CN105675497B - 一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于重金属离子检测设备范围，特别涉及一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统。该检测系统由光源模块(1)、传输模块(2)、样品加载和探测模块(3)、传输模块(2)、光电探测模块(4)依次连接组成；该系统采用光纤通讯中的波分复用技术及新型荧光染料量子点，无需采用光环路器将两路光路分离；本发明可实现多种重金属离子同步快速检测，并实现仪器小型化，便携化，兼具远端探测、实时分析、现场检测和动态监测能力；降低了仪器成本；该系统可实现溶液中多种重金属离子的同时快速检测，在环境监测、工业污水处理、土壤重金属污染、食品卫生检测、医学应用等领域具有广泛应用。

Description

一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统
技术领域
本发明属于重金属离子检测设备范围，特别涉及一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统。
背景技术
重金属元素造成的污染由于具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点，已成为危害最大的环境污染源之一。准确、及时测定环境、废水及食品等载体中的重金属污染物(重金属离子的形式)浓度，是重金属污染治理的关键。重金属离子的常规分析方法主要有光谱法、色谱法、电化学法、生物检测法、快速检测法等[1]。近几年，国家环境保护部先后出台了一系列的水质中重金属离子检测法的标准，这些标准都是基于已经成熟的光谱法，如显色剂络合反应分光光度法[2]、原子吸收分光光度法[3]、原子荧光光谱法[4]、电感耦合等离子体质谱法[5]等等。目前，成熟的重金属离子检测仪器造价昂贵，结构复杂，一台仪器通常只能针对一种重金属污染物进行检测。针对现用的重金属离子监测仪器的缺点，一些实验室开发了基于电化学分析方法[6,7]和生物化学分析方法[8,9]的仪器，这些仪器检测速度快、仪器便携，有利于实现现场快速检测，但是灵敏度和准确性较低，检测重金属离子的种类有限。因此，开发简便、快速、高效的分析设备对于水中重金属污染物监测具有重要意义。
量子点是新型的荧光纳米材料，不同材料合成的量子点或不同表面配体基团的量子点在重金属离子环境中具有荧光猝灭或增强效应。将量子点与光纤结合构成稳定的荧光探针，可用于现场、实时检测水中重金属离子。将金属纳米颗粒增强荧光技术与光纤、量子点结合，以提高水中重金属离子浓度检测极限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统,其特征在于，该检测系统由光源模块1、传输模块2、样品加载和探测模块3、传 输模块2、光电探测模块4依次连接组成；其中，光源模块1由宽带光源1-1和波分复用器1-2构成，用于提供量子点荧光激发所需输出光；传输模块2由光学连接器件2-1和传输光纤2-2组成，用于系统中光路传输；样品加载和探测模块3由样品池3-1、蠕动泵3-2和探测光纤3-3组成，其中探测光纤为采用管腐蚀法或抛磨法制成的D型光纤，在其中裸露一侧的芯区部分进行了活性化处理，利用基团间的共价结合作用，实现量子点与光纤的结合；光电探测模块4由滤光片4-1、光纤准直器4-2和光电探测器及外围电路4-3组成；其中滤光片4-1用来滤除量子点的激发光，光纤准直器4-2用于把量子点发射的荧光信号准直后送入光电探测器及外围电路4-3进行检测；光电探测器及外围电路4-3中光电探测器采用光电二极管或光电倍增管，用于把从所述光纤准直器4-2输入的荧光信号转换为电信号。
所述宽带光源为白光激光器或其他涵盖紫外和可见光波段的超宽带光源半导体激光器。
所述波分复用器为光栅型或干涉膜滤波器型解复用器件，用于从宽带光源中分离出探针上所结合量子点的最佳激发波段。
所述光学连接器件2-1采用标准可拆卸的FC、SC或ST型光纤连接器。
所述传输光纤采用单模或者多模光纤。
所述宽带光源1-1输出的光通过波分复用器1-2提取出对应不同量子点的最佳激发波长波段的激发光，激发光通过光学连接器件2-1耦合进传输光纤2-2中，再通过右端光学连接器件2-1耦合进探测光纤3-3中，在探测光纤3-3的传感区域表面附近产生倏逝波，激发结合在传感区域表面的量子点发出荧光。
