CN104913728B - U形双锥光纤生物膜传感器以及制作与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了U形双锥光纤生物膜传感器以及制作与测量方法，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，其特征在于：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；本发明采用双探针传感器，利用测量传感臂和参考传感臂同时检测生物膜，实现了对生物膜生长全过程的在线准确测量；测量传感臂和参考传感臂的测量区采用U形双锥结构，具有良好应用前景，可广泛应用于生物、化工、环保等领域。

Description

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

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

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。研究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。

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 monitoringbiofilm growth in a hydrogen production photobioreactor[J].AnalyticalChemistry,2014,86(8):3994–4001.”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0-120μm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180μm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。

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

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。

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。

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0.45μm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。

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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。

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120～125μm；锥底直径为60～65μm。

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8～10μm，孔径为0.1～0.45μm。

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：

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；

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；

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；

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℃～30℃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；

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℃环境中干燥250～300小时。

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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。

聚酰亚胺二氧化硅杂化虑膜厚度为8～10μm，孔径为0.1～0.45μm。

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。

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：

生物膜厚度D_B可以描述为：

V_b为生物膜体积，为生物膜折射率；

K为传感器输出信号，K_f为参考传感臂特征参数；K_f是δ_f以及δ_f/Δ_f的函数；δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；K_s为测量传感臂特征参数，K_s是δ_s以及δ_s/Δ_s的函数，δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；η_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。

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

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1是测量传感臂的结构示意图。

图2是参考传感臂的结构示意图。

图3是光在表面粗糙的锥形光纤中的传输示意图。

图4是培养基连续供给下传感器输出信号与生物膜厚度之间的关系曲线。

图5是培养基间断供给下传感器输出信号与生物膜厚度之间的关系曲线。

具体实施方式

参见图1至图3，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，包括光纤保护层2、纤芯和光纤包层3，多模光纤的中段区域为测量区，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7均设置为半球状，半球状光纤包层的表面涂覆有金属膜8；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9。

在具体实施例中，传感臂采用的光纤为渐变形多模石英光纤。光纤纤芯直径为100±2％μm，包层直径为125±2％μm，光纤保护层直径为250±3％μm；光纤的温度范围为-190～380℃，透过光谱范围为400～2500nm，数值孔径(NA)为0.5。测量传感臂和参考传感臂的展直长度为2～3m,前端大约为1～1.5m，U型区域的展直长度为50～60mm，后端长度为40～50mm,测量区域的弯曲半径为1～3cm；U形光纤的左、右臂均具有上大下小的锥度，其中锥底5的直径为60～65μm,锥顶4、6直径为120～125μm，腐蚀后光纤表面粗糙度为0.3～0.35。干燥后的聚酰亚胺二氧化硅杂化滤膜的厚度在8～10μm，空隙在0.1～0.45μm。金属膜的厚度为450～500nm。

在具体实施例中，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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。

U形双锥光纤生物膜厚度传感器的制备方法，包括如下步骤：

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，设置多模光纤的中段区域为测量区，将测量区表面的光纤保护层去除；多模光纤可选取为渐变形多模石英光纤；光纤纤芯直径为100±2％μm，包层直径为125±2％μm，光纤保护层直径为250±3％μm；光纤的温度范围为-190～380℃，透过光谱范围为400～2500nm，数值孔径(NA)为0.5；测量传感臂和参考传感臂的展直长度为2～3m,测量区的展直长度大约为50～60mm，测量区的前端大约为1～1.5m，测量区的后端长度大约为40～50mm；

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，膜厚度为450～500nm。金属膜可为铂金膜；

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；

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℃～30℃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；具体实施例中，锥底5的直径为60～65μm,锥顶4、6直径为120～125μm，腐蚀后光纤表面粗糙度为0.3～0.35；

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℃环境中干燥250～300小时。干燥后的聚酰亚胺二氧化硅杂化滤膜的厚度在8～10μm，孔径在0.1～0.45μm。

其中，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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。在具体实施例中，可选择它们的质量比为0.05:0.05:0.2:1:0.2:0.01。

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，生物膜厚度D_B可以描述为：

V_b为生物膜体积，为生物膜折射率；

K为传感器输出信号，K_f为参考传感臂特征参数；K_f是δ_f以及δ_f/Δ_f的函数；δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；K_s为测量传感臂特征参数，K_s是δ_s以及δ_s/Δ_s的函数，δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；η_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。

