CN116593430A

CN116593430A - 一种荧光寿命型光纤氧传感器

Info

Publication number: CN116593430A
Application number: CN202310359933.9A
Authority: CN
Inventors: 王宏亮; 向后奎; 杨胜
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2023-04-06
Filing date: 2023-04-06
Publication date: 2023-08-15

Abstract

本发明提供了一种荧光寿命型光纤氧传感器，包括光学系统、温度测量系统、信号处理系统及控制系统；光学系统包括石英多模光纤耦合结构、光学挡板、直插LED和光纤耦合LED；信号处理系统包括硅光电二极管和模拟信号处理模块；MCU控制模块通过正弦调制模块分别向直插LED参考光源、光纤耦合LED激发光源发送脉冲信号，使其产生同频率的正弦波；光学系统用于直插LED参考光源和光纤耦合LED激发光源的收集并交其传送给硅光电二极管；硅光电二极管采集到的荧光及参考光信号经模拟信号处理模块放大，传输到MCU控制模块进行数/模转换后，用于氧气浓度计算。本发明采用上述技术方案，具有以下优点：可有效避免光强型氧传感器所存在的易受光纤弯折、漂白等因素干扰问题。

Description

一种荧光寿命型光纤氧传感器

技术领域

本发明属于氧气检测技术领域，具体涉及一种荧光寿命型光纤氧传感器。

背景技术

氧气是生化反应中一种重要的反应物或产物，也是生命活动中不可或缺的关键物质。因此，准确地测量氧气含量对研究反应机理、提升反应效率、保障生命健康安全都至关重要。基于荧光猝灭原理的光学氧传感器因具有无需测试试剂、不消耗氧、抗干扰性强等特点在生化反应、水质检测等诸多领域已得到广泛应用。然而传统的光学氧传感器因其体积大难以实现微量溶液中氧气的测定。随着微流控等技术的发展，实现微量溶液中氧气的快速准确检测已成为提升其性能关键制约因素之一，因此，发展新型适用于微量溶液原位检测技术势在必行。

光纤作为一种良好的光传输及收集介质，为微量溶液中氧气的原位传感分析提供了可能。因此，基于光纤结构的氧传感器的研制已成为氧气检测技术领域的重点和热点。但是，目前光纤氧传感器主要是利用荧光光强作为氧气定量检测手段，而荧光光强易受光纤弯折、漂白、漂移等因素的影响，难以实现氧气的高稳定检测。发展基于荧光寿命传感原理得氧传感器可有效克服这些不足，具有灵敏度高、不受荧光光强变化的影响等显著优势。因此，本发明集成光纤传感和荧光寿命传感的优势，发展一种具有高信噪比及稳定性的新型全光纤氧传感器，可为微流控等领域的微量溶液中氧气高灵敏、高稳定性原位检测提供新的技术手段，具有显著的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是研制一种适用于微量溶液检测的荧光寿命型光纤氧传感器。

本发明的技术方案是：一种荧光寿命型光纤氧传感器，光纤氧传感器包括光学系统、温度测量系统、信号处理系统及控制系统；

光学系统包括石英多模光纤耦合结构、光学挡板、直插LED和光纤耦合LED；

温度测量系统包括NTC热敏电阻；

信号处理系统包括硅光电二极管和模拟信号处理模块；

控制系统包括RS485通讯接口、MCU控制模块和正弦调制模块；

MCU控制模块通过正弦调制模块分别向直插LED参考光源、光纤耦合LED激发光源发送脉冲信号，使其产生同频率的正弦波；

光学系统用于直插LED参考光源和光纤耦合LED激发光源的收集并交其传送给硅光电二极管；硅光电二极管采集到的荧光及参考光信号经模拟信号处理模块放大，传输到MCU控制模块进行数/模转换后，用于氧气浓度计算。

进一步地，上述多模光纤耦合结构的光发射端和接收端分别与光纤耦合LED、光学挡板通过SMA905接口连接；多模光纤耦合结构的探测端粘贴氧敏感荧光膜，作为微型光纤探针。

进一步地，上述光学挡板为直径25mm的铝制圆盘，圆盘中心一体化加工SMA905接口；

进一步地，上述直插LED的中心波长为650nm;