所述探测光纤3-3的传感区域由在D型光纤侧表面上固定有不同量子点的光纤阵列构成，不同量子点对某种重金属离子具有特异性荧光猝灭的作用；在检测过程中，表面带有醛基基团的光纤探针与表面进行过氨基基团修饰的量子点通过基团间的共价进行结合，构成用于检测重金属离子的光纤探针。
本发明的有益效果是与其他激发光路和荧光光路在探测光纤同侧的系统相 比，该系统采用光纤通讯中的波分复用技术及新型荧光染料量子点，无需采用光环路器将两路光路分离，降低了仪器成本；可实现多种重金属离子同步快速检测，并实现仪器小型化，便携化，兼具远端探测、实时分析、现场检测和动态监测能力。该系统可实现溶液中多种重金属离子的同时快速检测，在环境监测、工业污水处理、土壤重金属污染、食品卫生检测、医学应用等领域具有广泛应用。
附图说明
图1为同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统示意图。
图2为光源模块1示意图。
图3为传输模块2示意图。
图4为样品加载和探测模块3示意图。
图5为光电探测模块4示意图。
具体实施方式
本发明提出一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统，下面结合附图予以说明。
图1所示为同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统示意图。该检测系统由光源模块1、传输模块2、样品加载和探测模块3、传输模块2、光电探测模块4依次连接组成。其中，光源模块1由宽带光源1-1和波分复用器1-2连接构成(如图2所示)；传输模块2含有光学连接器件2-1和传输光纤2-2(如图3所示)；样品加载和探测模块3含有样品池3-1、蠕动泵3-2、探测光纤3-3(如图4所示)；光电探测模块4含有滤光片4-1、光纤准直器4-2和光电探测器及外围电路4-3(如图5所示)。
由图2可知，宽带光源1-1输出的光通过波分复用器1-2提取出对应不同量子点的最佳激发波长波段的激发光，激发光通过图3中左端的光学连接器件2-1耦合进传输光纤2-2中，再通过右端光学连接器件2-1耦合进图4探测光纤3-3中，在探测光纤3-3的传感区域表面附近产生倏逝波，激发结合在传感区域表面的量子点发出荧光。
探测光纤3-3的传感区域由在D型光纤侧表面上固定有不同量子点的光纤阵列构成，不同量子点对某种重金属离子具有特异性荧光猝灭的作用。检测过程中，表面带有醛基基团的光纤探针与表面进行过氨基基团修饰的量子点通过基团间的共价进行结合，构成用于检测重金属离子的光纤探针。
在图4所示蠕动泵3-2的作用下，样品被吸入样品池3-1。当样品中的待测重金属离子作用于量子点表面时，将引起量子点发光效应改变，这种发光效应改变用荧光强度来表示，并与重金属离子浓度存在函数关系。部分量子点发射的荧光耦合回探测光纤3-3，并通过图3所示左端光学连接器件2-1耦合进传输光纤2-2中，从传输光纤2-2的另一端出射。图5所示的滤光片4-1滤除传输过来的激发光，透过量子点发射的荧光，通过光纤准直器4-2把荧光信号准直后送入光电探测器及外围电路4-3进行检测。
通过上述过程，利用光纤阵列上量子点荧光强度与重金属离子浓度之间的对应关系，可以实现多种重金属离子同时快速检测。
实施例：
本实施例为一种同时快速检测Pb2+和Cu2+的光纤传感系统，如图3所示，在样品加载和探测模块3中采用两路探针时，可实现两种重金属离子同时快速检测。由图1可知，为实现溶液中Pb2+和Cu2+离子同时快速检测，该检测系统由光源模块1、传输模块2、样品加载和探测模块3、传输模块2、光电探测模块4依次连接组成。
1.光源模块
采用波段在380-780nm的白光激光器作为宽带光源，波分复用器采用镀膜技术，从白光激光器中提取出波长为380nm和波长为455nm的特殊波段，分别对应光纤探针①和光纤探针②上结合的量子点的最佳激发波长。
2.探测光纤制作
谷胱甘肽(GSH)包裹的CdZnSe量子点对Pb2+的特异性荧光猝灭作用，可实现水中Pb2+的检测；二乙基二硫代氨基甲酸酯(DDTC)功能化的CdSe/CdS核壳 量子点对Cu2+具有特异性荧光猝灭的作用，可实现水中Cu2+检测。
首先将光纤探针①、②进行活化，使两者表面均带有醛基基团。同时，将上述两种量子点表面进行氨基基团修饰，通过基团间的共价结合作用，将谷胱甘肽(GSH)包裹的CdZnSe量子点与光纤探针①结合，将二乙基二硫代氨基甲酸酯(DDTC)功能化的CdSe/CdS核壳量子点与光纤探针②结合，分别构成用于检测Pb2+和Cu2+两种重金属离子的光纤探针。光纤探针①和光纤探针②上所结合量子点发射的荧光信号的中心波长分别为550nm和557nm。利用D型光纤侧面构成光纤探针，与其他锥形光纤探针相比，在保证光纤荧光作用面积的基础上，提高了探针对复杂环境的适应能力。
