CN114088670A - 一种自参比比率荧光pH传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自参比比率荧光pH传感器，属于酸碱度pH测量技术领域。本传感器由荧光pH检测头、光纤耦合模块和检测电路构成，荧光pH检测头通过光纤耦合模块和检测电路连接，荧光pH检测头上镀有能够感应酸碱度pH值的pH敏感材料，pH敏感材料由羟基芘磺酸及其衍生物制成。本发明具有结构简单、抗干扰、检测范围大、测量精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于酸碱度pH测量技术领域，特别涉及一种自参比比率荧光pH传感器。
背景技术
pH值的测量在生命科学、医学、化学化工、农业、环境保护等众多领域有着广泛应用。目前测量pH最常见的方法是使用pH玻璃电极和pH试纸。pH试纸虽然使用方便、价格便宜，但是pH试纸测量精度低，无法连续测量溶液的pH。pH玻璃电极使用方便、价格适中，并且能实现连续测量溶液的pH，因此近几十年来得到了广泛使用。随着科学技术的不断发展，非接触式测量pH近年来受到了人们的广泛关注。非接触式pH测量方法由于可以避免二次污染，被广泛应用于生物发酵罐、一次性生物反应袋、多孔板、微流控芯片、摇瓶、产品质量控制和食品安全等领域。非接触式pH的测量主要通过测量具有pH响应能力的指示剂或荧光探针的光信号变化来实现。基于pH指示剂的非接触式测量方法容易受溶液颜色和外界光的干扰，测量精度通常较低。而基于荧光探针的非接触式测量方法可有效避免以上问题，实现高精度pH测量。但由于荧光强度是一个相对值，不同的仪器、操作人员、仪器设置参数和溶液特性所得到的荧光强度差异很大。为了克服这一难题，人们通常采用两种荧光染料的荧光强度比值进行参比测量。但由于不同荧光染料的光稳定性差异较大，在连续测量时，荧光染料不同的光漂白速率导致参比基准在不断的变化，仪器测量到的信号漂移严重，难以进行准确、连续的pH测量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自参比、高精度的比率荧光pH传感器。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种自参比比率荧光pH传感器，由荧光pH检测头、光纤耦合模块和检测电路构成，所述的荧光pH检测头通过光纤耦合模块和所述的检测电路连接，所述的荧光pH检测头上镀有能够感应酸碱度pH值的pH敏感材料，所述的pH敏感材料由羟基芘及其衍生物制成。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的pH敏感材料是由羟基芘及其衍生物可通过物理包埋或者共价连接的方式固定在聚合物上而得到，所述的pH敏感材料的紫外可见吸收光谱具有双特征吸收峰：第一特征吸收峰位于405±20nm，第二特征吸收峰位于460±20nm；所述的pH敏感材料的荧光发射光谱峰位于510±20nm。在第一特征吸收峰激发pH荧光探针，其荧光强度随待测液的pH值的升高而降低；在第二特征吸收峰激发pH荧光探针，其荧光强度随待测液的pH值的升高而升高。通过分别记录在两个特征吸收峰处激发出的两个不同荧光强度信号，并进行数学除法运算，得到与pH相关的比率荧光信号。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的荧光pH检测头是由光纤端部去除有机包层之后镀上pH敏感材料形成的pH敏感探头，或者所述的荧光pH检测头是由透明薄片上涂覆pH敏感材料形成的pH敏感贴片。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的检测电路包括：由第一激发光滤光片、第一激发光源和第一驱动电路构成的第一激发光电路，由第二激发光滤光片、第二激发光源和第二驱动电路构成的第二激发光电路，由荧光滤光片、光电池、滤波器、信号放大器构成的荧光信号采集电路，微处理器和传输接口；所述的微处理器先后通过第一激发光电路和第二激发光电路产生激发光信号，通过光纤耦合模块传输至荧光pH检测头产生对应的两个荧光信号，两个荧光信号通过光纤耦合模块传输至荧光信号采集电路转换为电信号输送给微处理器进行数据处理。通过测量传感器在标准pH溶液(pH3-10)中所得到的比率荧光信号值与pH的对应关系，可绘制出传感器的校准曲线并记录在仪器中。在实际pH测量时，将传感器的荧光pH检测头置于待测溶液中，传感器会自动测量比率荧光信号值，将测量到的比率荧光信号值代入校准曲线中进行比较，即可得待测溶液的pH并在屏幕上显示出来。