一種集束光纖螢光傳感器的製作方法

2023-12-06 13:26:41

專利名稱：一種集束光纖螢光傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體誘導螢光光纖傳感器，具體地涉及一種光纖傳感器，可對 氣、液等非固態螢光物質進行直接檢測，也可以與螢光傳感膜組合對非螢光物質進行間接 檢測。
背景技術：
螢光檢測作為一種光致發光型檢測技術，具有靈敏度高和選擇性強等優點，在痕 量樣品檢測中應用極為廣泛。螢光光纖傳感器以光導纖維為傳導手段，對螢光信號進行傳 輸，不僅具有螢光法靈敏度高和選擇性強的特點，還具有光纖抗電磁幹擾能力強，獲取的光 學信息傳輸損耗低，傳輸容量大，勿需參比裝置，光纖探頭製作簡便，易於微型化，可實時在 線等特點。當激發光纖將光源激發光傳輸到螢光試劑或敏感膜時，螢光試劑或敏感膜受到 激發發射螢光。同時檢測器對發射光纖傳輸的螢光信號進行檢測，實現對待測物的定量分 析。為了追求更高的靈敏度，目前對螢光傳感器的報導，大部分均是從提高光源強度 出發來增強螢光的發射。光源強度的增強確實可以在一定程度上提高螢光強度，但同時也 增加了光源對檢測的幹擾和能耗的增加。當一種螢光試劑受到激發光的照射發射螢光時， 由於螢光不具有方向性，因而考慮在各個方向上儘可能多地接收螢光，從而提高檢測的靈 敏度。

發明內容
本發明的目的在於提供了一種發光二極體誘導螢光光纖傳感器。採用多根光纖組 成集束接收光纖對各向同性的螢光儘可能多的進行收集，並通過優化集束光纖的單根光纖 與激發光纖之間的夾角，可以提高接收螢光的效率和獲得最佳信/噪比，提高檢測的靈敏 度。該傳感器可對氣、液等非固態螢光物質進行直接檢測，也可以與螢光傳感膜組合對非熒 光物質進行檢測。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是本發明利用發光二極體作為光源，通過一根光纖對螢光物質進行照射，通過多根 光纖環繞在發射光纖端面周圍對發射螢光進行儘可能多地收集，並通過優化單根接收光纖 與激發光纖的夾角，得到最好的螢光收集效率。—種集束光纖螢光傳感器，包括光源、激發光纖、接收光纖、濾光片、光電轉換器 件，激發光纖的入射端與光源耦合；所述接收光纖為N個，N > 3正整數，N個接收光纖的出 射端相平行貼接，並且其端面處於同一平面上，端面形成一合併端，合併端經濾光片與光電 轉換器件的光窗耦合，用於收集、傳輸螢光和實現光電信號的轉換；激發光纖的出射端及接收光纖的入射端處於同一平面，以激發光纖的出射端為對 稱軸，N個接收光纖的入射端成軸對稱均勻分布。在所述激發光纖的出射端及接收光纖的入射端所處的平面表面依次設置有玻片基質及螢光傳感薄膜；所述的螢光傳感薄膜由螢光探針分子通過一定的物理或化學方法包 埋在無機或有機透明材料中並塗覆在玻片基質上形成；所述光源，激發光纖、接收光纖、濾 光片、光電轉換器件通過套筒組件固定在一起。所述的光源為高功率或普通發光二極體。所述的激發光纖和集束接收光纖可以是塑料光纖、石英光纖等。所述的激發光纖數量為1根，激發光纖與光源耦合傳導激發光。所述的集束接收光纖的單根光纖端按照10-90°的角度均勻排列在激發光纖端的 周圍。所述的集束接收光纖的另一端通過耦合或熔融合併在一起，與濾光片及光電轉換 器件耦合，用於收集和傳輸螢光，以及光-電信號的轉換。所述光電轉換器件為一般的光電轉化器件，包括光電倍增管(PMT)、雪崩光電二極 管(APD)、矽光電池(Si_PCell)或電荷耦合光電檢測器(CCD)。所述的螢光傳感薄膜由對非螢光物質敏感的螢光探針分子經過吸附、化學鍵合或 包埋法(溶膠-凝膠法)固定在一定的無機或有機聚合物的透明材料內並塗覆於玻片基質 表面獲得。套筒組件的材質可以是金屬(如不鏽鋼、鋁等)或非金屬如特氟龍(Teflon)或 聚氯乙烯(PVC)或陶瓷。本發明具有如下優點1、目前對螢光傳感器的報導中，大部分是從提高光源強度出發來增強螢光的發 射。本發明是在不提高光源強度的條件下，提高螢光的接收效率，從而提高檢測的靈敏度。2、整個傳感器系統採用模塊化設計，更換相應的模塊，如更換不同波長的光源和 更換不同的濾光片，即可用於不同的測量系統。 3、該傳感器具有較強的實用性，可對氣、液等非固態螢光物質進行直接檢測，也可 以與螢光傳感膜組合對非螢光物質進行檢測。


圖1為一種直接檢測螢光物質的螢光光纖傳感器的示意圖。圖2為一種間接檢測螢光物質的螢光光纖傳感器的示意圖。圖中101為激發光源(如高功率或普通發光二極體)，102為激發光纖，103為集 束接收光纖的單根端，104為集束接收光纖的合併端，105為濾光片，106為螢光的光電轉換 器件(如矽光電池)，201為固定耦合各部分的套筒組件，301為透明載體片，302為螢光傳 感薄膜。