3.光电探测模块
光信号转换结构包含图5所示长通滤光片4-1,光纤准直器4-2和光电二极管及外围电路4-3。其中两路长通滤光片4-1截止波长分别为442nm和532nm，其输入输出端都采用多模光纤。它们的输入端分别通过图3所示传输模块与图4中光纤探针①、②输出端相连。光纤准直器4-2的中心波长均为650nm，工作距离均为50mm,所采用的光纤均为多模光纤,将它们的光纤输入端分别连接滤光片4-1的输出端。
光电二极管及外围电路4-3中的光电二极管的波长响应范围均为380-1150nm。将光纤准直器4-2发射出来的平行光束分别垂直射入光电二极管4-3的光敏面。
传输模块2中的光纤连接器件2-1均采用FC/PC型光纤连接器。
探测时，使用蠕动泵3-2将样品吸入样品池3-1中。当样品中的Pb2+和Cu2+分别作用于结合在探针①、②上的量子点表面时，将引起量子点发射出的荧光强度发生变化，通过光电二极管及外围电路4-3即可获得相应的荧光信号，实现Pb2+和Cu2+两种重金属离子同时快速检测。
从上述内容可以说明本发明具有如下特点：
1.提高了荧光激发功率。采用宽带光源和波分复用器组合模式代替了常用 的单一波长激光光源和光纤耦合器的光源模式，不仅提高了荧光激发功率，而且可以实现多种重金属离子的同时快速检测。
2.适用于复杂液体环境检测。采用D型光纤作为探测光纤，与常用的锥柱形光纤相比，在不降低探测面积的情况下，保留了探针部位的包层和保护层，提高了探针坚硬程度，适用于复杂液体环境中重金属离子检测。
3.提高了样品利用率。不同探针样品之间不存在相互干扰问题，采用样品池相互连通设计，样品可在不同样品池间流动，提高了样品利用率。
4.降低了仪器成本。量子点激发光路和荧光光路分别在探测光纤两端，与其他激发光路和荧光光路在探测光纤同侧的系统相比，无需采用光环路器将两路光路分离，降低了仪器成本。
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Claims (3)

1.一种同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统,其特征在于，该检测系统由光源模块(1)、第一个传输模块(2)、样品加载和探测模块(3)、第二个传输模块(2)、光电探测模块(4)依次串联连接组成；其中，光源模块(1)由宽带光源(1-1)和波分复用器(1-2)构成，用于提供量子点荧光激发所需输出光；其中，波分复用器为光栅型或干涉膜滤波器型解复用器件，用于从宽带光源中分离出探针上所结合量子点的最佳激发波段；传输模块(2)由光学连接器件(2-1)和传输光纤(2-2)组成，用于系统中光路传输；样品加载和探测模块(3)由样品池(3-1)、蠕动泵(3-2)和探测光纤(3-3)组成，其中探测光纤为采用管腐蚀法或抛磨法制成的D型光纤，在其中裸露一侧的芯区部分进行了活性化处理，利用基团间的共价结合作用，实现量子点与光纤的结合；光电探测模块(4)由滤光片(4-1)、光纤准直器(4-2)和光电探测器及外围电路(4-3)组成；其中滤光片(4-1)用来滤除量子点的激发光，光纤准直器(4-2)用于把量子点发射的荧光信号准直后送入光电探测器及外围电路(4-3)进行检测；光电探测器及外围电路(4-3)中光电探测器采用光电二极管或光电倍增管，用于把从所述光纤准直器(4-2)输入的荧光信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统,其特征在于，所述宽带光源(1-1)输出的光通过波分复用器(1-2)提取出对应不同量子点的最佳激发波长波段的激发光，激发光通过光学连接器件(2-1)耦合进传输光纤(2-2)中，再通过右端另一光学连接器件(2-1)耦合进探测光纤(3-3)中，在探测光纤(3-3)的传感区域表面附近产生倏逝波，激发结合在传感区域表面的量子点发出荧光。
3.根据权利要求1所述同时快速检测多种重金属离子的光纤传感系统,其特征在于，所述探测光纤(3-3)的传感区域由在D型光纤侧表面上固定有不同量子点的光纤阵列构成，不同量子点对某种重金属离子具有特异性荧光猝灭的作用；在检测过程中，表面带有醛基基团的光纤探针与表面进行过氨基基团修饰的量子点通过基团间的共价进行结合，构成用于检测重金属离子的光纤探针。
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