进一步地，上述光纤耦合LED的中心波长为505nm。

进一步地，上述硅光电二极管为单色色彩传感器，光谱响应范围为600~700nm。

进一步地，上述NTC热敏电阻的阻值为10k，B值为3950。

进一步地，上述正弦调制模块的调制频率为5K。

本发明集成光纤传感、荧光寿命传感技术的优势，发明了一种可用于微量溶液检测的全光纤微型氧传感器。其原理是：将一定频率的正弦调制激发光通过多模耦合光纤传输到激发氧敏感荧光元件，致使元件产生同频率的正弦荧光信号。荧光信号通过耦合光纤收集并传输至光电二极管，二极管分时采集正弦荧光及参考光信号。两种信号的相位间存在一定的差异（即相位差DP），荧光寿命正比于相位差的正切值，基于此可实现荧光寿命的间接测定。而荧光寿命与氧气浓度之间满足Stern-Volmer荧光淬灭模型（式1），利用该模型即可实现氧的定量检测：

(1)

式中，τ₀/τ分别表示氧敏感荧光元件在无氧与有氧环境中的荧光寿命；DP₀/DP分别表示氧敏感荧光元件在无氧与有氧环境中的相位差；Ksv为Stern-Volmer荧光淬灭常数；[O₂]表示氧气浓度（单位：mg/L）或氧饱和度（单位：%）。通过优化多模光纤耦合及参考光路设计，提高光传输效率及系统为提高传感系统的稳定性，从而提高传感器的信噪比及稳定性。

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

（1）基于相位传感原理进行氧气检测，可有效避免光强型氧传感器所存在的易受光纤弯折、漂白等因素干扰问题；

（2）采用低能量一体化设计的光纤耦合LED 作为激发光源，降低了氧敏感荧光膜的漂白，同时省略了透镜等光准直元件，从而降低激发光的损失；

（3）优化多模光纤耦合结构设计，提高了荧光的收集效率；

（4）采用单色硅光电二极管采集光信号，省略了滤光片等滤光元件，降低了光信号的损失；

（5）创新的参考光路设计，提升了传统系统的稳定性。

附图说明

图1为实施例1中荧光寿命型光纤氧传感器结构示意图；

图2 为实施例2中荧光寿命型光纤氧传感器氧定量检测标准曲线；

图3为实施例3中荧光寿命光纤氧传感器与碘量法测试未知水样对比图；

图4为实施例4荧光寿命型光纤氧传感器24h零点漂移测试曲线；

其中：10-光学系统；11-石英多模光纤耦合结构；12-光学挡板；13-LED参考光源；14-光纤耦合LED激发光源；

20-温度测量系统；21-NTC热敏电阻；

30-信号处理系统；31-硅光电二极管；32-模拟信号处理模块；

40-控制系统；41-通讯接口；42-MCU微控制器；43-正弦调制模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。方法如无特别说明均为常规方法。原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例一

荧光寿命型光纤氧传感器

如图1所示，本发明提供的荧光寿命型光纤氧传感器包含光学系统10、温度测量系统20、信号处理系统30和控制系统40。

光学系统包10含石英多模光纤耦合结构11、光学挡板12、650nm直插LED13（Kingbright，L-934SRC-B），505nm光纤耦合LED14（华尚光电，HE505H-MA）；

温度测量系统20包含NTC热敏电阻21（北京森恩传感技术有限公司，MF5E-103F）；

信号处理系统30包含硅光电二极管31（上海欧光电子科技有限公司，OSD9-RT）、模拟信号处理模块32；

控制系统40包含通讯接口41（RS485串口）、MCU控制模块42、正弦调制模块43；

MCU控制模块42通过正弦调制模块43分别向650nm直插LED13和505nm光纤耦合LED14发送脉冲信号（频率5k），使LED产生同频率的正弦波；

650nm直插LED13发射的光波通过光学挡板反射至硅光电二极管31，硅光电二极管31采集的此部分光信号用作参考光，以缓解漂移或其他不稳定因素影响的干扰。

505nm光纤耦合LED14发射的光波通过多模光纤耦合结构的发射端传输至传感端，并激发端面粘贴的氧敏感荧光元件（海洋光学，Redeye oxygen sensing patch）释放同频率正弦荧光。

