生物膜厚度光纖倏逝波傳感器及其生物膜傳感器系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種生物膜厚度光纖倏逝波傳感器，采用由傳感臂和參考臂組成的雙探針結構形成；傳感臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，參考臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成。同時，本發明還公開了一種生物膜傳感器系統。本發明實現光生物反應器內生物膜厚度在線、原位、準確的測量，建立了傳感器測量原理的理論模型，為工業中膜式反應器的過程優化控制，提高光生物制氫效率和推動光生物制氫工程化的發展都具有一定的意義。
【專利說明】生物膜厚度光纖倏逝波傳感器及其生物膜傳感器系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光纖傳感器及其系統，尤其涉及一種生物膜厚度光纖倏逝波傳感器及其生物膜傳感器系統。
【背景技術】
[0002]生物膜厚度是聯系反應器流體力學特性和生化反應動力學特性的關鍵參數。Lamotta提出了臨界生物膜厚的概念，當生物膜厚度超過臨界生物膜厚度時，生物膜的活性會減弱。Schorer研究表明，生物膜厚度隨著營養底物、時間和空間的改變而發生變化。生物膜厚度檢測的方法有離線檢測法和在線檢測法，離線檢測方法有:生物量干重法、原子力顯微鏡法、激光共聚焦顯微鏡法等。干重法操作過程復雜，測量誤差較大。原子力顯微鏡法和激光共聚焦顯微鏡法測量法精度較高，但只限于觀察微小反應器內生物膜厚度的變化情況；如果對于體積較大的生物膜反應器，必須不斷地從反應器中采集樣品，在采樣過程中極易帶進雜菌而感染反應器，采用離線方法的另一個缺點是不易實施自動化控制。
[0003]在線檢測方法有:中子反射法、橢圓光度法、表面等離子體共振法、雙偏振干涉法、電容法、微電極法、光纖倏逝場吸收法等。前三種方法主要應用于分子結構、分子間相互作用和生物膜超微結構的定量分析，精度高，但很難實現反應器內生物膜空間分布的測量。電容法和微電極法能實現生物膜厚度在線原位測量，并且能測量mm級的生物膜，但是在膜式反應器內安裝存在困難，且易受電磁干擾。光纖倏逝場吸收法為最有前途的方法；光纖傳感器體積小、耐腐蝕、安裝方便，能實現反應器內生物量濃度的在線原位測量，最大測膜厚度為2 mm;但是當生物膜厚度從O?2 mm時，傳感器輸出光強的改變量僅為275 μ W，靈敏度低，同時在測量過程中并未考慮底物和產物濃度變化對傳感器測量的影響，因此傳感器測量結果的重復性低。因此，進一步提高光纖傳感器靈敏度，消除底物和產物濃度變化對測量結果造成的影響，對實現反應器內生物膜生長過程的在線、原位、準確的測量很有必要。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中存在的上述不足，為了消除微生物轉化過程底物、產物濃度及外界光照強度的變化對傳感器測量結果帶來的影響，本發明提供了一種提高反應器內生物膜生長過程的在線、原位、準確的測量精度的生物膜厚度光纖倏逝波傳感器。
[0005]本發明還提供一種提高反應器內生物膜生長過程的在線、原位、準確的測量精度的生物膜傳感器系統。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明采用了如下技術方案:
生物膜厚度光纖倏逝波傳感器，該傳感器采用由傳感臂和參考臂組成的雙探針結構形成；所述傳感臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，所述參考臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成。
[0007]同時，本發明提供的一種生物膜傳感器系統，包括光生物反應器、反應器光源、LED光源、蠕動泵、恒溫水浴、培養基儲液瓶、氣體收集瓶、探測頭、光功率計、顯微鏡和光分路器；
所述光生物反應器包括固體基質上板、固體基質下板、傳感臂和參考臂；所述固體基質上板和固體基質下板組合成一通明盒體，所述傳感臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，所述參考臂由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成；所述傳感臂和參考臂分別設置在固體基質下板上的凹槽內，所述倏逝波傳感臂和參考臂的未被腐蝕的一側面貼近凹槽；在固體基質上板上設有入液口和出液口 ；
