一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器及其组装方法

摘要

本发明公开了一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器及其组装方法，该传感器包括光源、光纤、毛细管、光电倍增管检测器和液体输送单元；光纤左端保留表面的外包层，中部及右端部分完全去除外包层裸露出光纤芯体，光纤芯体插入毛细管内部且延伸出毛细管，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池；毛细管左端侧壁上设置进液口，右端侧壁上设置出液口；在输液管上设置吸附柱或者在流通池内光纤芯体表面包埋吸附材料层，光源位于光纤左侧且与光纤耦合连接，毛细管下方设置光电倍增管检测渐逝场强度的变化。本发明利用预富集技术，将待分析物预先富集在吸附材料上，通过固相萃取，消除基质的干扰，同时又提高了选择性和灵敏度，实现痕量分析物的检测。

说明书

技术领域

本发明属于光学传感器件领域，具体涉及一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器及其组装方法。

背景技术

光纤化学传感器是将光导纤维与光谱技术相结合，借助光纤进行光信号传递，在光纤末端或表面装上讯号发生层的一种装置。光纤结构的主体为折射率较高的纤芯和折射率较低的包层，二者对光的传播起着决定性作用；全反射是光纤的工作基础，光线在光纤中发生全反射需要两个条件：(1)光由光密介质射向光疏介质；(2)入射角大于或等于全反射的临界角。光纤传感器具有快的响应速度，传输信息容量大，可实现远距离无损耗传输，已广泛应用于环境监测、食品安全、建筑安全监测、网络信息传输、医疗卫生等各个领域。渐逝场型光纤传感器是使用最多的一种传感器，它将涂覆层去除，用化学方法腐蚀全部包层和部分纤芯，光在传输过程中，待测物质将作为新的包层，只需探测光输出功率或输出光谱即可，实现对待分析物的高灵敏实时监测。由于其得到广泛运用，且在各个领域运用很广泛，对其要求也越来越高，为了实现对痕量重金属的检测，要求更高的灵敏度和选择性，于是提出在线固相萃取实现对痕量分析物的预先富集，消除机制干扰，同时用少量洗脱剂洗脱，提高灵敏度，降低检测下限。

由光源发出的光经过光纤送入调制区(固定有敏感试剂)，被测物质与试剂相作用，引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学特性发生变化，被调制的信号光经过光纤送入光探测器和一些信号处理装置，最终获得待分析物的信息。那么在光纤渐逝场传感器中，光在光纤中传播是基于全反射原理，当光从光密介质传输到光疏介质，入射角大于临界角时，发生全反射，在全反射时有部分光波透出纤芯-包层界面进入到包层大约一个波长量级，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回纤芯，沿包层表面流动的光波称为渐逝场，光纤渐逝场传感器在传感区将溶液或者气体等待测物质作为包层，待测物的吸收会使渐逝场能量衰减，这样就可以通过检测传输能量及光谱的变化来得到待测物的相关信息。

目前光纤传感器已广泛应用于物质成份测量。用于物质成份探测的光纤传感器，按照响应机制区分主要有传光型传感器，传感型传感器等。传光型光纤传感器由于光被介质吸收，输出光强将发生变化，通过探测输出光强的变化来反应待测物的信息，传光型光纤传感器对机械对准精密要求极高，传感距离有限，传感器的结构复杂，制作成本高，稳定性相对较差。传感型传感器的基本原理是待测样品与光纤渐逝场的光相互作用后传输光能量衰减，通过检测器来探测衰减量大小的方法测出待测物的浓度等，具有设计简单、灵敏度高，易与其他传感技术相结合的特点。由于渐逝场型光纤传感器特殊的优势，其已受到国内外研究的重视，对于各类分析物，希望能对更加低浓度的检出进行定性定量分析检测，于是提出结合预富集柱，将吸附材料填充在流通管路中或者包埋在光纤表面，实现对痕量分析物的实时在线高灵敏检测。

发明内容

本发明的一个目的是提高光纤渐逝场传感器的检测灵敏度，消除基质干扰，有益于检测更低浓度的分析物。

本发明还有一个目的是提供一种光纤渐逝场传感器的组装方法，结构简单，成本较低，实现传感器微型化，设计模块化。

为了实现本发明这些目的和其它优点，本发明提供了一种新型的固相萃取功能型光纤渐逝场传感器及其组装方法。

上述的固相萃取功能型光纤渐逝场传感器，包括光源、光纤、毛细管、光电倍增管检测器和液体输送单元。

所述光纤左端保留表面的外包层，中部及右端部分完全去除外包层裸露出光纤芯体，光纤芯体插入毛细管内部且延伸出毛细管，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池；毛细管左端侧壁上设置进液口，右端侧壁上设置出液口；所述液体输送单元包括输液管和蠕动泵，输液管一端连接毛细管的进液口，输液管另一端通过三通阀连接有第一支管和第二支管，第一支管上设有第一蠕动泵，第一支管末端连接洗脱液池，第二支管上设有第二蠕动泵，第二支管末端连接敏感液池；在输液管上设置吸附柱或者在流通池内光纤芯体表面包埋吸附材料层；光源位于光纤左侧且与光纤耦合连接，毛细管下方设置光电倍增管检测器检测渐逝场强度的变化，光电倍增管检测器连接至数据处理设备。

