CN112444503A - 一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，它包括ASE光源、光纤耦合器、传感单元、铜离子/细菌容纳装置、光电转换器、信号处理模块。本发明专利通过光纤进行传感，利用法珀腔原理，使ASE光源发出的光在法珀腔中产生干涉光谱，通过对干涉光谱的检测，测量铜离子/细菌，并且通过信号处理模块，实现数字输出，达到可以在计算机上显示的目的。本发明降低了传感单元的尺寸，增加了传感的灵敏度，降低了不同参量的交叉影响，实现了同时监测铜离子/细菌的目的。同时可以在主机上输出，实现了对铜离子/细菌的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于生物传感监测领域，具体涉及一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法。
背景技术
目前，生物传感系统的发展逐渐完善，生物系统的监测装置也随之越来越完善，其中在生物系统中，铜离子/细菌都会对生物系统具有十分高的影响，对生物系统的铜离子/细菌监测十分重要。目前，采用光学方法实现对铜离子/细菌监测的装置和方法有很多。
例如T.Liu等人(T.Liu,C.Zhang,S.Wang,J.Jiang,K.Liu,X.Zhang,X.Wang,Simultaneous Measurement of Pressure and Temperature Based on A djustableLine Scanning Polarized Low-Coherence Interferometry With Compens ationPlate，IEEE Photonics Journal,2018,10(4),1-9.)提出了一种基于法珀腔原理的测量温度和压力的光学传感装置，通过双法珀腔的设计，实现了两个参量的测量；Xujie Su等人(Xujie Su,Yujie Han,Zhiguang Liu,Lifang Fan Yujing Guo,One-pot synthesizedAuNPs/二硫化钼/rGO nanocomposite as sensitive el ectrochemical aptasensingplatform for nucleolin detectionJoumal of Electroanaly tical Chemistry,2020,859,113868.)提出了用一种方法来实现AuNPs/二硫化钼/rGO复合材料的制备；W.Li等人(W.Li,Y.Yuan,J.Yang,L.Yuan,In-fiber integrated high sensitivity temperaturesensor based on long Fabry-Perot resonat or,Optics Express,2019,27(10):14675-14683.)提出了一种用两根涂有金膜的光子晶体光纤熔接成法珀腔，通过法珀腔长度的变化，进行温度的测量；Z.Di ng等人(Z.Ding,Y.Du,T.Liu,K.Liu,B.Feng,J.Jiang,Distributed optical fiber铜rrent sensor based on magnetostriction in OFDR,IEEE Photonics Tech nology Letters,2015,27(19),2055-2058.)提出了磁致伸缩Fe-Co-V合金附着在光子晶体光纤上，电流产生磁场变化时薄膜发生应变变化，通过测量OFDR的R BS谱移测量应变变化，进而进行电流测量；Li Han Chen等(Wenjie Zhu,Jin gxuanWang,Di Wu,Xitong Li,Yongming Luo,Caiyun Han,Wenhui Ma&S ufang HeInvestigating the Heavy Metal Adsorption of Mesoporous Silica Mate rialsPrepared by Microwave Synthesis Nanoscale Research Letters volume 2017,12,323)提出了一种合成介孔二氧化硅的方法，并对重金属离子的吸附效果进行了研究。
虽然上述研究者采用法珀腔原理测量温度，或者利用磁致伸缩材料与光纤布拉格光栅结合测量电流磁场，虽然测装置在安全性、测量范围、测量精度以及装置的便携度上有了很大的改善；但是，并没有同时监测双参量或者本身接结构以及材料均不存在显著优势，而且由于温度和压力都在同一零件上产生变化，同时测量会产生交叉影响；T.Liu等人测量参量不是同时进行；Xujie Su采取的制备方法复杂；H.Zhao等人所采用的巨磁致伸缩材料是利用环氧树脂粘在光线布拉格光栅上，粘结剂影响材料的灵敏度，进而影响监测的灵敏度，而且磁路的设置减小了装置的便携性；W.Li等人采用两根光纤熔接的方式，由于折射率不能完全相同，对干涉信号有影响，影响测量精度；Li Han Chen选取的材料敏感性低。
因此针对现有技术的灵敏度不高、长期运行稳定性差、易产生交叉影响、不能同时测量双参量等问题，提出了一种灵敏度高、稳定性好、可同时监测铜离子/细菌双参量光纤传感器装置和方法。
发明内容
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、铜离子/细菌容纳装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括光子晶体光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)，其中：
光子晶体光纤(3-1)和硅膜片(3-5)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为20nm，硅膜片(3-5)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为硅膜片(3-5)的厚度40μm；
掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)使用CVD方法制备而成，在制备过程当中选择循环通入氮气，作为保护，以免掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)与其反应，最后高压定形；
传感单元(3)中光子晶体光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)；
