一种用于水域铅离子特异性检测的集成化光纤微流控传感系统

本发明属于光纤传感领域，综合利用微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型传感探头、微流控传感系统及dna适配体功能材料对铅离子特异性识别特性，构建一种集成化数显折射率测量系统，可用于对水域铅离子浓度的精密测量。

背景技术：

1、重金属元素是环境监测领域的一项重要指标，具有高毒性、浓度低、不可生物降解等特点。环境水域中的重金属主要来源是工业废水，包括汞、铅、镉、砷、铬等毒性较强的重金属，还包括铜、钴、镍、锌、硒等一般毒性的重金属，主要以离子形态存在。重金属离子进入生物体后，会和dna、rna及蛋白质等生物大分子结合，并使其结构发生不可逆改变，在环境生态系统中，通过食物链的富集作用传递给人类等高等动物，使免疫功能紊乱，还会使部分细胞无法正产参与代谢、排出废物，对人体健康有极大的毒性效应。

2、现有的重金属测定方法包括质谱法、色谱法、和电化学分析方法，检测限可达ppb(10-10)量级，但普遍存在传感系统体积庞大、耗时较长、分析步骤复杂、分析仪器昂贵、采样频率低以及仅适用于静态监测等缺点。值得注意的是，上述检测方法无法进行现场检测，在水质监测中，通常需要及时了解水环境污染程度以便迅速制定处理对策。而近年来光纤传感技术的出现与蓬勃发展为解决上述问题提供了理想的解决方案。光纤传感器件具有体积小、抗电磁干扰、易集成、可进行遥测和原位监测等特点，是实现环境水质长期、远距、实时动态监测的不二选择。

3、在众多光纤传感结构中，模间干涉型光纤传感器应用最广泛，光纤本身同时作为传输介质和传感单元，其主要原理是利用光纤内不同光路之间的光纤模式相遇时由于存在光程差而发生干涉的现象。因此，在模间干涉型光纤传感器中一般存在对输入光进行模式激发与耦合的结构。在实验室环境下，可以利用光谱仪实时监测光纤模间干涉型传感器的透射光谱，当外界环境中待测参量发生变化时，可以通过检测干涉光谱中的波长、强度、相位、频率、带宽等光学参量的变化解调出外界环境中待测量的变化，此类传感器具有成本低、耐腐蚀、尺寸小、灵敏度较高且制作工艺简单等特点。在特殊场景下，尤其是针对环境监测应用中无法实时解调信号、精度灵敏度低、设备体积庞大等问题，研制将光源、传感器、信号解调单元和显示装置集成在一起的高度集成化传感系统具有重要的实际应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是实现对水域铅离子的特异性检测，为此我们设计了一种基于铅离子特异性dna探针修饰的集成化光纤微流控重金属传感系统，该系统可用于水环境中铅离子浓度的高精度实时测量。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于水域铅离子特异性检测的集成化光纤微流控传感系统，该系统包括1550nm单波长激光器、微光纤辅助马赫-曾德尔光纤干涉型传感探头，光电探测单元，用于数据处理的单片机和用于显示测量液体折射率结果的液晶显示单元；

4、其中1550nm单波长激光器提供的1550nm入射光，通过所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型光纤传感芯片的传感探头后，出射光信号的光强信息被光电探测器转化为电压信息，电压信息模拟输入单片机后利用拟合公式可转化为折射率数据，经单片机模数转换后的数字信号驱动数码显示管输出液体样品信息，经液晶显示单元显示；

5、所述的微光纤表面修饰有铅离子特异性dna探针，其序列为gggtgggtgggtgggt，该探针可识别水中铅离子并发生构象变化，引起光纤表面局域折射率变化，导致传感探头透射光谱特性的改变。

6、进一步的，所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型传感探头的尺寸为百微米量级，单次测试所需样品耗样量仅为微升量级。

7、进一步的，利用石英毛细管和t型三通管对传感探头进行封装，以构建具有样品进出液口的微流控系统，实现对样品重金属离子水平的实时监测。

8、进一步的，当装载不同浓度重金属溶液样品时，发生构象变化的特异性dna探针数目不同，引起微光纤表面局域折射的变化，从而导致特定波长处干涉型传感探头透过光功率的变化，并通过光电探测单元将其转化为相应电压信号。

9、进一步的，当单波长激光信号通过所述的微光纤辅助的马赫-曾德尔干涉型传感探头之后，出射光信号的光强信息被光电探测器转换为电压信息，电压信息输入单片机后可利用拟合公式转化为液体样品的折射率信息，经模数转换后的数字信号驱动数码显示管输出样品信息。