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，光纤耦合模块包括第一光纤、光纤耦合器、第二光纤、第三光纤和第四光纤，所述的第一光纤的两端分别对应连接光纤耦合器和荧光pH检测头，所述的第二光纤的两端分别对应连接光纤耦合器和第一激发光滤光片，所述的第三光纤的两端分别对应连接光纤耦合器和荧光滤光片，所述的第四光纤的两端分别对应连接光纤耦合器和第二激发光滤光片。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的第一激发光源和第二激发光源均为发光二极管LED或者激光二极管LD，所述的第一激发光源的波长范围为蓝紫色320-430nm，所述的第二激发光源的波长范围为蓝色430-490nm。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的第一激发光滤光片的透光波长范围为320-430nm；所述的第二激发光滤光片的透光波长范围为430-500nm；所述的荧光滤光片的透光波长范围为500-600nm。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的传输接口包括系统IO接口和数据接口。为了使检测结果更加准确可靠，本自参比比率荧光pH传感器还可以配置温度和盐度检测电路，并通过获得不同温度、盐度时的pH校准曲线，对采集到的数据进行温度和盐度补偿。
在上述的自参比比率荧光pH传感器中，所述的微处理器预设有规律变化的编码信号，所述的微处理器先后通过第一驱动电路驱动第一激发光源和通过第二驱动电路驱动第二激发光源产生有规律变化的激发光信号。通过在微处理器中预设规律变化的编码信号，能够减少或者避免环境光对荧光pH响应信号的干扰，从而提高检测的准确性。
与现有技术相比，本自参比比率荧光pH传感器具有以下优点：
1、传感器结构简单，设计简化，信号处理方便，价格便宜；
2、非接触式pH测量，易于消毒，并能在密闭环境中进行溶液pH的连续测量；
3、传感器尺寸可实现小型化；
4、不受荧光探针浓度、光漂白和老化影响，受环境光干扰小；
5、传感器信号动态范围大，测量精度高。
附图说明
图1是实施例中自参比比率荧光pH传感器的结构示意图。
图2是实施例中羟基芘衍生物的化学结构。
图3是实施例中制备的pH敏感材料在pH为3、6、9时的吸收光谱图。
图4是实施例中制备的pH敏感材料在pH为3、6、9时的荧光光谱图，激发光波长405nm。
图5是实施例中制备的pH敏感材料在pH为3、6、9时的荧光光谱图，激发光波长460nm。
图6是实施例中自参比比率荧光pH传感器的典型校准曲线。
图中，1、荧光pH检测头；2、光纤耦合模块；2a、第一光纤；2b、光纤耦合器；2c、第二光纤；2d、第三光纤；2e、第四光纤；3、检测电路；3a1、第一激发光滤光片；3a2、第一激发光源；3a3、第一驱动电路；3b1、第二激发光滤光片；3b2、第二激发光源；3b3、第二驱动电路；3c1、荧光滤光片；3c2、光电池；3c3、滤波器；3c4、信号放大器；3d、微处理器；3e、传输接口，
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一：
如图1所示，本自参比比率荧光pH传感器由荧光pH检测头1、光纤耦合模块2和检测电路3构成，荧光pH检测头1通过光纤耦合模块2和检测电路3连接。
本实施例的荧光pH检测头1直接采用在光纤端部去除有机包层之后镀上能够感应酸碱度pH值的pH敏感材料制成,具体如下：
1、制备pH敏感材料：分别称取20mg C18H37疏水烷烃修饰的羟基芘衍生物和2g聚酰亚胺水凝胶，溶解在18g乙醇中，得到10％的染料-聚合物溶液。本实施例中采用的羟基芘衍生物的化学结构如图2所示，R为疏水性基团或带有可共价连接聚合物的活性基团。
经过疏水化修饰的羟基芘衍生物不易溶于水，因此避免了探针容易泄漏的问题；制得的pH敏感材料的紫外可见吸收光谱具有双特征吸收峰：第一特征吸收峰位于405±20nm，第二特征吸收峰位于460±20nm；pH敏感材料的荧光发射光谱峰位于510±20nm。
2、制备荧光pH检测头1：取直径2mm塑料光纤一根，去除光纤塑料保护层，露出光纤纤芯后，将光纤纤芯前5mm浸入配置的染料-聚合物溶液中，抽提5次后取出，于室温下晾干得到具有pH响应的荧光pH检测头1。本实施例中的荧光pH检测头1可直接与制备的pH传感检测装置相连接，进行接触式的pH测量。
光纤耦合模块2包括第一光纤、光纤耦合器2b、第二光纤2c、第三光纤2d和第四光纤2e。第一光纤采用直径为2mm的塑料光纤，其一端直接采用上述方法制成荧光pH检测头1，另一端和光纤耦合器2b连接。第二光纤2c采用直径为500μm的塑料光纤，其一端固定在第一激发光滤光片3a1前方，另一端导入光纤耦合器2b；第三光纤2d采用直径为500μm的塑料光纤，其一端固定在荧光滤光片3c1前方，另一端导入光纤耦合器2b；第四光纤2e采用直径为500μm的塑料光纤，其一端固定在第二激发光滤光片3b1前方，另一端导入光纤耦合器2b。
