CN201110831Y - 一种多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件 - Google Patents
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Abstract
本事用新型涉及一种多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件。传感器组件由平面反射镜，聚焦透镜，Y型光纤束，荧光检测流通池和荧光仪检测器窗口等组成。它解决了现有传感器组件设计中存在的光耦合效率差、流通池传质效率差造成的传感器灵敏度低、响应速度慢的缺陷。流通池的独特设计使待检测溶液或气体由进口直接喷射到敏感膜上，流通池内采用独特的凸台凹槽结构，彻底消除层流效应与浓度梯度，提高了传质效率。流通池分上下两部分并用螺栓连接，便于清洗维护。该组件的特点是光信号传输效率高，灵敏性高，可逆性强，响应速度快，结合特定的荧光敏感膜，可用于流体的在线连续检测，已被验证适于做有机溶剂中水分的连续检测，或气体中氧气含量的连续检测等。
Description
技术领域
本实用新型属于分析仪器的设计与研制范畴，具体地涉及一种多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件的研制，可用于在线连续荧光检测，如有机溶剂工业生产过程中含水量的连续检测，或气体中氧气含量的连续检测等。该组件的特点是灵敏性高，可逆性强，响应速度快，适于作为荧光流动分析标准组件进行批量生产、推广使用。
背景技术
荧光分析方法具有灵敏度高等优点。在线荧光检测需要设计光学以及流通池组件，并实现与荧光光谱仪的高效连接。关于此类光学组件与荧光检测流通池的设计，目前并无统一的标准，也未见有成套的商品传感器组件上市销售。通常使用的流通池存在两个缺陷，第一是死体积较大，比如世界知名厂商德国Hellma公司生产的一种荧光检测用流通池，死体积在3毫升左右，这将严重降低流动分析的传质效率和分析装置的响应速度；通常使用的流通池存在的另外一个缺陷是，大多数流通池采用侧向流动设计，即层流式的流通池，由于在平流层和湍流层间存在浓度梯度，造成传质效率低，导致荧光传感器的响应速度慢，性能有待提高。如实用新型专利ZL 200520097122.3所述的传感膜荧光分析流通池，该流通池是传统的层流式。研究表明，当流体腔的直径较小时，会存在严重的层流效应，使传质效率变得很差；现有设计存在流通死角，这样也会导致传质效率差，流通池的响应速度差；此外光纤束离敏感膜距离较远，导致光信号损失大等(因为光纤束集光能力与其和发光点的距离有很大关系)。此外，已报道的用于气体分析用的光纤传感流通池的体积较大，不能满足在线连续检测的要求，比如《传感器技术》，2001，3，9，报道的测氧用流通池；国外《传感器与执行器》杂志报道的气体检测流通池(ensors and Actuators，B，2004，103，290)。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件，该组件可用于荧光连续检测分析。该组件可以方便地与荧光光谱仪连接，使激发光、发射光高效地在荧光仪、光纤、流通检测池以及检测器之间传输，提高分析的灵敏性；为了优化流通池的性能，使用了新的荧光检测流通池设计，采用新颖的对向流动方式，极大地减小了流通池内的浓度梯度，使传质效率更高，响应速度更快，光信号的损失更小。
本实用新型的技术方案是：
多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件是由平面反射镜(1)、聚焦透镜(2)、光纤束分臂端(3)、光纤束公共端(4)、流通池(5)荧光仪检测器窗口(6)组成；平面反射镜将荧光仪的激发光投射到聚焦透镜后，激发光耦合进入连接的光纤束分臂端和光纤束公共端，光纤束分臂端(3)与光纤束公共端(4)组成了Y型光纤束，它与流通池连接，荧光信号经检测器窗口(6)进入荧光仪，构成多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件。