具體實施例方式實施例1如圖1所示，一種直接檢測螢光物質的螢光光纖傳感器，其結構包括激發光源 101 (高功率發光二極體)、激發光纖102、3根單根光纖組成的集束接收光纖103，所述激發 光源101的光路與激發光纖102的入射端相耦合，3根接收光纖103的出射端相平行貼接， 並且其端面處於同一平面上，端面形成一合併端104，集束接收光纖端面的合併端104經濾光片105與光電轉換器件106 (矽光電池)相耦合；激發光纖102的出射端及接收光纖103 的入射端處於同一平面，以激發光纖102的出射端為對稱軸，3個接收光纖103的入射端成 軸對稱均勻分布。所述的光纖傳感器的激發光源101、激發光纖102、3根單根光纖組成的集束接收 光纖、濾光片105及光電轉換器件106等各部分通過套筒組件201進行耦合固定，套筒組 件可以由金屬材質或高分子等非金屬材質加工而成。其中金屬材料可以是不鏽鋼、鈦鋁合 金等；非金屬材料如陶瓷；高分子材料如聚醚醚酮(PEEK)、特氟龍(Teflon)或聚氯乙烯 (PVC)；陶瓷等。組裝過程如下1)激發光源101、激發光纖102、多根單根光纖103組成的集束接收光纖、濾光片 105及信號接收和處理系統106等各部分通過套筒組件201進行耦合固定。2)集束接收光纖合併端104與信號接收和處理系統106之間設置有濾光片105。3)集束接收光纖的光纖單根端103均勻排列在激發光纖102周圍，與激發光纖 102 成 20-60° 夾角。4)傳感器採用一個高功率發光二極體為激發光源101，激發光源101與激發光纖 102耦合，激發光通過激發光纖102入射端照射到目標組分上，產生的螢光被集束接收光纖 的單根端103收集和傳輸到合併端104再經過濾光片105至矽光電池106中進行檢測。螢光物質的直接檢測過程如下以中心波長為465nm的藍色發光二極體為光源， 通過激發光纖一端對含有葉綠素a的溶液進行激發，發射螢光經集束接收光纖的單根端進 行收集和傳輸至集束光纖的合併端，通過帶通濾光片(BP 680nm)進入矽光電池進行檢測。 當有葉綠素a存在時，葉綠素a接收光源激發躍遷到激發態，然後回到基態產生螢光發射。 所發射的螢光與葉綠素的濃度成正比。集束光纖103接收葉綠素髮出的螢光信號，傳輸到 合併端104再經過濾光片105至光電倍增管(PMT) 106中進行檢測。實施例2如圖2所示，一種用於間接檢測非螢光物質的螢光光纖傳感器，與實施例1不同之處在於，所述接收光纖103為4個；以激發光纖102出射端為軸心，接收光纖103入射端均勻環繞排列，接收光纖103 均勻排列在激發光纖102周圍，接收光纖103入射端和激發光纖102出射端端面外側設置有透明載體片301，在 透明載體片301下表面塗敷包埋有螢光探針的傳感薄膜302。集束接收光纖端面的合併端 104與光電轉換器件106之間設置有濾光片105。所述的光纖傳感器的激發光源101、激發光纖102、多根單根光纖組成的集束接收 光纖、濾光片105及光電轉換器件106等各部分通過套筒組件201進行耦合固定，套筒組件 201可以由金屬材質或高分子等非金屬材質加工而成。其中金屬材料可以是不鏽鋼、鈦鋁 合金等；非金屬材料如陶瓷；高分子材料如聚醚醚酮(PEEK)、特氟龍(Teflon)或聚氯乙烯 (PVC)等。所述的激發光源101為高功率或普通發光二極體；所述矽光電池106用於接收和 處理螢光信號；螢光傳感薄膜302由對非螢光物質敏感的螢光探針分子經過吸附、化學鍵 合或包埋法(溶膠-凝膠法)固定在一定的無機或有機聚合物的透明材料內並塗覆在玻片
5基質301上獲得。組裝過程如下1)激發光源101、激發光纖102、多根單根光纖組成的集束接收光纖、濾光片105及 信號接收和處理系統106等各部分通過套筒組件201進行耦合固定。2)集束接收光纖合併端104與信號接收和處理系統106之間設置有濾光片105。3)集束接收光纖的光纖單根端103均勻排列在激發光纖102周圍，與激發光纖 102 成 20-60° 夾角。4)傳感器採用一個高功率發光二極體為激發光源101，激發光源101與激發光纖 102耦合，激發光通過激發光纖102入射端照射到螢光傳感薄膜302上，產生的螢光被集束 接收光纖的單根端103收集和傳輸到合併端104再經過濾光片105至矽光電池106中進行 檢測。5)螢光傳感薄膜302通常塗覆於載體玻璃片301上表面，載體玻璃片301下表面 固定於激發光纖102和的集束接受光纖單根光纖端103的總端底部中心位置，與激發光纖 102和集束接受光纖單根光纖端103的總端相對。6)螢光敏感薄膜302的製備對非螢光物質敏感的螢光探針分子經過吸附、化學 鍵合或包埋法(溶膠-凝膠法)固定在一定的無機或有機聚合物的透明材料內獲得。如二 氧化碳是一種非螢光氣體，製備對二氧化碳有敏感響應的傳感膜，選擇通過溶膠-凝膠法 包埋HPTS[Sens. Actuators B Chem. 2008,129 :120.]