检测电路3包括：由第一激发光滤光片3a1、第一激发光源3a2和第一驱动电路3a3构成的第一激发光电路，由第二激发光滤光片3b1、第二激发光源3b2和第二驱动电路3b3构成的第二激发光电路，由荧光滤光片3c1、光电池3c2、滤波器3c3、信号放大器3c4构成的荧光信号采集电路，微处理器3d和传输接口3e；其中第一激发光滤光片3a1固定在第一激发光源3a2前方，第二激发光滤光片3b1固定在第二激发光源3b2前方，荧光滤光片3c1固定在光电池3c2前方。第一激发光源3a2、第一驱动电路3a3、第二激发光源3b2、第二驱动电路3b3、光电池3c2、滤波器3c3、信号放大器3c4、微处理器3d和传输接口3e均焊接在电路主板上。第一激发光源3a2通过第一驱动电路3a3和微处理器3d连接；第二激发光源3b2通过第二驱动电路3b3和微处理器3d连接，光电池3c2通过滤波器3c3、信号放大器3c4和微处理器3d连接，微处理器3d和传输接口3e连接。上述电路中的各元器件规格如下：第一激发光滤光片3a1透光波长范围为400±30nm，第二激发光滤光片3b1的透光波长范围为460±30nm，荧光滤光片3c1的透光波长范围为520±30nm。第一激发光源3a2采用发光中心波长为405nm的激光二极管LD1，第二激发光源3b2采用发光中心波长为460nm的激光二极管LD2。传输接口3e可以为系统IO接口或者数据接口等。
微处理器3d预设有规律变化的编码信号，测试时，微处理器3d先后产生交替产生5KHz方波信号通过第一驱动电路3a3驱动第一激发光源3a2和通过第二驱动电路3b3驱动第二激发光源3b2产生有规律变化的激发光信号，通过光纤耦合模块2传输至荧光pH检测头1产生对应的两个荧光信号，两个荧光信号通过光纤耦合模块2传输至光电池3c2并被其记录，通过滤波和信号放大后，被微处理器3d接收，并对得到的信号进行比率运算，得到样本溶液的高精度的PH值。本发明中的敏感材料羟基芘磺酸及其衍生物的pH响应行为具有以下特点：在第一特征吸收峰激发pH荧光探针，其荧光强度随待测液的pH值的升高而降低；在第二特征吸收峰激发pH荧光探针，其荧光强度随待测液的pH值的升高而升高。通过分别记录在两个特征吸收峰处激发出的两个不同荧光强度信号，并进行比率运算，得到与pH相关的比率荧光信号。最后将该信号与校准曲线比对并通过数学运算计算出溶液的pH值。通过上述测试获得的数据如图3-6所示。
由于两个荧光强度信号来源于同一个荧光分子，使得两个信号具有自参比功能，因此本发明的自参比比率荧光pH传感器几乎不受光漂白的影响，从而避免了仪器信号在测量过程中的漂移，提高了本传感器的测量稳定性。更为重要的是，由于两个荧光强度信号变化趋势随pH的改变是相反的，两个荧光强度信号经比率运算后，在不同pH溶液中测量所得到的校准曲线的动态范围非常大，有利于制备高精度pH荧光传感器。
实施例二：
本实施例中自参比比率荧光pH传感器和实施例一中的大致相同，不同之处在于：
一、本实施例中荧光pH检测头1采用如下方式制备：
1、制备pH敏感材料：分别称取20mg羧基修饰的羟基芘磺酸衍生物和2g polyHEMA聚合物，溶解在18g乙醇中，得到10％的染料-聚合物溶液。在染料-聚合物溶液中加入50mgEDC和50mg NHS，然后室温搅拌反应10h备用。
2、制备荧光pH检测头1：将得到的染料-聚合物溶液通过旋涂方式均匀地涂布于透明亚克力板上，于室温下晾干得到具有pH响应的非接触式pH传感膜。将得到的pH传感膜通过单组分硅胶胶水粘贴与一次性生物反应袋内部备用。
本实施例中的荧光pH检测头1可实现非接触式检测，使用时将荧光pH检测头1通过胶水固定在透明容器内壁或者光窗中进行非接触式的pH测量。
二、本实施例中的检测电路3中各元器件规格如下：第一激发光滤光片3a1透光波长范围为405±10nm，第二激发光滤光片3b1的透光波长范围为460±10nm，荧光滤光片3c1的透光波长范围为520±30nm。第一激发光源3a2采用发光中心波长为410nm的发光二极管LED1，第二激发光源3b2采用发光中心波长为488nm的发光二极管LED2。
三、微处理器3d先后产生交替产生45KHz正弦信号通过第一驱动电路3a3驱动第一激发光源3a2和通过第二驱动电路3b3驱动第二激发光源3b2产生有规律变化的激发光信号，通过光纤耦合模块2传输至荧光pH检测头1产生对应的两个荧光信号，两个荧光信号通过光纤耦合模块2传输至光电池3c2并被其记录，通过滤波和信号放大后，被微处理器3d接收，并对得到的信号进行比率运算，得到样本溶液的高精度的pH值。