所述培養基儲液瓶設置在恒溫水浴中，所述蠕動泵的進口通過管路與培養基儲液瓶內連通，所述蠕動泵的出口通過管路與入液口連通；所述出液口通過管路分別與氣體收集瓶和培養基儲液瓶連接，在靠近氣體收集瓶的管路上設置開關閥I，在靠近培養基儲液瓶的管路上設置開關閥II ;所述反應器光源通過光纖與光分路器連接，所述光分路器輸出三路光，其中兩路分別與傳感臂和參考臂的一端連接，傳感臂和參考臂的另一端與探測頭連接，第三路通過光纖直接與探測頭連接，探測頭與光功率計連接，所述LED光源發出的光與通明盒體對應，所述顯微鏡的鏡頭位于固體基質上板的正上方。
[0008]作為本發明的一種優選方案，生物膜傳感器系統還包括溫度測量儀和溫度傳感器，所述固體基質上板上設有溫度傳感器安裝孔，所述溫度傳感器安裝在溫度傳感器安裝孔內并與溫度測量儀連接。
[0009]作為本發明的另一種優選方案，所述氣體收集瓶通過鐵架臺固定。
[0010]作為本發明的又一種優選方案，所述氣體收集瓶上設有氣體采樣口。
[0011]作為本發明的一種改進方案，所述光生物反應器設置在載物臺上。
[0012]本發明的有益效果是:為了實現光生物反應器內生物膜厚度在線、原位、準確的測量，設計了在線分離測量生物膜厚的傳感器及反應器內生物膜厚度測量系統，建立了傳感器測量原理的理論模型。實驗研究了傳感器的光譜傳輸特性，溫度響應特性，參考臂對外界環境介質濃度變化的響應速度；根據反應器操作條件的不同，在線測量了培養基持續供給下反應器內生物膜厚度和培養基間斷供給下反應器內生物膜厚度，采用顯微鏡實時監測了生物膜厚度的變化情況，并對傳感器關于生物膜厚度的測量結果進行了標定。該方法為觀察反應器內生物膜的生長環境條件、反應機理提供更有力的手段，能為工業中膜式反應器的過程優化控制，提高光生物制氫效率和推動光生物制氫工程化的發展都具有一定的意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為生物膜厚度光纖倏逝波傳感器在固體基質上安裝的結構示意圖；
圖2為傳感臂的結構示意圖；
圖3為傳感臂的橫截面示意圖；
圖4為參考臂的結構示意圖；
圖5為溶液濃度在PTFE濾膜內的分布示意圖；
圖6為生物膜傳感器系統的結構示意圖；
圖7為傳感器輸出光強的變化量和生物膜厚度與培養時間的關系曲線；
圖8為參數K與物膜厚度X間的關系曲線。
[0014]附圖中:I一傳感臂；2—參考臂；3 —反應器光源；4一LED光源；5—蠕動泵；6—恒溫水浴；7—培養基儲液瓶；8—氣體收集瓶；9一探測頭；10—光功率計；11 一顯微鏡；12—光分路器；13—固體基質上板；14 一固體基質下板；15—凹槽；16—開關閥I; 17—開關閥II; 18—溫度測量儀；19 一溫度傳感器；20—鐵架臺；21—氣體米樣口 ； 22—載物臺；23—計算機；24—溫度傳感器；25—纖芯；26—包層；27—涂覆層；28—聚四氟乙烯濾膜；29—固體基質；30—有機玻璃膠；31—多模石英光纖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0016]如圖1所示，生物膜厚度光纖倏逝波傳感器，該傳感器采用由傳感臂I和參考臂2組成的雙探針結構形成。傳感臂I由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，參考臂2由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成。
[0017]其中，傳感臂I用于探測生物膜厚度及外界液相環境變化信息，包裹有微生物濾膜的參考臂2只用于探測液相環境信息。其次，參考臂2用于補償外界光照條件變化對傳感器測量結果帶來的影響。傳感器用光纖為多模石英光纖，從北京北玻科技產業中心購買。光纖纖芯25直徑(Dl)為400±2% μ m，包層26直徑(Dl)為440±2% μ m，光纖外徑涂敷層27直徑為480 ±3% μ m，溫度范圍為-190~380 °C，透過光譜范圍為400~2500 nm，數值孔徑(NA)為0.5。在制作光纖傳感單元時，首先，將光纖進行側邊腐蝕，光纖腐蝕深度(H)介于40~100 μπι之間，腐蝕區長度(L)為50 mm。腐蝕后的多模石英光纖作為傳感臂1，腐蝕后的光纖結構如圖2、3所示。將多模石英光纖側邊腐蝕的目的是使光纖中更多的模式進入環境介質(生物膜)，同時增加光束在纖芯中的衰減全反射次數，增加生物膜對隱失場的吸收，提高傳感器的靈敏度。為消除底物和產物濃度變化對傳感器測量結果帶來的影響，制作了參考臂，參考臂的結構 如圖4所示，圖中28為聚四氟乙烯濾膜。微生物慮膜為聚四氟乙烯，濾孔直徑為0.25 μ m，濾膜厚度為500 μ m。濾膜的作用是，將微生物與光纖分離，讓液相中小于0.25 μ m的物質通過濾膜并與光纖表面產生的倏逝場作用，從而對液相環境的變化(底物和產物的變化)信息做出響應。