参见图1-图3，本发明的工作原理是：光在光纤传感器中的传输过程可描述为，外部光源发出的光由光纤的光输入端1进入光纤，进行正向传输；当光纤中的光传输到测量区时，部分光以倏逝波、折射和散射的方式从光纤表面逃逸，从而被外界环境介质吸收而衰减；被衰减的光进一步向前传输，当传输到半球状光纤尾端7时被金属膜8强反射，被反射的光再次在测量区域进行衰减，最后返回至光纤光输入端，即反向传输；采用光分离器将正向和反向传输的光进行分离，并采用光功率计探测正向传输光强即输入光强和反向传输光强即输出光强，可获得光纤中传输光强在测量区域的衰减量，从而获得外界环境变化信息。

利用本发明对生物膜厚度测量原理如下：

对于光纤倏逝波传感器，光纤中传输的光经过外界环境吸收后，输入和输出光强之间满足：

I_out＝I′_ine^-ξL (1)

(1)式中，I_out和I′_in和分别为输出光强和有效输入光强，ξ为外界环境对倏逝波的吸收系数即光衰减系数，L为测量区的展直长度。有效输入光强I′_in在表面粗糙光纤中的强度可描述为：

(2)式中，U_i为光在光纤输入端的入射角度，δ和Δ分别为腐蚀后光纤表面平均凹陷深度和孔径，x为测量区光纤的半径，I_in为表面光滑光纤的输入光强。当测量区制备成U形时，衰减系数ξ可以描述为：

ξ＝[ξ_eff(n)]_outer,1+[ξ_eff(n)]_inner,1 (3)

(3)式中，[ξ_eff(n)]_outer,1和[ξ_eff(n)]_inner,1分别表示倏逝波在U形区域内表面和外表面的吸收系数(如图2所示)。对于[ξ_eff(n)]_outer,1可以进一步描述为：

上式(4)中，α为外界环境的容积吸收系数，λ为入射光源的波长，n_x为光纤在U型区域半径为x处的折射率，且n_x可以描述为R为光纤半径；n_max为光纤轴线处的折射率，即光纤在R＝0处的折射率，n₁为光纤在半径为R处的折射率；r为光纤U型区域的弯曲半径，即图3中AO之间的距离；n为外界环境介质的折射率。参数K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),outer}为光束在U形区域外表面的常参数。

同样光束在U形区域的内表面的吸收系数[ξ_eff(n)]_inner,1也可以描述为：

上式(5)中，K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),inner}为光束在U形区域内表面的常参数。

在本发明中，传感器敏感区域为U形双通路双锥形光纤结构，因此，敏感区域的长度和衰减系数分别为2L和2ξ。因此，利用公式(1)、(3)、(4)和(5)，光纤通过外界环境，经过倏逝波衰减后，输出光强可描述为：

此外，因为生物膜折射率为1.330到1.355，而石英光纤包层的折射率约为1.450。因此，生物膜的折射率小于光纤U形区域的折射率，即利用泰勒展开，式(6)可以进一步简化为：

I_out＝I′_inη₁exp-(η₂n²) (7)

上式(7)中，η₁和η₂可以进一步描述为：

式(8)和式(9)中，β为锥顶与锥底之间的夹角；η₁为U形区域的一次常参数，η₂为U形区域的三次常参数；η₁和η₂的大小由生物膜内微生物细胞吸收系数α_b、生物膜内溶液的容积吸收系数α_l、入射光源波长λ、测量区展直长度L、光束在U形区域外表面的常参数K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),outer}、光束在U形区域内表面的常参数K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),inner}、测量区弯曲半径r和光纤在半径为x处的折射率n_x确定。从式(7)可以看出，当传感器U形区域结构参数R、L、β、r和δ/Δ为常数，K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),outer}和K′_{(R,L,β,r,δ/Δ),inner}为常数；同时当生物膜菌种确定后，α_b和α_l为常数；此外，当入射光源波长也确定后，λ为常数；此时，有效输出光强I_out为n的函数。生物膜由液体和微生物细胞镶嵌在生物膜胞外多糖中形成，因此，对于传感器测量传感臂，光纤外界环境折射率n可以描述为：

上式(10)中，V_b和n_b分别为微生物在生物膜内所占体积和生物膜折射率；V_l和n_l分别为液体在生物膜内所占体积及液相折射率。因此，利用式(2)、(7)和(10)，测量传感臂有效输出光强可进一步描述为：

上式(11)中，I_out,s表示传感器测量传感臂的输出光强；K_s为测量传感臂特征参数，K_s是δ_s以及δ_s/Δ_s的函数，δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；I_in表示表面光滑光纤的输入光强；η_1,s表示传感器测量传感臂光纤内部有效传输光强的修正系数，η_2,s表示测量传感臂U形区域的生物膜厚度灵敏度系数。