等螢光探針分子作為螢光傳感膜。非螢光物質的間接檢測過程如下將包埋有螢光探針HPTS的二氧化碳螢光敏感 薄膜安裝在實施例1所述激發光纖102和集束接受光纖單根端的合併端103底部中心位 置，以中心波長為460nm的藍色發光二極體為光源，通過激發光纖一端對二氧化碳螢光敏 感膜進行激發，發射螢光經集束接收光纖的單根端進行收集和傳輸至集束光纖的合併端， 通過長通濾光片(X。ut_。n490nm)進入矽光電池進行檢測。當有二氧化碳存在時，激發態螢光 探針分子能量轉移給二氧化碳分子，螢光探針分子從激發態回到基態，產生螢光猝滅。本發明採用發光二極體為激發光源，單根光纖作為激發光纖傳輸激發光，多根光 纖環繞在發射光纖出口端面周圍，組成集束光纖接收螢光，傳輸到合併端，經過濾光片傳輸 到光電轉換器件進行檢測。集束光纖中的單根光纖端按照一定夾角均勻排列在激發光纖周 圍。該傳感器結構簡單、使用方便、成本低廉，通過優化發射與接收光纖之間的夾角，可以高 效率的接收螢光並提高信噪比，提高檢測的靈敏度。該傳感器可對氣、液等非固態螢光物質 進行直接檢測，也可以與螢光傳感膜組合對非螢光物質進行檢測。
權利要求
1.一種集束光纖螢光傳感器，包括光源(101)、激發光纖(102)、接收光纖(103)、濾光 片(105)、光電轉換器件(106)，激發光纖(10 的入射端與光源(101)耦合；其特徵在於 所述接收光纖(10 為N個，N >3正整數，N個接收光纖(10 的出射端相平行貼接，並且 其端面處於同一平面上，端面形成一合併端(104)，合併端(104)經濾光片(105)與光電轉 換器件(106)的光窗耦合，用於收集、傳輸螢光和實現光電信號的轉換；激發光纖(102)的 出射端及接收光纖(10 的入射端處於同一平面，以激發光纖(10 的出射端為對稱軸，N 個接收光纖(10 的入射端成軸對稱均勻分布。
2.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於在所述激發光纖(102)的出射端及接 收光纖(10 的入射端所處的平面表面依次設置有玻片基質(301)及螢光傳感薄膜(302)； 所述的螢光傳感薄膜(302)由螢光探針分子通過一定的物理或化學方法包埋在無機或有 機透明材料中並塗覆在玻片基質(301)上形成。
3.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述光源(101)，激發光纖(102)、接收 光纖(103)、濾光片(105)、光電轉換器件(106)通過套筒組件O01)固定在一起。
4.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述光源(101)為高功率或普通發光 二極體。
5.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述激發光纖(102)和接收光纖(103) 為塑料光纖或石英光纖。
6.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述激發光纖(102)數量為1根。
7.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述接收光纖(103)在入射端按照 10-90°的角度均勻排列在激發光纖(102)出射端的周圍。
8.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述光電轉換器件(106)為一般的光 電轉化器件，包括光電倍增管、雪崩光電二極體、矽光電池或電荷耦合光電檢測器。
9.按照權利要求1所述的傳感器，其特徵在於所述套筒組件201的材質可以是金屬、 非金屬或陶瓷。
全文摘要
本發明涉及一種集束光纖螢光傳感器。該系統採用發光二極體為激發光源，單根光纖作為激發光纖傳輸激發光，多根光纖環繞在發射光纖出口端面周圍，組成集束光纖接收螢光，傳輸到合併端，經過濾光片傳輸到光電轉換器件進行檢測。集束光纖中的單根光纖端按照一定夾角均勻排列在激發光纖周圍。該傳感器結構簡單、使用方便、成本低廉，通過優化發射與接收光纖之間的夾角，可以高效率的接收螢光並提高信噪比，提高檢測的靈敏度。該傳感器可對氣、液等非固態螢光物質進行直接檢測，也可以與螢光傳感膜組合對非螢光物質進行檢測。
文檔編號G01N21/64GK102103081SQ200910248449
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月16日 優先權日2009年12月16日
發明者關亞風, 劉靜, 熊豔, 王建偉 申請人:中國科學院大連化學物理研究所