优选的是，所述吸附材料层包埋在光纤芯体左半段表面。

优选的是，所述吸附柱为内部填充吸附剂颗粒的玻璃柱，玻璃柱两端连接输液管，吸附柱安装位置靠近进液口。

优选的是，所述吸附剂颗粒为纳米磁性吸附剂颗粒。

一种组装固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的方法，包括如下步骤：

S1、去除光纤外包层

用丙酮溶液浸泡处理光纤，将其外包层腐蚀去掉，裸露出光纤芯体；

S2、包埋吸附材料

通过溶胶凝胶法在光纤芯体表面一端包埋吸附材料层；

S3、光源选择

根据待测物分子的光谱性能选择特定波长的光源；

S4、部件组装

S41、将光纤芯体插入到毛细管内部且延伸出毛细管，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池，将LED光源设置在光纤左侧且与光纤耦合连接，使光线在光纤中传播；

S42、在毛细管左端侧壁面开设进液口，右端侧壁面开设出液口；进液口连接输液管，输液管另一端通过三通阀连接有第一支管和第二支管，第一支管上安装第一蠕动泵，第一支管末端连接洗脱液池，第二支管上安装第二蠕动泵，第二支管末端连接含有待测物的敏感液池；

S43、在毛细管下方设置光电倍增管检测器，光电倍增管检测器连接至数据处理设备，即得到光纤渐逝场传感器。

优选的是，所述步骤S2的具体操作：将正硅酸乙酯与无水乙醇按体积比1:4混合，得到溶液A；将水、盐酸和无水乙醇混合，得到溶液B；搅拌条件下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中，放置24h，形成溶胶；将吸附材料加入溶胶中，分散均匀，涂覆在光纤芯体表面，自然风干。

优选的是，所述步骤S2的具体操作：将10ml正硅酸乙酯与40ml无水乙醇混合均匀，得到溶液A；量取2.4mL水和0.4ml盐酸加人到17.0mL无水乙醇中，得到溶液B；将溶液B在磁力搅拌下缓慢滴加到溶液A中，放置24h，形成溶胶；将吸附材料加入溶胶中，分散均匀，涂覆在光纤芯体表面，自然风干。

优选的是，所述步骤S3的具体操作：用紫外可见分光光度计测定出待测物的最大吸收波长，采用具有该最大吸收波长的LED光源。

优选的是，所述步骤S1中，将光纤用丙酮浸泡时间20-30min，保留光纤一端的外包层，腐蚀去掉光纤中部及以下的外包层，裸露出光纤芯体，再用碱液浸泡20-30min清洗光纤芯体表面。

另一种组装固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的方法，包括如下步骤：

S1、去除光纤外包层

用丙酮浸泡处理光纤，保留光纤左端的外包层，腐蚀去掉光纤中部及右端的外包层，裸露出光纤芯体，再用碱液浸泡20-30min清洗光纤表面；

S2、光源选择

用紫外可见分光光度计测定出待测物的最大吸收波长，采用具有该最大吸收波长的LED光源；

S3、部件组装

S31、将光纤芯体插入到毛细管内部，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池，将LED光源设置在光纤左侧且与光纤耦合连接，使光线在光纤中传播；

S32、毛细管左端侧壁面开设进液口，右端端口开设出液口；进液口连接输液管，输液管管路上靠近进液口位置安装吸附柱，输液管另一端通过三通阀连接有第一支管和第二支管，第一支管上安装第一蠕动泵，第一支管末端连接洗脱液池，第二支管上安装第二蠕动泵，第二支管末端连接含有待测物的敏感液池；

S33、在毛细管下方设置光电倍增管检测器，光电倍增管的光学窗口平行于光纤，光电倍增管检测器连接至数据处理设备，即得到光纤渐逝场传感器。

本发明的光纤渐逝场传感器的检测方法：将含有待测物的敏感溶液通过第二蠕动泵泵入管路中，通过化学吸附作用保留在吸附材料上，然后再用第一蠕动泵将洗脱试剂泵入管路，将待分析物竞争洗脱下来，通过显色反应对渐逝场的吸收，光电倍增管检测渐逝场强度的变化实现实时在线检测。