对于参考传感臂，由于参考传感臂表面涂覆了聚酰亚胺二氧化硅杂化微生物滤膜，因此，参考传感臂只响应液相浓度的变化情况，其输出光强可描述为：

上式(12)中，I_out,f表示传感器参考传感臂的输出光强；K_f为参考传感臂特征参数；K_f是δ_f以及δ_f/Δ_f的函数；δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；I_in表示表面光滑光纤的输入光强；η_1,f表示传感器参考传感臂光纤内部有效传输光强的修正系数，η_2,f表示传感器参考传感臂U形区域的生物膜厚度灵敏度系数。

根据式(11)和(12)，当参考传感臂与测量传感臂的参数δ/Δ、R、β和r相同时，传感器的最终输出信号可以表述为：

从式(13)可以看出，当参数δ/Δ、R、β、r和α为常数时，传感器输出信号参数K为生物膜体积V_b和生物膜折射率的函数。由此可以看出传感器输出信号不受液相浓度和成分变化的影响。此外生物膜厚度D_B和生物膜折射率与生物膜体积的乘积具有一一对应关系。因此，生物膜厚度D_B可以描述为：

根据式(13)和式(14)可以进一步将传感器输出信号表述为：

此外，经一步将式(15)进行泰勒展开，并取前两项可以得出：

从式(16)可以看出，传感器输出信号K只与生物膜厚度D_B有关，且传感器输出信号随着生物膜厚度的增加而增大。

参见图4和图5，利用U形双锥光纤生物膜传感器对不同培养条件下光合细菌PSBCQK-01生物膜生长过程进行在线测量。图4为标准培养基以标准流速连续供给下传感器输出信号与生物膜厚度之间的关系，图5为每隔24小时更换一次标准培养基，及生物膜序批次培养(标准培养基间断供给)下传感器输出信号与生物膜厚度之间的关系。从图中可以看出，在培养基连续供给下生物膜从细胞吸附到生物膜指数生长，最后到生物膜生长稳定的最大生物膜厚度为195μm。在培养基间断供给下生物膜从细胞吸附到生物膜指数生长，最后到生物膜生长稳定的最大生物膜厚度为172μm。

图4和图5中，传感器输出信号参数K由本申请发明专利在线测量得到，生物膜厚度D_B由光学显微镜时时测量得到。根据相关实验数据，图4中，传感器输出信号参数K与生物膜厚度D_B之间的关系可以进一步拟合为：K＝1E-05(D_B)²+0.0003D_B+1.0136(R²＝0.9914)。图5中，传感器输出信号参数K与生物膜厚度D_B之间的关系可以进一步拟合为：K＝1E-05(D_B)²+0.0009D_B+0.9947(R²＝0.9953)。从图4和图5可以看出，在生物膜生长整个过程，即从细胞吸附期到生物膜生长稳定，传感器输出信号与生物膜厚度之间有一一对应关系，且满足说明本发明专利能对生物膜生长全过程进行在线测量。此外，根据图4中获得的拟合曲线函数和图5中获得的拟合曲线函数的计算对比发现，在生物膜厚度0到195μm之间，计算结果的最大相对误差为6.3％，从而表明本发明专利能对生物膜生长全过程进行准确的测量。

Claims (8)

1.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，其特征在于：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，即锥顶直径大于锥底直径；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；

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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。

2.根据权利要求1所述的U形双锥光纤生物膜传感器，其特征在于：U形光纤的左、右臂均具有上大下小的锥度，即锥顶直径大于锥底直径；该左、右臂的锥顶直径为120～125μm；锥底直径为60～65μm。

3.根据权利要求2所述的U形双锥光纤生物膜传感器，其特征在于：聚酰亚胺二氧化硅杂化虑膜厚度为8～10μm。

4.U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

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；

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；

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；

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℃～30℃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，即锥顶直径大于锥底直径；

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℃环境中干燥250～300小时。

5.根据权利要求4所述的U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法，其特征在于：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):(0.5～1.5):(0.1～0.3):(0.005～0.015)的比例构成。

6.根据权利要求4或5所述的U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法，其特征在于：聚酰亚胺二氧化硅杂化虑膜厚度为8～10μm，孔径为0.1～0.45μm。

7.根据权利要求6所述的U形双锥光纤生物膜传感器的制备方法，其特征在于：金属膜为铂金膜，铂金膜厚度为450～500nm。

8.利用权利要求1或2或3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，其特征在于：

生物膜厚度D_B可以描述为：

<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>b</mi> </msub> <msubsup> <mi>n</mi> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

V_b为生物膜体积，为生物膜折射率；

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mi>f</mi> </msub> <msub> <mi>K</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>

K为传感器输出信号，K_f为参考传感臂特征参数；K_f是δ_f以及δ_f/Δ_f的函数；δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_f是参考传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；K_s为测量传感臂特征参数，K_s是δ_s以及δ_s/Δ_s的函数，δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷深度，Δ_s是测量传感臂测量区光纤表面的平均凹陷直径；η_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。