传感单元(3)中掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)使用的材料为掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，二氧化硅纳米管的制备方法如下：
在二氧化硅衬底上用电子束蒸发器沉积钼层，然后将衬底放置在管式炉的中心，纯硫被放置在同一石英管中的逆风低温区，石英管首先保持在高纯度氮气的流动保护气氛中，经过氮气吹扫30分钟后，炉内温度在40分钟内从室温逐渐升高到500℃，然后在90分钟内温度从500℃升高到800℃，并保持不变，在800℃冷却10分钟后，在120分钟冷却到室温，二硫化钼层的厚度取决于预沉积的钼的厚度；
用氧化石墨烯(RGO)、环氧丙烷-3、4、9、10四羧酸四钠盐(TPAS)或环氧丙烷-3，4，9，10四羧基二酐(PTCDA)对二氧化硅/硅衬底进行涂覆，将三氧化钼粉末置于陶瓷容器中，预处理的二氧化硅/硅衬底正面放在容器的顶部；在三氧化钼粉末旁边放置一个单独的含硫粉末的陶瓷容器，可以将星形二硫化钼合并成一个连续的二硫化钼薄膜，其横向尺寸可达2mm再利用化学方法掺入银、金并将材料进行切割，切成宽为20nm的矩形二维材料；
按质量分数，称取6份的碲纳米线加入到含有60份无水乙醇的烧杯中，磁力搅拌1小时使得分散均匀；按质量分数，将20份体积比为1：11的正硅酸乙/无水乙醇混合溶液逐滴滴加到溶液中；滴加完毕后，将上述体系遮光搅拌5小时；搅拌结束后在温度80度，压力0.3Mpa下减压蒸馏50分钟；将所得的浆料进行烘干和高温煅烧后，得到二氧化硅纳米管(3-4)材料；
部件的放置位置包括将硅膜片(3-5)和掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯(3-2)放置在掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)上面，将玻璃插芯(3-2)与硅膜片(3-5)和掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)的中心对齐；
传感单元(3)的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)密封，之后将切割平整的光子晶体光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时。
一种监测铜离子/细菌的双参量光纤传感装置及实现方法，特征在于，ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在铜离子/细菌容纳装置(4)中时，传感单元(3)在铜离子/细菌容纳装置(4)中的掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)、二氧化硅纳米管(3-4)由于吸附效果使材料整体厚度发生变化，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，硅法珀腔发生变化，影响硅法珀腔的反射光程，产生光的干涉，干涉光通过光子晶体光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
进一步地，所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
进一步地，所述信号处理模块(6)由光电转换器(6)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
结构发明：一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现对铜离子和细菌的同时测量，可以同时监测生物系统的铜离子/细菌，结构方便简单，大大减少了检测设备沉重和需要检测设备多的问题。
本发明中铜离子/细菌的变化对掺杂银、金、二维二硫化钼材料和二氧化硅纳米管复合结构的影响，直接对导致法珀腔长的变化，与粘结剂无关，提高了测量的灵敏度，本发明实施后测量的灵敏度提高30％。
本发明中对铜离子的测量和对细菌的测量互不影响，交叉影响的可能性小，增加了测量的准确性、长期运行稳定性，本发明实施后，长期运行的稳定性提高40％。
附图说明
图1为一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的结构图。
图2为一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的传感单元结构图。
图3为一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的信号处理模块细节图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的结构图，ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在铜离子/细菌容纳装置(4)中时，传感单元(3)在铜离子/细菌容纳装置(4)中的掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)发生厚度上的变化，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过光子晶体光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
如图2所示，为本发明提供一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的传感单元结构图，传感单元(3)中光子晶体光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)、硅膜片(3-5)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)，传感单元(3)中由硅膜片(3-5)的内表面、光子晶体光纤(3-1)端面、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，二氧化硅纳米管(3-4)和空气为空气法珀腔，检测铜离子/细菌数量的变化，硅膜片(3-5)自身构成硅法珀腔，检测温度的变化；其检测机理为，当光传输到光子晶体光纤(3-1)中时，光在硅膜片(3-5)的内表面产生反射和透射，由于掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，二氧化硅纳米管(3-4)的作用，空气法珀腔发生变化，反射光的光程发生变化形成干涉，产生干涉光谱，进而测量铜离子/细菌数量，硅膜片(3-5)的内表面产生的透射光，在硅膜片(3-5)中产生反射光。