此外，为了使检测结果更加准确可靠，本自参比比率荧光pH传感器还可以配置温度和盐度检测电路3，并通过获得不同温度、盐度时的pH校准曲线，对采集到的数据进行温度和盐度补偿。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，由荧光pH检测头(1)、光纤耦合模块(2)和检测电路(3)构成，所述的荧光pH检测头(1)通过光纤耦合模块(2)和所述的检测电路(3)连接，所述的荧光pH检测头(1)上镀有能够感应酸碱度pH值的pH敏感材料，所述的pH敏感材料由羟基芘及其衍生物制成。
2.根据权利要求1所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的pH敏感材料是由羟基芘及其衍生物通过物理包埋或者化学共价连接的方式固定在聚合物中制备而成，所述的pH敏感材料的紫外可见吸收光谱具有双特征吸收峰：第一特征吸收峰位于405±20nm，第二特征吸收峰位于460±20nm；所述的pH敏感材料的荧光发射光谱峰位于510±20nm，所述羟基芘及其衍生物的化学结构为：
其中R为疏水性基团或带有可共价连接聚合物的活性基团。
3.根据权利要求1或2所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的荧光pH检测头(1)是由光纤端部去除有机包层之后镀上pH敏感材料形成的pH敏感探头，或者所述的荧光pH检测头(1)是由透明薄片上涂覆pH敏感材料形成的pH敏感贴片。
4.根据权利要求1或2或所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的检测电路(3)包括：由第一激发光滤光片(3a1)、第一激发光源(3a2)和第一驱动电路(3a3)构成的第一激发光电路，由第二激发光滤光片(3b1)、第二激发光源(3b2)和第二驱动电路(3b3)构成的第二激发光电路，由荧光滤光片(3c1)、光电池(3c2)、滤波器(3c3)、信号放大器(3c4)构成的荧光信号采集电路，微处理器(3d)和传输接口(3e)；所述的微处理器(3d)先后通过第一激发光电路和第二激发光电路产生激发光信号，通过光纤耦合模块(2)传输至荧光pH检测头(1)产生对应的两个荧光信号，两个荧光信号通过光纤耦合模块(2)先后传输至荧光信号采集电路转换为电信号输送给微处理器(3d)进行处理获得自参比的待测溶液pH值。
5.根据权利要求4所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，光纤耦合模块(2)包括第一光纤(2a)、光纤耦合器(2b)、第二光纤(2c)、第三光纤(2d)和第四光纤(2e)，所述的第一光纤(2a)的两端分别对应连接光纤耦合器(2b)和荧光pH检测头(1)，所述的第二光纤(2c)的两端分别对应连接光纤耦合器(2b)和第一激发光滤光片(3a1)，所述的第三光纤(2d)的两端分别对应连接光纤耦合器(2b)和荧光滤光片(3c1)，所述的第四光纤(2e)的两端分别对应连接光纤耦合器(2b)和第二激发光滤光片(3b1)。
6.根据权利要求4所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的第一激发光源(3a2)和第二激发光源(3b2)均为发光二极管LED或者激光二极管LD，所述的第一激发光源(3a2)的波长范围为蓝紫色320-430nm，所述的第二激发光源(3b2)的波长范围为蓝色430-490nm。
7.根据权利要求6所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的第一激发光滤光片(3a1)的透光波长范围为320-430nm；所述的第二激发光滤光片(3b1)的透光波长范围为430-500nm；所述的荧光滤光片(3c1)的透光波长范围为500-600nm。
8.根据权利要求4所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的传输接口(3e)包括系统IO接口和数据接口。
9.根据权利要求4所述的自参比比率荧光pH传感器，其特征在于，所述的微处理器(3d)预设有规律变化的编码信号，所述的微处理器(3d)先后通过第一驱动电路(3a3)驱动第一激发光源(3a2)和通过第二驱动电路(3b3)驱动第二激发光源(3b2)产生有规律变化的激发光信号，滤波器(3c3)的滤波频率范围覆盖微处理器(3d)的编码信号频率，以准确测量荧光pH检测探头(1)的规律变化信号，避免环境光的干扰。
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