[發明專利]U形雙錐光纖生物膜傳感器以及制作與測量方法

有效

• 申請號: 201510306074.2
• 申請日: 2015-06-04
• 公開（公告）號: CN104913728B
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 鐘年丙;趙明富;羅彬彬;肖漢光;宋濤;湯斌;張建強
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 重慶市前沿專利事務所(普通合伙)50211
• 代理人: 郭云

技術領域

本發明涉及光纖生物膜厚度傳感器，具體涉及U形雙錐光纖生物膜傳感器以及制作與測量方法。

背景技術

光合細菌生物膜制氫是將生物膜技術與光合細菌制氫技術相結合用于提高反應器產氫能力和穩定性的一種微生物制氫技術。研究表明生物膜內微生物細胞活性是聯系生化反應動力學特性與反應器性能的關鍵參數之一。未受到控制的生物膜，隨著生物膜厚度的增加，生物膜底物降解速率與代謝產氫活性降低，導致反應器產氫速率、光能轉化效率與產氫得率降低；這是因為生物膜中的擴散阻力限制了膜內微生物細胞直接參與有機底物的降解及底物與產物的傳遞。具有最大有機底物降解速率或者最大產氫得率的微生物膜厚度稱為活性厚度；當生物膜過薄即小于活性厚度，活性微生物數量低，將達不到最大產氫速率、得率和產氫量，反之，生物膜過厚即大于活性厚度，生物膜內微生物細胞代謝產氫活性降低，則會降低生物膜與反應器的產氫性能。因此，實時在線獲取生物膜厚度信息對實現生物膜厚度優化控制及提高反應器產氫性能都有著重要的科學意義及實用價值。

目前關于生物膜厚度測量方法有離線測量方法和在線測量方法。離線測量需實時從反應器內采集樣品、破壞微生物生長環境，同時測量結果與真實生物膜厚度偏差較大；更為重要的是采用離線方法很難實現反應器的自動化控制。生物膜厚度在線檢測方法主要包括微電極法、電化學法、超聲波法、激光共聚焦法及光學法(光纖法、光譜法及濁度法)。其中光學法中的光纖倏逝波方法為最有前途的方法。因為光纖具有微結構、耐腐蝕、抗電磁干擾、生物兼容及響應速度快等優點；此外，雖然專利發明人前期在文獻“Zhong Nianbing,Liao Qiang,Zhu Xun,Zhao Mingfu.A fiber-optic sensor for accurately monitoring biofilm growth in a hydrogen production photobioreactor[J].Analytical Chemistry,2014,86(8):3994–4001.”以及專利CN103486975A中采用補償法消除了生物膜生長過程液相濃度及其成分變化對生物膜厚度測量帶來的影響，實現了0-120μm生物膜厚度的在線準確測量。但是已報道的光纖傳感器不能實現對生物膜生長全過程有效準確地測量，因為光合細菌生物膜的正常生長厚度在180μm左右。由此可見，現有光纖傳感器檢測上限低，不能實現對生物膜生長過程進行全程在線檢測。因此，研制能對生物膜生長過程生物膜厚度進行全程在線準確測量的光纖傳感器，是實現生物膜生長過程優化控制及提高生物膜反應器產氫性能必需解決的任務。

本發明專利針對現有傳感器無法在線準確測量整個生物膜生長過程生物膜厚度的問題，提出采用U形雙錐光纖傳感器提高光纖表面發光強度及其透射深度實現提高傳感器測量上限，以及采用雙探針傳感器(傳感臂和參考臂)實現消除生物膜生長過程液相濃度及成分變化對生物膜厚度測量帶來影響，從而實現對生物膜生長全過程的在線準確測量。本發明專利主要涉及的內容包括高檢測上限、高靈敏度的U形雙錐倏逝波石英光纖傳器傳感臂及參考臂的研制方法，傳感器測量生物膜厚度的原理，以及消除生物膜內液相變化信息對生物膜厚度測量影響三個方面的內容。

發明內容

針對上述已有技術存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題在于提供U形雙錐光纖生物膜傳感器以及制作與測量方法。

為了解決上述技術問題，根據本發明的第一個技術方案，U形雙錐光纖生物膜傳感器，包括測量傳感臂和參考傳感臂，所述測量傳感臂和參考傳感臂為多模光纖，其特點是：所述測量傳感臂和參考傳感臂的測量區均設置為U形，U形光纖的左、右臂均具有上大下小的錐度；所述測量傳感臂和參考傳感臂的尾端均設置為半球狀，半球狀光纖包層的表面涂覆有金屬膜；所述參考傳感臂的測量區的光纖表面涂覆有聚酰亞胺二氧化硅雜化慮膜。

在傳感器中測量傳感臂的功能是用于測量生物膜厚度及生物膜內液相環境變化信息，參考傳感臂只用于探測液相環境信息；濾膜的作用是，將微生物與光纖分離，讓液相中小于0.45μm的物質通過濾膜并與光纖表面產生的倏逝場作用，從而對生物膜內液相環境的變化如底物和產物的變化等信息做出響應；金屬膜的增強光的反射能力。由于本發明測量傳感臂和參考傳感臂的測量區采用雙錐U形結構，增強了光纖表面的發光強度及其透射深度，從而提高了傳感器的檢測上限和傳感器的靈敏度。同時由于采用雙探針傳感器即利用測量傳感臂和參考參考臂同時檢測，消除了生物膜生長過程液相濃度及成分變化對生物膜厚度測量帶來影響，從而實現對生物膜生長全過程的在線準確測量。