CN103868904A

CN103868904A - 一种双光纤氧传感器

Info

Publication number: CN103868904A
Application number: CN201410138646.6A
Authority: CN
Inventors: 陈晨; 熊艳
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及一种双光纤荧光传感器。该系统采用发光二极管为激发光源，激发光通过激发光纤的传输照射到荧光敏感膜上，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度角，能有效降低介质的干扰，在60度角附近时能得到最大的荧光接收效率，信噪比（S/N）最大。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

一种双光纤氧传感器

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

气体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。

为了追求更高的灵敏度，目前对荧光传感器的报道，大部分均是从提高光源强度出发来增强荧光的发射。光源强度的增强确实可以在一定程度上提高荧光强度，但同时也增加了光源对检测的干扰和能耗的增加。激发光和荧光由不同的光纤传导，这种结构可以避免激发光引起的光纤自身荧光和散射光的干扰，并能增加荧光的收集效率，提高传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供一种双光纤氧传感器，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度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；所述氧荧光敏感膜涂敷于玻片基质下表面。

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；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；检测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，它具有灵敏度高、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为一种双光纤氧传感器，测定气态氧/水中溶解氧的示意图；

其中：101为激发光源（如：高功率发光二极管或脉冲式光源），102为激发光纤，103为接收光纤，105为滤光片，106为光电转换器件，301为玻片基质，302为氧荧光敏感膜，303为检测池体，304为微型注射泵。

图2为所制备的光纤氧传感器对氧的响应，数据表明响应时间<1s。

图3为所制备的光学氧传感器对纯氧和纯氮的响应。

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，该氧传感器主要由激发光源101，激发光纤102、氧荧光敏感膜302、接收光纤103、滤光片105、信号接收和处理系统106组成。

所述光纤传感探头由顶端相互接触的单根激发光纤102和单根接收光纤103构成，激发光纤102和接收光纤103的接触端相互成60度的夹角。在激发光纤102和接收光纤103的外侧套设有探头固定套筒组件，所述氧荧光敏感膜302涂敷于载体玻璃片301的下表面，所述载体玻璃片301固定在检测池303上。

所述激发光纤102的后端设置有激发光源101、在激发光纤102和接收光纤103接触端下方设置有氧荧光敏感膜302，在接收光纤103的后端设置有信号接收和处理系统106，在接收光纤103和信号接收和处理系统106之间设置有滤光片105。

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）激发光纤和接收光纤之间成一定角度。优选方案中，当两者角度为60度时，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303通过激发光纤102与发光二极管偶联，通过接收光纤103与滤光片105及信号接收和处理系统106偶联。

3）传感器采用一个高功率发光二极管为激发光源101，激发光通过激发光纤102照射到氧荧光敏感膜302上，产生的荧光被接收光纤103收集和传输经过滤光片105至信号接收和处理系统106中进行检测。

4）激发光纤102和接收光纤103通过螺帽和卡套固定于检测池池体303上。

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 Analyst2008,133:241]、金属钯络合物(Sens.Actuators B Chem.2002,82:200.]或金属铂络合物[Sens.Actuators BChem.2007,124:376]等荧光探针分子作为荧光传感膜

应用例

将有机改性硅烷化试剂（Organically modified silicates,ORMOSILs）包埋荧光探针[Ru(bpy)₃]²⁺制备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2为所制备的光纤氧传感器对氧的响应，数据表明响应时间<1s。图3表明该传感器在较宽范围内（0-100%）对氧气有敏感响应。

Claims

1.一种双光纤氧传感器，包括光源（101）、激发光纤（102）、接收光纤（103）、滤光片（105）、光电转换器件（106），激发光纤（102）的入射端与光源（101）耦合；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（102）和接收光纤（103）构成，激发光纤（102）和接收光纤（104）的接触端相互成20-90度的夹角。接收光纤（103）的出射端，处于一个合并端（104），合并端（104）经滤光片（105）与光电转换器件（106）的光窗耦合，用于收集、传输荧光和实现光电信号的转换。

2.按照权利要求1的传感器，其特征在于：在所述激发光纤（102）的出射端及接收光纤（103）的入射端所处的平面表面依次设置有玻片基质（301）及荧光传感薄膜（302）；所述的荧光传感薄膜（302）由荧光探针分子通过一定的物理或化学方法包埋在无机或有机透明材料中并涂覆在玻片基质（301）下表面上形成；所述的玻片基质（301）被固定在样品流动池（303）上。

3.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述光源（101），激发光纤（102）、接收光纤（103）、滤光片（105）、光电转换器件（106）通过套筒组件（201）固定在一起。

4.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述光源（101）为高功率或普通发光二极管。

5.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述激发光纤（102）和接收光纤（103）为塑料光纤或石英光纤。

6.按照权利要求2所述的传感器，其特征在于：所述荧光传感膜（302）由采用溶胶-凝胶法以硅烷化试剂包埋荧光探针分子制得；样品流动池（303）池体由金属或高分子材料制成。

7.按照权利要求1所述的传感器，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；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。

8.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述光电转换器件（106）为一般的光电转化器件，包括光电倍增管、雪崩光电二极管、硅光电池或电荷耦合光电检测器。

9.按照权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述套筒组件（201）的材质可以是金属、非金属或陶瓷。