这使得钼酸铵分光光度法在大规模水环境总磷监测过程中存在较高的运行成本和较低的测试效率。有鉴于此，国际上的研究学者正在积极寻找新的传感方法，用光、电信号作为信息输出方式代替人工的方式，实现信息的自动化收集和处理，提高测试效率，用微型化和系统集成化的微传感器件代替笨重、昂贵的分光光度仪，降低成本，并希望最终开发出适于大规模环境监测应用的高效实时的微型总磷检测系统。

新传感方法的研究探索主要集中在电化学和生物电化学方面，主要原理是通过待测溶液中正磷酸根离子与对其有特异性选择的物质发生化学反应，反应过程中产生电位差或电流与正磷酸根离子浓度存在特定线性关系，因此可以用电位或电流等信号的变化来表征溶液的总磷含量。根据响应方式的不同，可以分为以下三类：电位测量法、间接伏安测定法和生物酶传感法。电位测量法是利用敏感电极与正磷酸根离子发生特异性电化学反应，通过测量电极电位差得到溶液中总磷含量。目前取得较大进展是采用钴/氧化钴敏感电极，可以检测到0.1ppm浓度的正磷酸根离子（A. Parra, M. Ramon, J. Alonso, S.G. Lemos, E.C. Vieira, A.R.A. Nogueira, “Flow Injection Potentiometric system for the simultaneous determination of inositol phosphates and phosphate: Phosphorus nutritional evaluation on seeds and grains” J. Agric.Food Chem. 53 (2005) 7644–7648.）。间接伏安测定法是正磷酸根离子首先与其它金属离子反应生成络合物，通过测定反应过程的伏安特性变化，间接得到溶液总磷含量。这种方法灵敏度较高，最近的报道通过分析磷钼酸盐络合物的响应电流特性间接得到溶液正磷酸根离子浓度，其测试极限达到0.03ppm（J. Calvo Quintana, L. Idrissi, G. Palleschi, P. Albertano, A. Amine, M. El Raíz, D. Moscone, “Investigation of amperometric detection of phosphate Applications in seawater and cyanobacterial biofilm simples”, Talanta. Vol. 63 (3) (2004), pp. 567-574）。生物酶传感方法是利用对磷酸盐高选择性的生物酶与正磷酸根离子作用，通过电化学的方法测量由于酶分解作用所消耗的氧（E. Akyilmaz, E. Yorganci, Electrochim,“Construction of an amperometric pyruvate oxidase enzyme electrode for determination of pyruvate and phosphate”, Acta 52 (2007) 7972–7977）或者产生过氧化氢的量（R.C.H. Kwan, H.F. Leung, P.Y.T. Hon, J.P. Bradford, R. Renneberg, “A screen-printed biosensor using pyruvate oxidase for rapid determination of phosphate in synthetic wastewater”, Appl. Microbiol. Biotech. 66 (2005) 377–383），推算出水溶液中正磷酸根离子的浓度。该方法的测量过程中可以引入微流体装置，使测试系统更加微型化（Preechaworapun, Anchana; Dai, Zong; Xiang, Yun; Chailapakul, Orawon; Wang, Joseph, “Investigation of the enzyme hydrolysis products of the substrates of alkaline phosphatase in electrochemical immunosensing”, Talanta, 2008, 76(2), 424-431）。综上所述，电化学和生物电化学方法具有较高的灵敏度，已经接近了分光光度法的水平。它用电信号响应代替了人工读取的信息输出方式，便于信息的处理与传输，大大提高了测试效率，为总磷监测系统自动化实时监测的实现打下基础。但是，此类方法以电化学反应和生物电化学为基础，对系统环境十分敏感，溶液温度、PH值微小变化以及微量杂质离子的存在都会对测试的准确性和重复性有很大干扰。在复杂多变的自然界水环境下，电化学与生物电化学检测方法面临的巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光传感总磷检测系统，其抗干扰能力强，可以快速、准确的对总磷进行检测，具有微型化和集成化的潜力。

本发明的另一目的在于提供一种光传感总磷检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光传感总磷检测系统，包括底板及集成于底板上的激光器光源、光传感单元、光电探测器和数显模块，所述激光器光源通过输入光纤与所述光传感单元连接，所述光传感单元通过输出光纤与所述光电探测器连接，所述光电探测器通过电连接线与所述数显模块连接。

上述方案中，所述输入光纤和所述输出光纤为单模光纤。

上述方案中，所述光传感单元包括顶盖、侧壁和底盖，所述顶盖、侧壁和底盖组成密封腔室，所述密封腔室内设有光纤传感器，所述侧壁上设有进样口和出样口。

上述方案中，所述光纤传感器由所述输入光纤、所述输出光纤和设置于所述密封腔室内的V型槽构成；所述输入光纤穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的一端，所述输出光纤穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的另一端。