流通池由流通池上盖(7)和流通池下体(8)两部分组成；流通池上盖装有隔光、紧固用的O-型密封圈(15)和紧固螺栓(16)；流通池下体设有液、气体进口(9)、载有敏感膜的玻璃片(10)、液、气体进口凸台(11)、液、气体出口(12)、液、气体出口凹槽(13)和O-型密封圈(14)；流通池上盖的凸台紧压放在流通池下体密封圈(14)上的载有敏感膜的玻璃片(10)上，用螺栓(16)将流通池上盖与下体连成一个流通池整体。
该实用新型设计的光纤传感器组件，其特征在于使用了平面反射镜(1)、以及聚焦透镜(2)，实现检测光在光纤、流通池、检测器间的高效传输。光纤公共端的光纤为随机均匀分布的Y型光纤束；荧光检测流通池(5)的特征在于该流通池利用通道(9)从光纤束对向将携带被分析物的溶液喷射到敏感膜(10)上，通道(9)的开口处于一凸台(11)上，而溶液导出通道(12)(成对称分布，可以是2-4个)的开口位于对应的凹槽(13)处，敏感膜依靠流通池上半部(7)以及螺钉(16)固定，用O-型密封圈(14)密封，光纤束公共端靠近敏感膜，O-型密封圈(15)套在光纤束公共端以隔绝外部杂散光，整体构成荧光检测流通池。分析溶液能垂直地喷射到敏感膜表面，另外流通池内存在独特的凸台(11)、凹槽(13)设计，以强化传质效率。光纤束公共端与涂有敏感膜的透光基质紧密接触，以增强光信号的传导；但是流通溶液与光纤束公共端不直接接触，防止光纤束被污染。
附图说明
图1是多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件结构示意图，其中：(1)平面反射镜，(2)聚焦透镜，(3)光纤束分臂端，(4)光纤束公共端，(5)流通池，(6)荧光仪检测器窗口。
图2是高效气液两用荧光检测流通池结构剖面图，其中：(7)流通池上部，(8)流通池下体(9)液、气体进口，(10)敏感膜，(11)液、气体进口凸台，(12)液、气体出口，(13)液、气体出口凹槽，(14)O-型密封圈，(7)流通池上盖，(15)隔光、紧固用O-型密封圈，(16)紧固螺栓。
图3为利用光学组件对氮-氧混合气体中氧含量体积百分数的测定，激发波长530纳米，荧光检测波长640纳米，气体流速500毫升/分钟。图中纵坐标表示荧光强度，横坐标表示时间，单位为秒。
图4为利用光学组件对四氢呋喃中水份含量体积百分数的测定，激发波长395纳米，荧光检测波长523纳米，液体流速50毫升/分钟。图中纵坐标表示荧光强度，横坐标表示时间，单位为秒。
本实用新型的特点与效果：
它解决了现有传感器组件设计中存在的光耦合效率差、流通池传质效率差造成的传感器灵敏度低、响应速度慢的缺陷。流通池的独特设计使待检测溶液或气体由进口直接喷射到敏感膜上，流通池内采用独特的凸台凹槽结构，彻底消除层流效应与浓度梯度，提高了传质效率。流通池分上下两部分并用螺栓连接，便于清洗维护。该组件的特点是光信号传输效率高，灵敏性高，可逆性强，响应速度快，结合特定的荧光敏感膜，可用于流体的在线连续检测，已被验证适于做有机溶剂中水分的连续检测，或气体中氧气含量的连续检测等。
具体实施方式
实施例1
本实用新型的实施方案描述如下：
本组件所用Y型光纤束为透紫外石英光纤束(公共端的光纤束分布为随机均匀分布)，透镜为石英聚焦透镜，流通池采用不锈钢、塑料(工程塑料、聚四氟乙烯等)或玻璃制成。