[0018]為實現生物膜光生物反應器內生物膜厚度的在線測量，將制作好的傳感臂I和參考臂2安裝在生物膜光生物反應器內用于生物膜生長的載體表面，傳感臂I在固體基質29表面的安裝示意圖如圖1所示。在安裝光纖傳感單元前，首先，在固體基質29表面刻上約為0.5 mm的深、0.5 mm寬的凹槽15。然后，在凹槽15上涂上一層透明有機玻璃膠30，將未被腐蝕的多模石英光纖31 (傳感臂I和參考臂2)側面貼近凹槽15，粘附在導光散射柱上。
[0019]傳感器測量原理及方法:
在光纖傳感器測量系統中，反應器光源3發出的光由光分路器12分為三路，其中兩路用于連接傳感臂I和參考臂2，另一路光纖直接與光功率計10相接，用于補償光源光強和環境光強變化對測量結果帶來的影響。其中，對于傳感臂I，光纖經過生物膜吸收后，輸入和輸出光強之間滿足:
I =I Βξι1+Ι(I)
in,Iin,2上式(I)中，Iin 1和Jr.^分別為傳感臂中光纖輸入端的光強和外界環境光強，β為
生物膜對倏逝波的吸收系數，I為光纖感應區(腐蝕區)的長度，ξ2為反應器內生物菌懸液對外界環境光的吸收系數，Z為生物膜厚度，為環境光從反應器壁入射到光纖表面所經歷的光程。其中，倏逝波衰減系數&的計算表達式為:
【權利要求】
1.生物膜厚度光纖倏逝波傳感器，其特征在于:該傳感器采用由傳感臂(I)和參考臂(2)組成的雙探針結構形成；所述傳感臂(I)由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，所述參考臂(2)由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成。
2.生物膜傳感器系統，其特征在于:包括光生物反應器、反應器光源(3)、LED光源(4)、蠕動泵(5 )、恒溫水浴(6 )、培養基儲液瓶(7 )、氣體收集瓶(8 )、探測頭(9 )、光功率計(10 )、顯微鏡(11)和光分路器(12); 所述光生物反應器包括固體基質上板(13)、固體基質下板(14)、傳感臂(I)和參考臂(2)；所述固體基質上板(13)和固體基質下板(14)組合成一通明盒體，所述傳感臂(I)由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽制成，所述參考臂(2)由多模石英光纖在其一側腐蝕一段凹槽并在凹槽內設置聚四氟乙烯濾膜制成；所述傳感臂(I)和參考臂(2)分別設置在固體基質下板(14)上的凹槽(15)內，所述倏逝波傳感臂(I)和參考臂(2)的未被腐蝕的一側面貼近凹槽(15);在固體基質上板(13)上設有入液口和出液口 ； 所述培養基儲液瓶(7 )設置在恒溫水浴(6 )中，所述蠕動泵(5 )的進口通過管路與培養基儲液瓶(7 )內連通，所述蠕動泵(5 )的出口通過管路與入液口連通；所述出液口通過管路分別與氣體收集瓶(8)和培養基儲液瓶(7)連接，在靠近氣體收集瓶(8)的管路上設置開關閥I (16)，在靠近培養基儲液瓶(7)的管路上設置開關閥II (17);所述反應器光源(3)通過光纖與光分路器(12)連接，所述光分路器(12)輸出三路光，其中兩路分別與傳感臂(I)和參考臂(2)的一端連接，傳感臂(I)和參考臂(2)的另一端與探測頭(9)連接，第三路通過光纖直接與探測頭(9 )連接，探測頭(9 )與光功率計(10 )連接，所述LED光源(4)發出的光與通明盒體對應，所述顯微鏡(11)的鏡頭位于固體基質上板(13)的正上方。
3.根據權利要求2所述的生物膜傳感器系統，其特征在于:還包括溫度測量儀(18)和溫度傳感器(19)，所述固體基質上板(13)上設有溫度傳感器安裝孔，所述溫度傳感器(19)安裝在溫度傳感器安裝孔內并與溫度測量儀(18)連接。
4.根據權利要求2所述的生物膜傳感器系統，其特征在于:所述氣體收集瓶(8)通過鐵架臺(20)固定。
5.根據權利要求2所述的生物膜傳感器系統，其特征在于:所述氣體收集瓶(8)上設有氣體采樣口(21)。
6.根據權利要求2所述的生物膜傳感器系統，其特征在于:所述光生物反應器設置在載物臺(22)上。
【文檔編號】G01B11/06GK103486975SQ201310483836
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月16日 優先權日:2013年10月16日
【發明者】廖強, 鐘年丙, 朱恂, 陳蓉, 王宏, 葉丁丁, 丁玉棟, 李俊 申請人:重慶大學