上述方案中，所述顶盖、侧壁和底盖的材质为有机玻璃。

上述方案中，所述光电探测器为光探测器或光电二极管。

上述方案中，所述底板为有机玻璃板。

一种光传感总磷检测方法，包括如下步骤：

将加入显色试剂的待检测溶液样品注满光传感单元，所述显色试剂与待检测溶液样品中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；

打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出待检测溶液样品的光功率值；

将所述光功率值与参考光功率值的差值作为待检测溶液的光响应信号，根据所述光响应信号在总磷浓度标准光响应曲线中查找相对应的总磷浓度，该总磷浓度值即为待检测溶液的总磷含量。

上述方案中，所述参考光功率值产生的步骤具体包括：

（1）将未进行显色的空白溶液注满光传感单元；

（2）打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

（3）所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出参考光功率值。

上述方案中，所述总磷浓度标准光响应曲线生成的步骤具体包括：

（1）配制一系列标准总磷浓度溶液；

（2）取其中一标准总磷浓度溶液作为标定样品，将加入显色试剂的标定样品注满光传感单元，所述显色试剂与标准总磷浓度溶液中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；

（3）打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述显色反应生成络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

（4）所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出所述标准总磷浓度下的标定光功率值；

（5）将所述标定光功率值与所述参考光功率值的差值作为所述标准总磷浓度下的光响应信号；

（6）按照步骤（2）至步骤（5）所述，依次测试其他标准总磷浓度溶液的光响应信号，根据所有光响应信号与标准总磷浓度的线性对应关系绘制总磷浓度标准光响应曲线。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：

本发明基于光纤传感原理，其抗干扰能力强，可以快速、准确的对总磷进行检测，具有微型化和集成化的潜力；尤其是利用了V形槽定位光纤的耦合效率高和稳定性好的特点，获得对溶液中总磷含量信息的光信号响应。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光传感总磷检测系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光传感单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种光传感总磷检测系统，半导体激光器光源101通过输入光纤102与光传感单元103连接，输出光纤106连接了光传感单元103与光电探测器107，光传感单元103包含进样口104和出样口105，作为待测溶液进入光传感单元103的通道。光电探测器107的输出端通过电连接线108与数显模块109相连，底板110为整个系统提供物理支撑，所有元件集成于底板110之上。其中，输入光纤102和输出光纤106为单模光纤；光电探测器107为光探测器或光电二极管；底板110为有机玻璃板。

如图2所示，图2为光传感单元103的结构示意图，光传感单元103包括顶盖113、侧壁114和底盖112，顶盖113、侧壁114和底盖112的材质为有机玻璃，通过硅脂密封胶的形式组成密封腔室，密封腔室内设有光纤传感器，进样口104和出样口105就设置在光传感单元103的侧壁114上。光纤传感器由输入光纤102、输出光纤106和设置于密封腔室内的V型槽111构成，输入光纤102穿过光传感单元103的侧壁114，通过紫外固化胶固定于V型槽111上，输出光纤106的一端固定在V型槽111的另一侧，V型槽111通过密封胶固定在底盖112上。

使用时，首先将进行显色反应的待检测溶液样品注入到光传感单元的进样口104，而后关闭出样口105，使待检测溶液样品充满整个光传感单元103。打开激光器光源101，探测光信号依次经过输入光纤102、光传感单元103、输出光纤106进入到光电探测器107，通过光电转换，在数显模块109上显示待检测溶液的光功率值。根据待检测溶液的光功率值与空白溶液的参考光功率值的差值，参照总磷浓度标准光响应曲线即可得出待检测溶液的总磷浓度。

本发明还提供一种光传感总磷检测方法，具体包括如下步骤：

（1）将未进行显色的空白溶液作为参照样品，空白溶液可以选用纯净水或蒸馏水，把空白溶液注满光传感单元；打开激光器光源，激光器光源产生的探测光波长为显色试剂与正磷酸根离子发生显色反应生成络合物的光吸收谱峰值波长，探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出参考光功率值；

（2）配制标准总磷浓度溶液，比如，以0.00mg/L、0.10mg/L、0.20mg/L、0.60mg/L、1.00mg/L、2.00mg/L、3.00mg/L七个标准总磷浓度，配置标准总磷浓度溶液；还可以根据实际检测需要，选择其他标准总磷浓度配置标准总磷浓度溶液；

