原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器及检测系统

摘要

本发明公开了一种原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器及检测系统。其中光纤微传感器包括玻璃套管、金属套环和单模光纤；单模光纤的前端处的光纤树脂涂层已经被剥离，露出约1mm长的玻璃芯针尖。光纤尖端往上1cm处套有金属套环，单模光纤通过金属套环固定在玻璃套管中。一种原位测定生物膜密度分布的检测系统，包括光源、传输光纤、光纤耦合器、入射信号检测器和背散射信号检测器、信号放大器、光纤微传感器和计算机。本发明与传统方法相比，光纤微传感器具有分辨率高、响应时间短、灵敏度高的优点。且不需要精密的化学分析，因此测定结果准确，重复性好，系统误差非常小。更重要的是，它可以在不破坏生物膜结构的情况下实现原位在线监测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤微传感器，特别是一种原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器及检测系统。

技术背景

生物膜在水环境修复与水处理净化系统中发挥着非常重要的作用。根据组成微生物种类、外界剪切力、基质组成和年龄等不同，生物膜具有差异较大的复杂的结构，这会影响生物膜的传质及扩散机制。生物膜密度是表征其结构差异的最基本数据，也是其影响传质的最直接因素。测定生物膜密度的手段非常有限，一般通过测定已知体积生物膜的干重再计算求得，测试过程会破坏生物膜，且结果误差大。更重要的是，传统方法只能得到整块生物膜的平均密度，无法准确反应其内部结构的复杂变化，更不用说对活生物膜进行在线连续分析。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器及检测系统。

一种原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器，包括玻璃套管、金属套环和单模光纤；

单模光纤的前端处的光纤树脂涂层已经被剥离，露出约1mm长的玻璃芯针尖。光纤尖端往上1cm处套有金属套环，单模光纤通过金属套环固定在玻璃套管中。

一种原位测定生物膜密度分布的检测系统，包括光源、传输光纤、光纤耦合器、入射信号检测器和背散射信号检测器、信号放大器、光纤微传感器和计算机。

所述的光源通过传输光纤与光纤耦合器一侧的一个端口连接，光纤耦合器一侧的另一个端口与背散射信号检测器连接，光纤耦合器另一侧的一个端口与光纤微传感器连接，光纤耦合器另一侧的另一个端口与入射信号检测器连接；入射信号检测器和背散射信号检测器的信号输出端口分别与信号放大器的信号输入端口连接，信号放大器信号输出端口接计算机。

所述传输光纤为采用单模光纤；

所述的光源为激光器或LED光源；

所述的光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器；

所述的入射信号检测器和背散射信号检测器均采用InGaAs PIN光电二极管。

光源将预调好波长的光线经过传输光纤发射到光纤耦合器中，并被光纤耦合器分成两束光强度相同的光束，从光纤耦合器的另一端分别输送到入射信号检测器和光纤微传感器。光线经光纤微传感器发射到生物膜内部，其背散射光经光纤微传感器原路返回，经过光纤耦合器时再次被分成两束光，其中一束被输送到背散射信号检测器。入射信号检测器和背散射信号检测器将接收到的光信号转化为电信号，并经过信号放大器放大后反馈给计算机。

有益效果

本发明与传统方法相比，光纤微传感器具有分辨率高、响应时间短、灵敏度高的优点。且不需要精密的化学分析，因此测定结果准确，重复性好，系统误差非常小。更重要的是，它可以在不破坏生物膜结构的情况下实现原位在线监测。光纤微传感器对生物膜以及结构类似的多相复杂结构的宏观及微观研究有着广泛的应用前景。

附图说明

图1 为光纤微探头的结构示意图；

图2 为原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种原位测定生物膜密度分布的光纤微传感器，包括玻璃套管1、金属套环2和单模光纤5；

单模光纤5的前端处的光纤树脂涂层3已经被剥离，露出约1mm长的玻璃芯针尖4。光纤尖端往上1cm处套有金属套环2，单模光纤5通过金属套环2固定在玻璃套管1中。

如图2所示，一种原位测定生物膜密度分布的检测系统，包括光源6、传输光纤7、光纤耦合器8、入射信号检测器9和背散射信号检测器10、信号放大器11、光纤微传感器12和计算机13。

所述的光源6通过传输光纤7与光纤耦合器8一侧的一个端口连接，光纤耦合器8一侧的另一个端口与背散射信号检测器10连接，光纤耦合器8另一侧的一个端口与光纤微传感器12连接，光纤耦合器8另一侧的另一个端口与入射信号检测器9连接；入射信号检测器9和背散射信号检测器10 的信号输出端口分别与信号放大器11的信号输入端口连接，信号放大器11信号输出端口接计算机13。

所述传输光纤7为采用单模光纤；

所述的光源6为激光器或LED光源；

所述的光纤耦合器8为2×2单模光纤耦合器；

所述的入射信号检测器9和背散射信号检测器10均采用InGaAs PIN光电二极管。

光源6将预调好波长的光线经过传输光纤7发射到光纤耦合器8中，并被光纤耦合器8分成两束光强度相同的光束，从光纤耦合器8的另一端分别输送到入射信号检测器9和光纤微传感器12。光线经光纤微传感器12发射到生物膜内部，其背散射光经光纤微传感器12原路返回，经过光纤耦合器8时再次被分成两束光，其中一束被输送到背散射信号检测器10。入射信号检测器9和背散射信号检测器10将接收到的光信号转化为电信号，并经过信号放大器11放大后反馈给计算机13。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。