如图3所示，为本发明提供一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法的信号处理模块细节图。信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。实现主机(6-4)输出，进行实时监测。
Claims (5)
1.一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于：它包括ASE光源(1)、光纤耦合器(2)、传感单元(3)、铜离子/细菌容纳装置(4)、光电转换器(5)、信号处理模块(6)；
所述传感单元(3)包括光子晶体光纤(3-1)、玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)，其中：
光子晶体光纤(3-1)和硅膜片(3-5)内表面形成空气法珀腔，并且此空气法珀腔的腔长约为20nm，硅膜片(3-5)自身构成硅法珀腔，硅法珀腔的腔长为硅膜片(3-5)的厚度40μm；
掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)使用CVD方法制备而成，在制备过程当中选择循环通入氮气，作为保护，以免掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)与其反应，最后高压定形；
传感单元(3)中光子晶体光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)中，玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)依次叠放并粘结并封装后构成传感单元(3)；
传感单元(3)中掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)使用的材料为掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)，二氧化硅纳米管的制备方法如下：
在二氧化硅衬底上用电子束蒸发器沉积钼层，然后将衬底放置在管式炉的中心，纯硫被放置在同一石英管中的逆风低温区，石英管首先保持在高纯度氮气的流动保护气氛中，经过氮气吹扫30分钟后，炉内温度在40分钟内从室温逐渐升高到500℃，然后在90分钟内温度从500℃升高到800℃，并保持不变，在800℃冷却10分钟后，在120分钟冷却到室温，二硫化钼层的厚度取决于预沉积的钼的厚度；
用氧化石墨烯(RGO)、环氧丙烷-3、4、9、10四羧酸四钠盐(TPAS)或环氧丙烷-3，4，9，10四羧基二酐(PTCDA)对二氧化硅/硅衬底进行涂覆，将三氧化钼粉末置于陶瓷容器中，预处理的二氧化硅/硅衬底正面放在容器的顶部；在三氧化钼粉末旁边放置一个单独的含硫粉末的陶瓷容器，可以将星形二硫化钼合并成一个连续的二硫化钼薄膜，其横向尺寸可达2mm再利用化学方法掺入银、金并将材料进行切割，切成宽为20nm的矩形二维材料；
按质量分数，称取6份的碲纳米线加入到含有60份无水乙醇的烧杯中，磁力搅拌1小时使得分散均匀；按质量分数，将20份体积比为1：11的正硅酸乙/无水乙醇混合溶液逐滴滴加到溶液中；滴加完毕后，将上述体系遮光搅拌5小时；搅拌结束后在温度80度，压力0.3Mpa下减压蒸馏50分钟；将所得的浆料进行烘干和高温煅烧后，得到二氧化硅纳米管(3-4)材料；
部件的放置位置包括将硅膜片(3-5)和掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)按顺序叠放在高温加热台上，将外径为3mm的玻璃插芯(3-2)放置在掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)上面，将玻璃插芯(3-2)与硅膜片(3-5)和掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)的中心对齐；
传感单元(3)的具体制备过程包括部件的尺寸选择、部件的分割、部件的放置位置、部件的封装；
部件的封装包括使用粘结剂将玻璃插芯(3-2)、掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)、硅膜片(3-5)密封，之后将切割平整的光子晶体光纤(3-1)插入玻璃插芯(3-2)的合适位置，使用紫外胶进行预固定，之后再用环氧树脂进行完全的固定，静置48小时。
2.一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
ASE光源(1)发出光束传输至光纤耦合器(2)，光纤耦合器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中进行反射和透射，当传感单元(3)放置在铜离子/细菌容纳装置(4)中时，传感单元(3)在铜离子/细菌容纳装置(4)中的掺杂银、金、二维二硫化钼材料(3-3)和二氧化硅纳米管(3-4)厚度发生变化，空气法珀腔发生变化，影响反射光的光程，进而产生光的干涉，干涉光通过光子晶体光纤(3-1)返回至光纤耦合器(2)并通过光纤耦合器(2)传输至光电转换器(5)中，光电转换器(5)产生模拟信号并传输至信号处理模块(6)中进行数据处理。
3.根据权利要求2所述的一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
4.根据权利要求2所述的一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于：
所述信号处理模块(6)包括A/D模块(6-1)、数据缓冲模块(6-2)、IIC串口(6-3)、主机(6-4)依次相连。
5.根据权利要求2所述的一种监测铜离子/细菌双参量光纤传感装置及实现方法，其特征在于：所述的信号处理模块(6)由光电转换器(5)产生的模拟信号进入信号处理模块(6)中，通过信号处理模块(6)中的A/D模块(6-1)进行模拟信号与数字信号的转换，将其输出的数字信号输入到数据缓冲模块(6-2)进行数字信号的缓存，之后信号经过IIC串口(6-3)传输到主机(6-4)，并在主机(6-4)中显示数据。
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