U形雙錐光纖生物膜傳感器以及制作與測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光合細(xì)菌生物膜制氫是將生物膜技術(shù)與光合細(xì)菌制氫技術(shù)相結(jié)合用于提高反應(yīng) 器產(chǎn)氫能力和穩(wěn)定性的一種微生物制氫技術(shù)。研宄表明生物膜內(nèi)微生物細(xì)胞活性是聯(lián)系生 化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性與反應(yīng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)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(chǎn)氫活性降低，導(dǎo)致反應(yīng)器產(chǎn)氫速率、光能轉(zhuǎn)化效率與 產(chǎn)氫得率降低；這是因?yàn)樯锬ぶ械臄U(kuò)散阻力限制了膜內(nèi)微生物細(xì)胞直接參與有機(jī)底物的 降解及底物與產(chǎn)物的傳遞。具有最大有機(jī)底物降解速率或者最大產(chǎn)氫得率的微生物膜厚 度稱(chēng)為活性厚度；當(dāng)生物膜過(guò)薄即小于活性厚度，活性微生物數(shù)量低，將達(dá)不到最大產(chǎn)氫速 率、得率和產(chǎn)氫量，反之，生物膜過(guò)厚即大于活性厚度，生物膜內(nèi)微生物細(xì)胞代謝產(chǎn)氫活性 降低，則會(huì)降低生物膜與反應(yīng)器的產(chǎn)氫性能。因此，實(shí)時(shí)在線(xiàn)獲取生物膜厚度信息對(duì)實(shí)現(xiàn)生 物膜厚度優(yōu)化控制及提高反應(yīng)器產(chǎn)氫性能都有著重要的科學(xué)意義及實(shí)用價(jià)值。
[0003] 目前關(guān)于生物膜厚度測(cè)量方法有離線(xiàn)測(cè)量方法和在線(xiàn)測(cè)量方法。離線(xiàn)測(cè)量需實(shí) 時(shí)從反應(yīng)器內(nèi)采集樣品、破壞微生物生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)生物膜厚度偏差較 大；更為重要的是采用離線(xiàn)方法很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的自動(dòng)化控制。生物膜厚度在線(xiàn)檢測(cè)方 法主要包括微電極法、電化學(xué)法、超聲波法、激光共聚焦法及光學(xué)法（光纖法、光譜法及濁 度法）。其中光學(xué)法中的光纖倏逝波方法為最有前途的方法。因?yàn)楣饫w具有微結(jié)構(gòu)、耐腐 蝕、抗電磁干擾、生物兼容及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)；此外，雖然專(zhuān)利發(fā)明人前期在文獻(xiàn)"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 - 400L " 以及專(zhuān)利 CN103486975A 中采用補(bǔ)償 法消除了生物膜生長(zhǎng)過(guò)程液相濃度及其成分變化對(duì)生物膜厚度測(cè)量帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了 0-120 μm生物膜厚度的在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。但是已報(bào)道的光纖傳感器不能實(shí)現(xiàn)對(duì)生物膜生長(zhǎng)全 過(guò)程有效準(zhǔn)確地測(cè)量，因?yàn)楣夂霞?xì)菌生物膜的正常生長(zhǎng)厚度在180 μ m左右。由此可見(jiàn)，現(xiàn) 有光纖傳感器檢測(cè)上限低，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行全程在線(xiàn)檢測(cè)。因此，研制能對(duì) 生物膜生長(zhǎng)過(guò)程生物膜厚度進(jìn)行全程在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的光纖傳感器，是實(shí)現(xiàn)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程 優(yōu)化控制及提高生物膜反應(yīng)器產(chǎn)氫性能必需解決的任務(wù)。
[0004] 本發(fā)明專(zhuān)利針對(duì)現(xiàn)有傳感器無(wú)法在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程生物膜厚度 的問(wèn)題，提出采用U形雙錐光纖傳感器提高光纖表面發(fā)光強(qiáng)度及其透射深度實(shí)現(xiàn)提高傳感 器測(cè)量上限，以及采用雙探針傳感器（傳感臂和參考臂）實(shí)現(xiàn)消除生物膜生長(zhǎng)過(guò)程液相濃 度及成分變化對(duì)生物膜厚度測(cè)量帶來(lái)影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物膜生長(zhǎng)全過(guò)程的在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè) 量。本發(fā)明專(zhuān)利主要涉及的內(nèi)容包括高檢測(cè)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(cè)量生物膜厚度的原理，以及消除生物膜內(nèi)液相變 化信息對(duì)生物膜厚度測(cè)量影響三個(gè)方面的內(nèi)容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供U形雙錐光 纖生物膜傳感器以及制作與測(cè)量方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)方案，U形雙錐光纖生物膜傳感 器，包括測(cè)量傳感臂和參考傳感臂，所述測(cè)量傳感臂和參考傳感臂為多模光纖，其特點(diǎn)是： 所述測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的測(cè)量區(qū)均設(shè)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(cè)量傳感臂和參考傳感臂的尾端均設(shè)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(cè)量區(qū)的光纖表面涂覆有聚酰亞胺二氧化硅雜化慮膜。
