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一種光學(xué)氧氣傳感器的制作方法

文檔序號(hào):6029789閱讀:300來源:國(guó)知局
專利名稱:一種光學(xué)氧氣傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及光學(xué)氧氣傳感器,具體地涉及一種基于熒光猝滅、可以對(duì)氣體中含氧
量進(jìn)行實(shí)時(shí)在體測(cè)定的光學(xué)氧傳感器。
背景技術(shù)
傳統(tǒng)的氧測(cè)定方法有兩種,即Clark氧電極法和Winkler滴定法。Clark氧電極 法可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)定,但需要消耗氧,且只能進(jìn)行水體中氧的測(cè)定,樣品中存在的H^、蛋 白質(zhì)等物質(zhì)容易毒化所用電極。Winkler滴定法有效且結(jié)果準(zhǔn)確,但存在試劑消耗量大,操 作過程復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等問題。光學(xué)氧傳感器在上世紀(jì)八十年代中期逐漸發(fā)展起 來,它主要是利用氧作用熒光猝滅的原理來測(cè)定氧,不涉及氧的質(zhì)量消耗,且測(cè)定所需的平 衡時(shí)間很短,具有高靈敏度、易微型化、適于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生 物、臨床醫(yī)學(xué)及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)氧傳感器,其為一種具有快速響應(yīng)、易微型化、適于 實(shí)時(shí)在線測(cè)量氣態(tài)氧含量的光學(xué)氧傳感器;利用激發(fā)光源照射到氧熒光敏感膜上,發(fā)射的 熒光被大面積的光電轉(zhuǎn)換器件接收檢測(cè),能夠有效減少激發(fā)光源和發(fā)射熒光傳輸?shù)哪芰繐p 失。 為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 —種光學(xué)氧氣傳感器,包括光學(xué)氧傳感探頭,光學(xué)氧傳感探頭由激發(fā)光源和光電 轉(zhuǎn)換器件及氧熒光敏感膜構(gòu)成,所述激發(fā)光源和光電轉(zhuǎn)換器件置于一套筒內(nèi),套筒為上端 開口的筒狀結(jié)構(gòu),在套筒的開口端鑲嵌有載體,載體為半透膜或多孔材料制成,氧熒光敏感 膜涂敷于載體的下表面。 所述激發(fā)光源的發(fā)射光照射在氧熒光敏感膜,氧熒光敏感膜上發(fā)射擊的熒光被光 電轉(zhuǎn)換器件接收;激發(fā)光源的發(fā)射光路的中心線與光電轉(zhuǎn)換器件接收光路的中心線相互成 0-90度的夾角;最好成15-45度的夾角,此時(shí),激發(fā)光源在發(fā)散角內(nèi)能最大面積的照射到氧 熒光敏感膜上,發(fā)射的熒光也能最大程度的被光電轉(zhuǎn)換器件接收;所述載體的下表面最好 為內(nèi)球面或內(nèi)橢球面。 于所述光電轉(zhuǎn)換器件接收窗前方設(shè)置有濾光片,濾光片與光電轉(zhuǎn)換器件偶聯(lián),用 于收集和傳輸氧熒光敏感膜上的熒光。 于激發(fā)光源和光電轉(zhuǎn)換器件之間設(shè)置有擋板;所述激發(fā)光源和光電轉(zhuǎn)換器件均組 裝在印刷電路板上; 所述的激發(fā)光源為高功率發(fā)光二極管或能發(fā)射出合適波長(zhǎng)的脈沖燈;所述激發(fā)光 源可為1-10個(gè)或IO個(gè)以上;所述用于信號(hào)接收和處理的光電轉(zhuǎn)換器件,可為光電倍增管 (PMT)、雪崩光電二極管(APD)、硅光電池(Si_PCell)或電荷耦合光電檢測(cè)器(CCD);氧熒光 敏感膜由對(duì)氧光敏感分子經(jīng)溶膠凝膠技術(shù)固定在一定的無機(jī)(如溶膠凝膠基質(zhì))或有機(jī)的透明半透膜材料(如PDMS,PMMA等)內(nèi)獲得;探頭固定套筒由金屬材料(如不銹鋼,鋁等)、 非金屬材料(如陶瓷)或高分子材料(如PVC, Teflon等)制成。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 所述的氧傳感器由激發(fā)光源與光電轉(zhuǎn)換器件及氧熒光敏感膜組成,激發(fā)光源與光 電轉(zhuǎn)換器件中心線經(jīng)過優(yōu)化成一定角度,使得激發(fā)光源在發(fā)散角范圍內(nèi)能夠全部照射到熒 光敏感膜上。橢圓形的氧熒光敏感膜對(duì)發(fā)射的熒光有一定的會(huì)聚作用,發(fā)射熒光經(jīng)過濾光 片后進(jìn)入大面積的光電轉(zhuǎn)換器件,使得熒光能夠得到最大效率的接收。因而,本發(fā)明能夠有 效減少光傳輸?shù)哪芰繐p失,具有熒光激發(fā)效率高、光能利用率高、熒光接收效率高和檢測(cè)效 率高的特點(diǎn)。 同時(shí),本發(fā)明光學(xué)氧傳感器,其光學(xué)氧傳感探頭組裝在橋形印刷電路板上,可靈活