操作过程是，荧光仪的激发光(单色光)经平面反射镜(1)反射，照射到聚焦透镜(2)上，聚焦透镜(2)将光聚焦、耦合进入光纤束分臂(3)。激发光经光纤束公共端(4)照射到流通池(5)中的敏感膜(10)上。待检测溶液或气体由进口(9)直接喷射到敏感膜上，开口处于凸台(11)上，而流体导出通道(12)的内开口位于凹槽(13)内，彻底消除层流效应，极大提高了传质效率。敏感膜(10)利用O-型密封圈(14)密封，流体不会沾污光纤公共端(4)。光纤公共端(4)利用O-型密封圈(15)进行固定，并隔绝外来杂散光干扰。流通池的上盖(7)用螺栓(16)与流通池的下半部分(8)连接。光纤束公共端(4)将荧光收集并经聚焦透镜(2，见附图1)送入荧光仪检测器(6，见附图1)，从而实现连续检测。流通池的进液口与蠕动泵、或气体源连接。测定时将液体或气体样品以一定速度通过流通池，用荧光仪连续记录敏感膜的荧光强度的响应与时间的关系，完成测试。
本组件可用于液体样品，如有机溶剂中微量杂质水等的在线检测，也可用于气体样品，如氧气浓度的检测等，具体见实施例2和3。该组件的特点是灵敏性高，可逆性强，响应速度快，适于作为荧光流动分析的标准分析组件进行生产、推广使用。
实施例2
气体中氧气浓度的测定：
将光学组件与970CRT荧光仪连接，氧气敏感膜(含对氧敏感的荧光物质)放于流通池内，将不同氧气含量的氮-氧混和气体交替通过流通池(流速500毫升/分钟)，激发波长530纳米，荧光检测波长640纳米，通过荧光强度的变化，实时检测氧气含量的变化。结果见图3(X轴为时间，单位为秒；Y轴为荧光强度)。开始时通入氮气，此时敏感膜的荧光最强，数值在500左右；然后快速将气体切换为5％氧-氮混合气体，可以观察到敏感膜的荧光强度快速下降，降低到原来的60％，并迅速达到平衡。依次增加氧气的浓度，可以观察到荧光强度逐渐降低。如果减小氧气的浓度，敏感膜的荧光强度会逐渐恢复，具有较好的可逆性。不同氧气浓度切换时，典型的响应时间小于10秒。表明此传感器组件(流通池)具有优良的整体性能，已经能够满足实际应用的要求。
实施例3
有机溶剂中水含量的连续检测：
操作与实施例2相同。荧光敏感物质由申请人合成，并加在待检测四氢呋喃中，四氢呋喃含水量不同时，荧光强弱不同，可以通过流通池进行连续检测。检测四氢呋喃中水含量的测定见附图4(X轴为时间，单位为秒；Y轴为荧光强度)。液体流速50毫升/分钟。开始时通入的是无水的四氢呋喃，荧光较强，荧光强度的数值在900左右，切换到含水0.5％的四氢呋喃时，荧光强度下降了约10％，并很快达到平衡。依次增加水的含量。可以观察到荧光逐渐降低。切换到含水量较少的四氢呋喃时，荧光强度恢复。典型的响应时间小于10秒。以上结果表明流通池、传感器组件的综合性能较好。该荧光光纤传感组件可用于四氢呋喃等溶剂的工业生产中水份含量的连续、实时在线检测。
Claims (2)
1.一种多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件，其特征在于该组件是由平面反射镜(1)、聚焦透镜(2)、光纤束分臂端(3)、光纤束公共端(4)、流通池(5)荧光仪检测器窗口(6)组成；平面反射镜将荧光仪的激发光投射到聚焦透镜后，激发光耦合进入连接的光纤束分臂端和光纤束公共端，光纤束分臂端(3)与光纤束公共端(4)组成了Y型光纤束，它与流通池连接，荧光信号经检测器窗口(6)进入荧光仪，构成多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件。
2.按照权利要求1所述的多用途高效荧光光纤化学与生物传感器组件，其特征在于流通池由流通池上盖(7)和流通池下体(8)两部分组成；流通池上盖装有隔光、紧固用的O-型密封圈(15)和紧固螺栓(16)；流通池下体设有液、气体进口(9)、载有敏感膜的玻璃片(10)、液、气体进口凸台(11)、液、气体出口(12)、液、气体出口凹槽(13)和O-型密封圈(14)；流通池上盖的凸台紧压放在流通池下体密封圈(14)上的载有敏感膜的玻璃片(10)上，用螺栓(16)将流通池上盖与下体连成一个流通池整体。
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