一種同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于重金屬離子檢測設備范圍，特別涉及一種同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統。
【背景技術】
[0002]重金屬元素造成的污染由于具有長期性、累積性、潛伏性和不可逆性等特點，已成為危害最大的環境污染源之一。準確、及時測定環境、廢水及食品等載體中的重金屬污染物(重金屬離子的形式)濃度，是重金屬污染治理的關鍵。重金屬離子的常規分析方法主要有光譜法、色譜法、電化學法、生物檢測法、快速檢測法等[1]。近幾年，國家環境保護部先后出臺了一系列的水質中重金屬離子檢測法的標準，這些標準都是基于已經成熟的光譜法，如顯色劑絡合反應分光光度法[2]、原子吸收分光光度法[3]、原子熒光光譜法[4]、電感耦合等離子體質譜法[5]等等。目前，成熟的重金屬離子檢測儀器造價昂貴，結構復雜，一臺儀器通常只能針對一種重金屬污染物進行檢測。針對現用的重金屬離子監測儀器的缺點，一些實驗室開發了基于電化學分析方法[6，7]和生物化學分析方法[8，9]的儀器，這些儀器檢測速度快、儀器便攜，有利于實現現場快速檢測，但是靈敏度和準確性較低，檢測重金屬離子的種類有限。因此，開發簡便、快速、高效的分析設備對于水中重金屬污染物監測具有重要意義。
[0003 ]量子點是新型的熒光納米材料，不同材料合成的量子點或不同表面配體基團的量子點在重金屬離子環境中具有熒光猝滅或增強效應。將量子點與光纖結合構成穩定的熒光探針，可用于現場、實時檢測水中重金屬離子。將金屬納米顆粒增強熒光技術與光纖、量子點結合，以提高水中重金屬離子濃度檢測極限。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統，其特征在于，該檢測系統由光源模塊1、傳輸模塊2、樣品加載和探測模塊3、傳輸模塊2、光電探測模塊4依次連接組成;其中，光源模塊I由寬帶光源1-1和波分復用器1-2構成，用于提供量子點熒光激發所需輸出光;傳輸模塊2由光學連接器件2-1和傳輸光纖2-2組成，用于系統中光路傳輸;樣品加載和探測模塊3由樣品池3-1、蠕動栗3-2和探測光纖3-3組成，其中探測光纖為采用管腐蝕法或拋磨法制成的D型光纖，在其中裸露一側的芯區部分進行了活性化處理，利用基團間的共價結合作用，實現量子點與光纖的結合;光電探測模塊4由濾光片4-1、光纖準直器4-2和光電探測器及外圍電路4-3組成;其中濾光片4-1用來濾除量子點的激發光，光纖準直器4-2用于把量子點發射的熒光信號準直后送入光電探測器及外圍電路4-3進行檢測;光電探測器及外圍電路4-3中光電探測器采用光電二極管或光電倍增管，用于把從所述光纖準直器4-2輸入的熒光信號轉換為電信號。
[0005]所述寬帶光源為白光激光器或其他涵蓋紫外和可見光波段的超寬帶光源半導體激光器。
[0006]所述波分復用器為光柵型或干涉膜濾波器型解復用器件，用于從寬帶光源中分離出探針上所結合量子點的最佳激發波段。
[0007]所述光學連接器件2-1采用標準可拆卸的FC、SC或ST型光纖連接器。
[0008]所述傳輸光纖采用單模或者多模光纖。
[0009]所述寬帶光源1-1輸出的光通過波分復用器1-2提取出對應不同量子點的最佳激發波長波段的激發光，激發光通過光學連接器件2-1耦合進傳輸光纖2-2中，再通過右端光學連接器件2-1耦合進探測光纖3-3中，在探測光纖3-3的傳感區域表面附近產生倏逝波，激發結合在傳感區域表面的量子點發出熒光。
[0010]所述探測光纖3-3的傳感區域由在D型光纖側表面上固定有不同量子點的光纖陣列構成，不同量子點對某種重金屬離子具有特異性熒光猝滅的作用;在檢測過程中，表面帶有醛基基團的光纖探針與表面進行過氨基基團修飾的量子點通過基團間的共價進行結合，構成用于檢測重金屬離子的光纖探針。
[0011]本發明的有益效果是與其他激發光路和熒光光路在探測光纖同側的系統相比，該系統采用光纖通訊中的波分復用技術及新型熒光染料量子點，無需采用光環路器將兩路光路分離，降低了儀器成本;可實現多種重金屬離子同步快速檢測，并實現儀器小型化，便攜化，兼具遠端探測、實時分析、現場檢測和動態監測能力。該系統可實現溶液中多種重金屬離子的同時快速檢測，在環境監測、工業污水處理、土壤重金屬污染、食品衛生檢測、醫學應用等領域具有廣泛應用。