本发明的有益之处在于：

(1)该传感器利用预富集技术将吸附材料填充在流通管路中或者包埋在光纤表面，将待分析物预先富集在吸附材料上，通过固相萃取，消除基质的干扰，同时提高了选择性和灵敏度，实现对痕量分析物的实时在线高灵敏检测。

(2)该传感器使用LED灯作为光源耦合高灵敏的光纤，光纤再与灵敏的光电倍增管耦合，将传感器各功能器件集成在一段光纤上，将“传”与“感”相结合。

(3)该传感器通过检测渐逝场强度的变化，可与其他传感技术相结合，比如显色反应、荧光猝灭、产生荧光等，选择合适的光源，显色剂或者荧光物质，实现对分析物的检测；且采用基本的光学元件，结构简单，成本较低，实现传感器微型化，设计模块化。

附图说明

图1、固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的结构示意图。

图2、另一实施例中固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的结构示意图。

图中标号：

光源1、光纤2、毛细管3、光电倍增管检测器4、外包层21、光纤芯体22、吸附材料层23、进液口31、出液口32、输液管5、三通阀6、第一蠕动泵7、洗脱液池8、第二蠕动泵9、敏感液池10、渐逝波11、数据处理设备12、吸附柱13。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器，包括光源1、光纤2、毛细管3、光电倍增管检测器4和液体输送单元。所述光源为具有特定波长的LED灯，功耗为15mA×3.05V。所述光纤的内径为0.6mm，毛细管内径为0.8mm。

所述光纤左端保留表面的外包层21，中部及右端部分完全去除外包层裸露出光纤芯体22，光纤芯体插入毛细管内部且延伸出毛细管，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成μL级体积的液体流通池，流通池内光纤芯体表面包埋吸附材料层23。吸附材料颗粒包埋在光纤芯体左半段表面，该吸附材料为纳米磁性吸附剂颗粒。毛细管左端侧壁上设置进液口31，右端侧壁上设置出液口32；所述液体输送单元包括输液管5和蠕动泵，输液管一端连接毛细管的进液口，输液管另一端通过三通阀6连接有第一支管和第二支管，第一支管上设有第一蠕动泵7，第一支管末端连接洗脱液池8，第二支管上设有第二蠕动泵9，第二支管末端连接敏感液池10；光源位于光纤左侧且与光纤耦合连接，毛细管下方设置光电倍增管检测器检测渐逝场渐逝波11强度的变化，光电倍增管检测器连接至数据处理设备12，该数据处理设备为电脑。

另一实施例中，如图1所示，所述光纤左端保留表面的外包层21，中部及右端部分完全去除外包层裸露出光纤芯22体，光纤芯体插入毛细管3内部且延伸出毛细管，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池；毛细管左端侧壁上设置进液口31，右端侧壁上设置出液口32；所述液体输送单元包括输液管5和蠕动泵，输液管一端连接毛细管的进液口，输液管另一端通过三通阀6连接有第一支管和第二支管，第一支管上设有第一蠕动泵7，第一支管末端连接洗脱液池8，第二支管上设有第二蠕动泵9，第二支管末端连接敏感液池10；在输液管上设置吸附柱13，所述吸附柱为内部填充吸附剂颗粒的玻璃柱，玻璃柱两端连接输液管，吸附柱安装位置靠近进液口，所述吸附剂颗粒为纳米磁性吸附剂颗粒。光源位于光纤左侧且与光纤耦合连接，毛细管下方设置光电倍增管检测器检测渐逝场11强度的变化，光电倍增管检测器连接至数据处理设备12，该数据处理设备为电脑。

光源与光纤耦合，当特定波长的光由光纤表面到光纤与毛细管形成的流通环隙时，会激发光纤表面的渐逝场，当含有待测物的敏感溶液通过蠕动泵泵入到流通管道中，进入流通池，包埋吸附的预富集材料在光纤表面，敏感溶液通过光纤表面吸附材料被保留，然后泵入适当的洗脱试剂会竞争吸附洗脱预先保留在吸附材料上的待测试剂，发生显色反应从而吸收渐逝场，导致渐逝场强度的衰减；若包埋的材料吸附同时发生显色反应而产生对渐逝场的吸收，流通池下方耦合一个光电倍增管探测器渐逝场强度的变化，并将捕获的信号传输到电脑上的N3000工作站上，测得待测物的浓度。

组装方法一：

一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的组装方法如下：

基本光学元件及管路的准备：特定波长的小型LED灯(15mA×3.05V，中国深圳)、毛细管、光纤(内径600μm)、光电倍增管检测器PMT(H10722-01)、蠕动泵(HL-2B)、毛细管(内径0.8mm)。包括如下步骤：