地與不同的氧熒光敏感膜組合,極大地簡(jiǎn)化了操作和儀器結(jié)構(gòu),有利于擴(kuò)大儀器的應(yīng)用范 圍,具有成本低、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性和重復(fù)性好,不消耗氧等優(yōu)點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)傳感器的微小型
化,能實(shí)時(shí)在線連續(xù)檢測(cè)氣體中的氧含量。


圖1為一種光學(xué)氧傳感器測(cè)定氣態(tài)氧的示意圖; 其中101為激發(fā)光源(如高功率發(fā)光二極管或脈沖式光源),102為印刷電路 板,103為光電轉(zhuǎn)換器件(如光電倍增管或硅光電池),104為濾光片,105為光學(xué)擋板,201 為氧熒光敏感膜,202為載體半透膜,203為探頭固定套筒組件
圖2為所制備的光學(xué)氧傳感器對(duì)不同濃度氣態(tài)氧的響應(yīng)。
圖3為所制備的光學(xué)氧傳感器對(duì)純氧和純氮的響應(yīng)。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例l 如圖1所示,本發(fā)明一種光學(xué)氧傳感器,該氧傳感器主要由高功率發(fā)光二極管形 成的激發(fā)光源101,印刷電路板102,光電轉(zhuǎn)換器件103,濾光片104,氧熒光敏感膜201組 成,此外還有由半透膜構(gòu)成的載體202、探頭固定套筒203等附件組成。
所述激發(fā)光源101和光電轉(zhuǎn)換器件103置于套筒203內(nèi),套筒203為上端開口的 筒狀結(jié)構(gòu),在套筒203的開口端鑲嵌有載體202,氧熒光敏感膜201涂敷于載體202的下表 面;載體202的下表面為內(nèi)橢球面; 所述激發(fā)光源101的發(fā)射光照射在氧熒光敏感膜201,氧熒光敏感膜201上發(fā)射擊 的熒光被光電轉(zhuǎn)換器件103接收;激發(fā)光源101的發(fā)射光路的中心線與光電轉(zhuǎn)換器件103 接收光路的中心線相互成15-45度的夾角。 于所述光電轉(zhuǎn)換器件103接收窗前方設(shè)置有濾光片104,濾光片104與光電轉(zhuǎn)換器 件偶聯(lián),用于收集和傳輸氧熒光敏感膜上的熒光; 于激發(fā)光源101和光電轉(zhuǎn)換器件103之間設(shè)置有擋板105 ;所述的激發(fā)光源101和 光電轉(zhuǎn)換器件103固定組裝在印刷電路板102上。 本發(fā)明檢測(cè)池體和探頭固定套筒203可以由金屬材質(zhì)、非金屬材質(zhì)或高分子等非 金屬材質(zhì)加工而成。其中金屬材料如不銹鋼、鋁等;非金屬材料如陶瓷;高分子材料如聚醚醚酮(PEEK)、特氟龍(Teflon)或聚碳酸酯(PC)等。 所述的激發(fā)光源為高功率發(fā)光二極管或能發(fā)射出合適波長(zhǎng)的脈沖燈;所述光電 轉(zhuǎn)換器件用于信號(hào)接收和處理,可為光電倍增管(PMT)、雪崩光電二極管(APD)、硅光電池 (Si_PCell)或電荷耦合光電檢測(cè)器(CCD);氧熒光敏感膜通過將氧熒光敏感物質(zhì)經(jīng)溶膠凝 膠技術(shù)固定在一定的無機(jī)或有機(jī)的半透膜材料內(nèi)獲得;
氧氣的檢測(cè)過程如下 1)激發(fā)光源101和光電轉(zhuǎn)換器件103中心線之間成一定角度。優(yōu)選方案中,當(dāng)兩
者角度為30°時(shí),可以最好的光源激發(fā)效率和得到最好的熒光收集效率。 2)傳感器采用一個(gè)高功率發(fā)光二極管為激發(fā)光源IOI,激發(fā)光在較大的發(fā)散角全
部照射到氧熒光敏感膜201上,產(chǎn)生的熒光經(jīng)過濾光片104傳輸至光電轉(zhuǎn)換器件103中進(jìn)
行檢測(cè)。 3)氧熒光敏感膜201涂覆于橢圓形載體半透膜202內(nèi)表面,半透膜對(duì)發(fā)射的熒光 有一定程度的會(huì)聚作用。 4)氧熒光敏感膜的選擇選擇包埋有熒光探針的氧熒光敏感膜,如包埋有釕絡(luò) 合物[Anal. Chem. 2005,77 :2670, The Analyst 2008, 133 :241]、金屬鈀絡(luò)合物(Sens. Actuators B Chem. 2002,82 :200.]或金屬鉬絡(luò)合物[Sens. Actuators B Chem. 2007,124 : 376]等熒光探針分子作為熒光傳感膜。 5)激發(fā)光源101和光電轉(zhuǎn)換器件103固定組裝在印刷電路板102上,便于探頭的 微型化。 