[0007] 在傳感器中測(cè)量傳感臂的功能是用于測(cè)量生物膜厚度及生物膜內(nèi)液相環(huán)境變化 信息，參考傳感臂只用于探測(cè)液相環(huán)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. 45 μ m的物質(zhì)通過(guò)濾膜并與光纖表面產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)作用，從而對(duì)生物膜內(nèi)液相環(huán) 境的變化如底物和產(chǎn)物的變化等信息做出響應(yīng)；金屬膜的增強(qiáng)光的反射能力。由于本發(fā)明 測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的測(cè)量區(qū)采用雙錐U形結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了光纖表面的發(fā)光強(qiáng)度及其透 射深度，從而提高了傳感器的檢測(cè)上限和傳感器的靈敏度。同時(shí)由于采用雙探針傳感器即 利用測(cè)量傳感臂和參考參考臂同時(shí)檢測(cè)，消除了生物膜生長(zhǎng)過(guò)程液相濃度及成分變化對(duì)生 物膜厚度測(cè)量帶來(lái)影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物膜生長(zhǎng)全過(guò)程的在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器的優(yōu)選方案，聚酰亞胺二氧化硅雜 化慮膜為聚酰胺酸、對(duì)苯二胺、N，N-二甲基甲酰胺、無(wú)水乙醇、硅溶膠、γ-(2, 3-環(huán)氧丙氧） 丙基三甲氧基硅烷按質(zhì)量比為（0. 025~0. 075) : (0. 025~0. 075) : (0. 1~0. 3) : (0. 5~ L 5) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 005 ~0· 015)的比例構(gòu)成。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器的優(yōu)選方案，U形光纖的左、右臂均 具有上大下小的錐度；該左、右臂的錐頂直徑為120~125 μ m ;錐底直徑為60~65 μ m。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器的優(yōu)選方案，聚酰亞胺二氧化硅雜 化慮膜厚度為8~10 μ m，孔徑為0· 1~0· 45 μ m。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案，U形雙錐光纖生物膜傳感器的制備方法，其特點(diǎn) 是：包括如下步驟：
[0012] 第一步：取二根多模光纖分別作為測(cè)量傳感臂和參考傳感臂，設(shè)置多模光纖的中 部區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)，將測(cè)量區(qū)表面的光纖保護(hù)層去除；
[0013] 第二步：將測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的尾端制備成半球狀，使用射頻磁控濺射儀 在半球表面鍍上一層金屬膜；
[0014] 第三步：將測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的測(cè)量區(qū)制備成U形結(jié)構(gòu)；
[0015] 第四步：將測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的測(cè)量區(qū)插入質(zhì)量百分比濃度為0.25%~ 0. 5 %、溫度為20°C~30°C的氫氟酸腐蝕溶液中進(jìn)行腐蝕240~300分鐘，在重力的作用 下，測(cè)量傳感臂和參考傳感臂的測(cè)量區(qū)的左、右臂均具有上大下小的錐度；
[0016] 第五步：在參考傳感臂的測(cè)量區(qū)的光纖表面上涂覆聚酰亞胺二氧化硅雜化多孔濾 膜，并放置在250~300°C環(huán)境中干燥250~300小時(shí)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器的制備方法的優(yōu)選方案，聚 酰亞胺二氧化硅雜化慮膜為聚酰胺酸、對(duì)苯二胺、N，N-二甲基甲酰胺、無(wú)水乙醇、硅溶 膠、γ-(2, 3-環(huán)氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷按質(zhì)量比為（0.025~0.075) :(0.025~ 0· 075) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 5 ~L 5) : (0· 1 ~0· 3) : (0· 005 ~0· 015)的比例構(gòu)成。
[0018] 聚酰亞胺二氧化娃雜化慮膜厚度為8~10 μ m，孔徑為0. 1~0. 45 μ m。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器的制備方法的優(yōu)選方案，金屬膜為 鉑金膜，鉑金膜厚度為450~500nm〇
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)技術(shù)方案，利用本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器對(duì) 生物膜厚度進(jìn)行測(cè)量的方法，其特點(diǎn)是：
[0021] 生物膜厚度Db可以描述為：
[0022] Vhn； =J(Dh)
[0023] Vb為生物膜體積，《〖為生物膜折射率；
[0024]
[0025] K為傳感器輸出信號(hào)，Kf為參考傳感臂特征參數(shù)；1^是參考傳感臂測(cè)量區(qū)光纖表面 的平均凹陷深度Sf以及表面平均凹陷深度與平均凹陷直徑之比S f/Af的函數(shù)；KS為測(cè)量 傳感臂特征參數(shù)，Ks是測(cè)量傳感臂測(cè)量區(qū)光纖表面的平均凹陷深度δ s以及表面平均凹陷 深度與平均凹陷直徑之比Ss/λ3的函數(shù)；n 2，s是表示測(cè)量傳感臂U形區(qū)域的生物膜厚度 靈敏度系數(shù)。
[0026] 本發(fā)明所述的U形雙錐光纖生物膜傳感器以及制作與測(cè)量方法的有益效果是，本 發(fā)明解決了現(xiàn)有傳感器無(wú)法在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量整個(gè)生物膜生長(zhǎng)過(guò)程生物膜厚度的問(wèn)題；本發(fā)明 結(jié)構(gòu)獨(dú)特，制作方法簡(jiǎn)單，微型化，光纖化，本發(fā)明具有一般光纖傳感器的優(yōu)越性，不易受電 磁干擾，傳感器尺寸小、輕；本發(fā)明采用雙探針傳感器，即利用測(cè)量傳感臂和參考參考臂同 時(shí)檢測(cè)生物膜，消除了生物膜生長(zhǎng)過(guò)程液相濃度及成分變化對(duì)生物膜厚度測(cè)量帶來(lái)影響， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物膜生長(zhǎng)全過(guò)程的在線(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量；測(cè)量傳感臂和參考參考臂的測(cè)量區(qū)采用U 形雙錐結(jié)構(gòu)，提高了光纖表面發(fā)光強(qiáng)度及其透射深度，提高了傳感器測(cè)量上限，具有良好應(yīng) 用前景，可廣泛應(yīng)用于生物、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 圖1是測(cè)量傳感臂的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2是參考傳感臂的結(jié)構(gòu)示意圖。
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