荧光信号又通过耦合光纤收集并传输至硅光电二极管31。

硅光电二极管31采集到的荧光及参考光信号经模拟信号处理模块32放大，传输到MCU控制模块42进行数/模转换后，用于氧气浓度计算。

由于正弦荧光与参考光信号的相位间会存在一定的差异，即相位差（DP）。DP的大小与温度、氧气浓度之间函数关系。

基于该函数关系，利用采集相位差信息及NTC热敏电阻测定的温度信息，即可解算待测溶液中的氧气的浓度。

实施例二

荧光寿命型光纤氧传感器氧定量检测标准曲线

利用实施例一提供的荧光寿命型光纤氧传感器按以下步骤测定不同氧饱和度下的相位差值，绘制氧气检测标准曲线；

（1）将一容量为1L且盛装有500ml纯净水的玻璃烧杯置于20℃的恒温水浴槽中；

（2）向步骤1中持续曝入氧饱和度在0~100% 范围内的氧标准气（购自中国标准物质网），以获取不同氧饱和度的标准溶液；

（3）将光纤的传感端浸没于烧杯中并持续曝气。通过RS485串口工具读取传感器的DP信号值。待DP值稳定后，记录DP值。每种氧饱和度重复测定三次，取三次测定的平均DP值作为该氧饱和度对应的定量信号值。

（4）基于不同氧饱和度下测得的DP值，建立Stern-Volmer荧光淬灭曲线（式1）。对曲线进行线性拟合，即可得到氧定量检测标准方程。利用该标准方程及传感器实时检测到相位差信号值，可解算得到氧饱和度值。

实施例三

荧光寿命型光纤氧传感器与碘量法对比测试曲线

利用实施例一提供的荧光寿命型光纤氧传感器和实施例二所提供的氧定量检测标准曲线（定量算法）测定一系列未知氧浓度的水溶液，并与溶解氧国标分析方法碘量法进行对比：

（1）取5份自来水样，随机曝入空气或氮气以获得不同氧浓度的待测液。

（2）将光纤氧传感器浸入所配制的待测水样，室温下测定待测液的氧浓度值。随后，迅速向水中加入少量MnSO₄溶液（340 g/L）溶液，以固定水样中的氧。

（3）按照GB/T 7489-1987《水质溶解氧的测定碘量法》所述实验步骤测定待测液的氧浓度值，每份水样平行测定三次。

（4）根据光纤氧传感器测定值和碘量法测定值，绘制对比测试曲线。基于测定值之间的误差及相关性（R²）评估光纤氧传感器的测量性能。

实施例四

荧光寿命型光纤氧传感器24h零点漂移测试曲线

利用实施例一所提供的荧光寿命型光纤氧传感器按照如下步骤测定其24h零点漂移：

（1）称取3.15 g无水Na₂SO₃溶于500 mL超纯水中，制得无氧水（50 mM Na₂SO₃溶液）。

（2）在5mL的离心管中装入3mL无氧水（微环境检测），密封后放入20℃的恒温水浴槽，并立即用荧光寿命型光纤氧传感器实时检测其氧浓度变化。

（3）根据荧光寿命型光纤氧传感器所输出的实时测量值，绘制24h零点漂移测试曲线。基于24h零点漂移，评估光纤氧传感器在微环境检测应用中的稳定性。

Claims

1.一种荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述光纤氧传感器包括光学系统、温度测量系统、信号处理系统及控制系统；

所述光学系统包括石英多模光纤耦合结构、光学挡板、直插LED和光纤耦合LED；

所述温度测量系统包括NTC热敏电阻；

所述信号处理系统包括硅光电二极管和模拟信号处理模块；

所述控制系统包括RS485通讯接口、MCU控制模块和正弦调制模块；

所述MCU控制模块通过正弦调制模块分别向所述直插LED参考光源、光纤耦合LED激发光源发送脉冲信号，使其产生同频率的正弦波；

所述光学系统用于所述直插LED参考光源和光纤耦合LED激发光源的收集并交其传送给所述硅光电二极管；硅光电二极管采集到的荧光及参考光信号经模拟信号处理模块放大，传输到MCU控制模块进行数/模转换后，用于氧气浓度计算。

2.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述多模光纤耦合结构的光发射端和接收端分别与所述光纤耦合LED、光学挡板通过SMA905接口连接；所述多模光纤耦合结构的探测端粘贴氧敏感荧光膜，作为微型光纤探针。

3.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述光学挡板为直径25mm的铝制圆盘，圆盘中心一体化加工SMA905接口。

4.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述直插LED的中心波长为650nm。

5.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述光纤耦合LED的中心波长为505nm。

6.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述硅光电二极管为单色色彩传感器，光谱响应范围为600~700nm。

7.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述NTC热敏电阻的阻值为10k，B值为3950。

8.如权利要求1所述的荧光寿命型光纤氧传感器，其特征在于，所述正弦调制模块的调制频率为5K。