10、进一步的，适用于对1550nm通信波段光的强度解调，同时光纤传感探头在特定波长下的透射光功率及其经光电转换后的电压信号随液体样品折射率变化呈线性关系，其线性拟合度均高于0.99。

11、进一步的，所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型光纤传感探头的生物探针敏化方法适用于包括汞、铅、铬、银、铜任一种重金属dna探针的光纤表面功能化。

12、本发明利用光纤拉锥机拉锥拉制直径为81.66μm、长度为318.57μm的微光纤，将其两端分别与标准单模光纤错位熔接制作微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型传感探头。当入射光传输到第一个错位熔接点时将分为两束，一束在错位熔接的微腔中传播，一束在微光纤中传播，两束光在第二个错位熔接点再次相遇时由于存在光程差而发生干涉现象，特定波长处的透射光强会随微腔内折射率的变化而发生改变，因此通过解调入射光中心波长的功率变化可以实现对外界环境折射率的感测。

13、入射光源提供1550nm入射光，通过所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型传感探头后，出射光信号的光强信息被光电探测器转化为电压信息，电压信息模拟输入单片机后利用拟合公式可转化为折射率数据，经单片机模数转换后的数字信号驱动数码显示管输出液体样品信息。基于上述原理可实现对环境折射率及其相关参量的高精度测量。

14、本发明的优点和有益效果：

15、本发明所述的用于水域铅离子特异性检测的集成化光纤微流控传感系统具有对水域环境中铅离子的良好特异性和传感灵敏度高的特点，同时所提出光电一体化的解调和显示方案同样适用于其它类型光纤传感器的集成，通过修饰不同重金属特异性探针，也可以实现对其它种类重金属离子的检测。

技术特征：

1.一种用于水域铅离子特异性检测的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于该系统包括1550nm单波长激光器、微光纤辅助马赫-曾德尔光纤干涉型传感探头，光电探测单元，用于数据处理的单片机和用于显示测量液体折射率结果的液晶显示单元；

2.根据权利要求1所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型传感探头的尺寸为百微米量级，单次测试所需样品耗样量仅为微升量级。

3.根据权利要求1所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于利用石英毛细管和t型三通管对传感探头进行封装，以构建具有样品进出液口的微流控系统，实现对样品重金属离子水平的实时监测。

4.根据权利要求1所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于当装载不同浓度重金属溶液样品时，发生构象变化的特异性dna探针数目不同，引起微光纤表面局域折射的变化，从而导致特定波长处干涉型传感探头透过光功率的变化，并通过光电探测单元将其转化为相应电压信号。

5.根据权利要求1所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于当单波长激光信号通过所述的微光纤辅助的马赫-曾德尔干涉型传感探头之后，出射光信号的光强信息被光电探测器转换为电压信息，电压信息输入单片机后可利用拟合公式转化为液体样品的折射率信息，经模数转换后的数字信号驱动数码显示管输出样品信息。

6.根据权利要求1所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于适用于对1550nm通信波段光的强度解调，同时光纤传感探头在特定波长下的透射光功率及其经光电转换后的电压信号随液体样品折射率变化呈线性关系，其线性拟合度均高于0.99。

7.根据权利要求1至6任一项所述的集成化光纤微流控传感系统，其特征在于所述微光纤辅助马赫-曾德尔干涉型光纤传感探头的生物探针敏化方法适用于包括汞、铅、铬、银、铜任一种重金属dna探针的光纤表面功能化。

技术总结一种用于水域铅离子特异性检测的集成化光纤微流控传感系统，属于光纤传感领域，本发明的核心部件包括两部分：一部分为上述微光纤辅助马赫‑曾德尔干涉型传感探头，其具有液体进口和液体出口，同时通过修饰铅离子特异性DNA探针，可用于对水域重金属离子浓度的实时监测；另一部分为光电探测单元，可将特定波长处传感器的输出光强信号转变为相应电压信号，这种强度解调方式可以避免使用传统波长解调系统所需的宽带光源和光谱分析仪。本发明将各组成单元集成化，具有系统体积小、成本低、集成度高的特点，能够实现从样品前处理到后续分析的微型化、自动化、集成化和便携化，适用于对环境水域重金属离子浓度的大规模在线监测。技术研发人员：张昊,杨妙玲,王芊,丁一鸣,王政绩,陈志豪,郭世钰受保护的技术使用者：南开大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25