S1、去除光纤外包层：用丙酮浸泡处理光纤，浸泡时间20-30min，保留光纤左端的外包层，腐蚀去掉中部及右端的外包层，裸露出光纤芯体，再用碱液浸泡20-30min清洗光纤表面。

S2、包埋吸附材料：通过溶胶凝胶法在光纤芯体表面一端包埋吸附材料层。具体操作为：将正硅酸乙酯与无水乙醇按体积比1:4混合，得到溶液A；将水、盐酸和无水乙醇混合，得到溶液B；搅拌条件下，将溶液B缓慢滴加到溶液A中，放置24h，形成溶胶；将吸附材料加入溶胶中，分散均匀，涂覆在光纤芯体表面，自然风干。进一步优选的操作方法是：将10ml正硅酸乙酯与40ml无水乙醇混合均匀，得到溶液A；量取2.4mL水和0.4ml盐酸加人到17.0mL无水乙醇中，得到溶液B；将溶液B在磁力搅拌下缓慢滴加到溶液A中，放置24h，形成溶胶；将吸附材料加入溶胶中，分散均匀，涂覆在光纤芯体表面，自然风干。

S3、光源选择：根据待测物分子的光谱性能选择特定波长的光源。用紫外可见分光光度计测定出待测物的最大吸收波长，采用具有该最大吸收波长的LED光源。

S4、部件组装，具体包括如下步骤：S41、将光纤芯体插入到毛细管内部，光纤芯体与毛细管之间的空隙形成液体流通池，将LED光源设置在光纤左侧且与光纤耦合连接，使光线在光纤中传播；S42、在毛细管左端侧壁面开设进液口，右端侧壁面开设出液口；进液口连接输液管，输液管另一端通过三通阀连接有第一支管和第二支管，第一支管上安装第一蠕动泵，第一支管末端连接洗脱液池，第二支管上安装第二蠕动泵，第二支管末端连接含有待测物的敏感液池；S43、在毛细管下方设置光电倍增管检测器，光电倍增管检测器连接至数据处理设备，即得到光纤渐逝场传感器。

组装方法二：

一种固相萃取功能型光纤渐逝场传感器的组装方法如下：

基本光学元件及管路的准备：特定波长的小型LED灯(15mA×3.05V，中国深圳)、毛细管、光纤(内径600μm)、光电倍增管检测器PMT(H10722-01)、蠕动泵(HL-2B)、毛细管(内径0.8mm)、吸附柱(内部填充吸附剂颗粒的玻璃柱)。包括如下步骤：

S1、去除光纤外包层：用丙酮浸泡处理光纤，浸泡时间20-30min，保留光纤左端的外包层，腐蚀去掉中部及右端的外包层，裸露出光纤芯体，再用碱液浸泡20-30min清洗光纤表面；

S2、光源选择：用紫外可见分光光度计测定出待测物的最大吸收波长，采用具有该最大吸收波长的LED光源；

S3、部件组装：

S31、将光纤芯体插入到毛细管内部，光纤芯体与毛细管之间的空隙两端密封形成液体流通池，将LED光源设置在光纤左侧且与光纤耦合连接，使光线在光纤中传播；

S32、毛细管左端侧壁面开设进液口，右端端口开设出液口；进液口连接输液管，输液管管路上靠近进液口位置安装吸附柱，输液管另一端通过三通阀连接有第一支管和第二支管，第一支管上安装第一蠕动泵，第一支管末端连接洗脱液池，第二支管上安装第二蠕动泵，第二支管末端连接含有待测物的敏感液池；第一蠕动泵和第二蠕动泵泵入的液体先流经吸附柱，再进入流通池。

S33、在毛细管下方设置光电倍增管检测器，光电倍增管的光学窗口平行于光纤，光电倍增管检测器连接至数据处理设备，即得到光纤渐逝场传感器。

本发明的光纤渐逝场传感器的检测方法：将含有待测物的敏感溶液通过第二蠕动泵泵入管路中，通过化学吸附作用保留在吸附材料上，然后再用第一蠕动泵将洗脱试剂泵入管路，将待分析物竞争洗脱下来，通过显色反应对渐逝场的吸收，光电倍增管检测渐逝场强度的变化实现实时在线检测。

综上所述，本发明以自制的光纤渐逝场传感器为基础，利用预富集技术将吸附材料填充在流通管路中或者包埋在光纤表面，将待分析物预先富集在吸附材料上，通过固相萃取，消除基质的干扰，同时提高了选择性和灵敏度，实现对痕量分析物的实时在线高灵敏检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。