應(yīng)用例 將包埋有熒光探針[Ru(dTO)3]2+的氧熒光敏感膜安裝在實(shí)施例1所述探頭上,同 時(shí)將中心波長(zhǎng)為460nm的藍(lán)色高功率LED和PMT安裝在橋型印刷電路板PCB上,懸空在凹 面熒光膜下方。密封池安裝在電路板上。光源LED在較大的發(fā)散角內(nèi)對(duì)氧熒光敏感膜進(jìn)行 激發(fā),發(fā)射熒光通過長(zhǎng)通濾光片(LP610)進(jìn)入光電倍增管中(R5784)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)有氧氣 存在時(shí),激發(fā)態(tài)熒光探針分子能量轉(zhuǎn)移給氧氣分子,熒光探針分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài),產(chǎn)生 熒光猝滅。如圖2、圖3所示,可以看出該傳感器在較寬范圍內(nèi)(0-100%)對(duì)氧氣有敏感響 應(yīng),且所需響應(yīng)時(shí)間很短,約為ls。
權(quán)利要求
一種光學(xué)氧氣傳感器,包括光學(xué)氧傳感探頭,光學(xué)氧傳感探頭由激發(fā)光源(101)和光電轉(zhuǎn)換器件(103)及氧熒光敏感膜(201)構(gòu)成,其特征在于所述激發(fā)光源(101)和光電轉(zhuǎn)換器件(103)置于一套筒(203)內(nèi),套筒(203)為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu),在套筒(203)的開口端鑲嵌有載體(202),載體(202)為半透膜或多孔材料制成,氧熒光敏感膜(201)涂敷于載體(202)的下表面。
2. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于所述激發(fā)光源(101)的發(fā)射光照射 在氧熒光敏感膜(201),氧熒光敏感膜(201)上發(fā)射擊的熒光被光電轉(zhuǎn)換器件(103)接收; 激發(fā)光源(101)的發(fā)射光路的中心線與光電轉(zhuǎn)換器件(103)接收光路的中心線相互成0-90 度的夾角。
3. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于所述激發(fā)光源(101)的發(fā)射光路的 中心線與光電轉(zhuǎn)換器件(103)接收光路的中心線相互成15-45度的夾角。
4. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于所述載體(202)的下表面為內(nèi)球面 或內(nèi)橢球面。
5. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于于所述光電轉(zhuǎn)換器件(103)接收窗 前方設(shè)置有濾光片(104),濾光片(104)與光電轉(zhuǎn)換器件偶聯(lián),用于收集和傳輸氧熒光敏感 膜上的熒光。
6. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于于激發(fā)光源(101)和光電轉(zhuǎn)換器件 (103)之間設(shè)置有擋板(105)。
7. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于所述激發(fā)光源(101)和光電轉(zhuǎn)換器 件(103)均組裝在印刷電路板(102)上。
8. 按照權(quán)利要求1的光學(xué)氧傳感器,其特征在于所述激發(fā)光源(101)為1-10個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)氧氣傳感器,包括光學(xué)氧傳感探頭,光學(xué)氧傳感探頭由激發(fā)光源和光電轉(zhuǎn)換器件及氧熒光敏感膜構(gòu)成,所述激發(fā)光源和光電轉(zhuǎn)換器件置于一套筒內(nèi),套筒為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu),在套筒的開口端鑲嵌有載體,載體為半透膜或由多孔材料制成,氧熒光敏感膜涂敷于載體的下表面。本發(fā)明能夠有效減少光傳輸?shù)哪芰繐p失,具有熒光激發(fā)效率高、光能利用率高、熒光接收效率高和檢測(cè)效率高的特點(diǎn),能實(shí)時(shí)在線連續(xù)檢測(cè)氣體中的氧含量。
文檔編號(hào)G01N21/64GK101750402SQ20081022987
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者關(guān)亞風(fēng), 徐靜, 熊艷, 王建偉, 祁艷霞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
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