【附圖說明】
[0012]圖1為同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統示意圖。
[0013]圖2為光源模塊I示意圖。
[0014]圖3為傳輸模塊2不意圖。
[0015]圖4為樣品加載和探測模塊3示意圖。
[0016]圖5為光電探測模塊4示意圖。
【具體實施方式】
[0017]本發明提出一種同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統，下面結合附圖予以說明。
[0018]圖1所示為同時快速檢測多種重金屬離子的光纖傳感系統示意圖。該檢測系統由光源模塊1、傳輸模塊2、樣品加載和探測模塊3、傳輸模塊2、光電探測模塊4依次連接組成。其中，光源模塊I由寬帶光源1-1和波分復用器1-2連接構成(如圖2所示)；傳輸模塊2含有光學連接器件2-1和傳輸光纖2-2(如圖3所示)；樣品加載和探測模塊3含有樣品池3-1、蠕動栗3-2、探測光纖3-3(如圖4所示)；光電探測模塊4含有濾光片4-1、光纖準直器4-2和光電探測器及外圍電路4-3 (如圖5所示)。
[0019]由圖2可知，寬帶光源1-1輸出的光通過波分復用器1-2提取出對應不同量子點的最佳激發波長波段的激發光，激發光通過圖3中左端的光學連接器件2-1耦合進傳輸光纖2-2中，再通過右端光學連接器件2-1耦合進圖4探測光纖3-3中，在探測光纖3-3的傳感區域表面附近產生倏逝波，激發結合在傳感區域表面的量子點發出熒光。
[0020]探測光纖3-3的傳感區域由在D型光纖側表面上固定有不同量子點的光纖陣列構成，不同量子點對某種重金屬離子具有特異性熒光猝滅的作用。檢測過程中，表面帶有醛基基團的光纖探針與表面進行過氨基基團修飾的量子點通過基團間的共價進行結合，構成用于檢測重金屬離子的光纖探針。
[0021]在圖4所示蠕動栗3-2的作用下，樣品被吸入樣品池3-1。當樣品中的待測重金屬離子作用于量子點表面時，將引起量子點發光效應改變，這種發光效應改變用熒光強度來表示，并與重金屬離子濃度存在函數關系。部分量子點發射的熒光耦合回探測光纖3-3，并通過圖3所示左端光學連接器件2-1耦合進傳輸光纖2-2中，從傳輸光纖2-2的另一端出射。圖5所示的濾光片4-1濾除傳輸過來的激發光，透過量子點發射的熒光，通過光纖準直器4-2把熒光信號準直后送入光電探測器及外圍電路4-3進行檢測。
[0022]通過上述過程，利用光纖陣列上量子點熒光強度與重金屬離子濃度之間的對應關系，可以實現多種重金屬離子同時快速檢測。
[0023]實施例:
[0024]本實施例為一種同時快速檢測Pb2+和Cu2+的光纖傳感系統，如圖3所示，在樣品加載和探測模塊3中采用兩路探針時，可實現兩種重金屬離子同時快速檢測。由圖1可知，為實現溶液中Pb2+和Cu2+離子同時快速檢測，該檢測系統由光源模塊1、傳輸模塊2、樣品加載和探測模塊3、傳輸模塊2、光電探測模塊4依次連接組成。
[0025]丨.光源模塊
[0026]采用波段在380-780nm的白光激光器作為寬帶光源，波分復用器采用鍍膜技術，從白光激光器中提取出波長為380nm和波長為455nm的特殊波段，分別對應光纖探針①和光纖探針②上結合的量子點的最佳激發波長。
[0027]2.探測光纖制作
[0028]谷胱甘肽(GSH)包裹的CdZnSe量子點對Pb2+的特異性熒光猝滅作用，可實現水中Pb2+的檢測；二乙基二硫代氨基甲酸酯(DDTC)功能化的CdSe/CdS核殼量子點對Cu2+具有特異性熒光猝滅的作用，可實現水中Cu2+檢測。
[0029]首先將光纖探針①、②進行活化，使兩者表面均帶有醛基基團。同時，將上述兩種量子點表面進行氨基基團修飾，通過基團間的共價結合作用，將谷胱甘肽(GSH)包裹的CdZnSe量子點與光纖探針①結合，將二乙基二硫代氨基甲酸酯(DDTC)功能化的CdSe/CdS核殼量子點與光纖探針②結合，分別構成用于檢測Pb2+和Cu2+兩種重金屬離子的光纖探針。光纖探針①和光纖探針②上所結合量子點發射的熒光信號的中心波長分別為550nm和557nm。利用D型光纖側面構成光纖探針，與其他錐形光纖探針相比，在保證光纖熒光作用面積的基礎上，提高了探針對復雜環境的適應能力。