取其中一标准总磷浓度溶液，如取标准总磷浓度为3.00mg/L的溶液，作为标定样品，在标定样品中加入显色试剂，显色试剂与标准总磷浓度溶液中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；清洗光传感单元腔体，把经过显色的标准总磷浓度溶液注满光传感单元；打开激光器光源，激光器光源产生的探测光波长为显色反应生成络合物的光吸收谱峰值波长；探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出标准总磷浓度为3.00mg/L时的标定光功率值；标定光功率值与参考光功率值的差值即为该标准总磷浓度下的光响应信号； 

（3）按照上述方法，依次测试其他标准总磷浓度下的光响应信号；根据光响应信号与标准总磷浓度的线性对应关系绘制总磷浓度标准光响应曲线，总磷浓度标准光响应曲线作为测定未知总磷含量溶液的参考依据；

（4）在待检测溶液样品中加入显色试剂，显色试剂与待检测溶液中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；打开激光器光源，激光器光源产生的探测光波长为显色反应生成络合物的光吸收谱峰值波长；探测光信号通过依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，从数显模块上显示出该标准浓度下的待检测溶液的光功率值；光功率值与参考光功率值的差值即为未知浓度待测溶液的光响应信号；按照待检测溶液的光响应信号大小，从总磷浓度标准光响应曲线中查找相对应的总磷浓度，该浓度值即为待检测溶液的总磷含量。

上述步骤（1）中的参考光功率值和步骤（3）中的总磷浓度标准光响应曲线确定以后，每次检测未知溶液的总磷浓度，只需按照步骤（4）进行即可，无需再重复步骤（1）至步骤（3）中的方法。

本发明基于光纤传感原理，其抗干扰能力强，可以快速、准确的对总磷进行检测，具有微型化和集成化的潜力；尤其是利用了V形槽定位光纤的耦合效率高和稳定性好的特点，获得对溶液中总磷含量信息的光信号响应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光传感总磷检测系统，其特征在于：包括底板及集成于底板上的激光器光源、光传感单元、光电探测器和数显模块，所述激光器光源通过输入光纤与所述光传感单元连接，所述光传感单元通过输出光纤与所述光电探测器连接，所述光电探测器通过电连接线与所述数显模块连接。

2.如权利要求1所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述输入光纤和所述输出光纤为单模光纤。

3.如权利要求1所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述光传感单元包括顶盖、侧壁和底盖，所述顶盖、侧壁和底盖组成密封腔室，所述密封腔室内设有光纤传感器，所述侧壁上设有进样口和出样口。

4.如权利要求3所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述光纤传感器由所述输入光纤、所述输出光纤和设置于所述密封腔室内的V型槽构成；所述输入光纤穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的一端，所述输出光纤穿入所述腔室的部分的端部固定于所述V型槽的另一端。

5.如权利要求3所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述顶盖、侧壁和底盖的材质为有机玻璃。

6.如权利要求1所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述光电探测器为光探测器或光电二极管。

7.如权利要求1所述的光传感总磷检测系统，其特征在于：所述底板为有机玻璃板。

8.一种光传感总磷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将加入显色试剂的待检测溶液样品注满光传感单元，所述显色试剂与待检测溶液样品中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；

打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出待检测溶液样品的光功率值；

将所述光功率值与参考光功率值的差值作为待检测溶液的光响应信号，根据所述光响应信号在总磷浓度标准光响应曲线中查找相对应的总磷浓度，该总磷浓度值即为待检测溶液的总磷含量。

9.如权利要求8所述的光传感总磷检测方法，其特征在于，所述参考光功率值产生的步骤具体包括：

（1）将未进行显色的空白溶液注满光传感单元；

（2）打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

（3）所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出参考光功率值。

10.如权利要求8所述的光传感总磷检测方法，其特征在于，所述总磷浓度标准光响应曲线生成的步骤具体包括：

（1）配制标准总磷浓度溶液；

（2）取其中一标准总磷浓度溶液作为标定样品，将加入显色试剂的标定样品注满光传感单元，所述显色试剂与标准总磷浓度溶液中的正磷酸根离子发生显色反应生成络合物；

（3）打开激光器光源，所述激光器光源产生波长为所述显色反应生成络合物的光吸收谱峰值波长的探测光信号；

（4）所述探测光信号依次经过输入光纤、光传感单元、输出光纤进入到光电探测器，通过光电转换，在数显模块上显示出所述标准总磷浓度下的标定光功率值；

（5）将所述标定光功率值与所述参考光功率值的差值作为所述标准总磷浓度下的光响应信号；

    （6）按照步骤（2）至步骤（5）所述，依次测试其他标准总磷浓度溶液的光响应信号，根据所有光响应信号与标准总磷浓度的线性对应关系绘制总磷浓度标准光响应曲线。

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