[發明專利]生物膜厚度光纖倏逝波傳感器及其生物膜傳感器系統

有效

• 申請號: 201310483836.7
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103486975A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 廖強;鐘年丙;朱恂;陳蓉;王宏;葉丁丁;丁玉棟;李俊
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 穆祥維

技術領域

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

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。

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0～2?mm時，傳感器輸出光強的改變量僅為275?μw，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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。