准确在线测量微藻生物膜厚度的塑料光纤传感器研究

发布时间：2020-06-22 02:39

【摘要】：微藻可以通过光合作用将二氧化碳和水合成有机物。同时,微藻也可以利用有机废水中的碳源(如苯酚)实现微藻生物质生产。此外,微藻能够生产人类生活中所需的蛋白质、维生素、油脂、抗生素等物质。因此,微藻在固碳、有机废水处理及生物质能源生产等研究领域受到了广泛关注。目前关于微藻的培养方法主要有悬浮法和生物膜法。其中微藻生物膜技术具有生物质采收方便、占地面积小、光能利用效率高等优点而成为研究热点。虽然微藻生物膜技术具有上述诸多优点,但其生长代谢过程受到微藻生物膜厚度显著的影响。其原因在于微藻生物膜厚度是联系反应器流体力学和生化反应动力学特性的关键参数,生物膜厚度参数直接影响微藻生产蛋白质、脂肪等营养物质的效率与品质及光能与底物利用效率、微藻生物质产量及微藻降解CO_2或有机污染物的效率。因此实时监测微藻生物膜厚度对人类进行微藻生物质能源的大规模培养、应对未来能源危机、CO_2固定及有机污染物降解都具有十分重要的意义。目前关于微藻生物膜厚度测量的方法主要有显微镜法、电化学方法和光纤法。其中显微镜法和电化学方法难以实现对微藻生物膜厚度的实时在线原位测量。虽然光纤传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、生物相容性等优点可被用于生物膜厚度的测量,但是目前光纤传感器难以实现对微藻生物膜厚度的准确测量;其原因在于微藻生物膜生长代谢过程中,不仅生物膜厚度(生物膜量)会发生变化,液相底物及产物浓度也会变化;液相变化信息会对传感器输出结果产生干扰,导致传感器输出信号难以实时反映生物膜厚度变化信息。因此,本文为了实现微藻生物膜厚度实时在线准确的测量,首先,利用塑料光纤构建了一种高灵敏度塑料光纤折射率传感器。其次,研制了一种高灵敏度苯酚溶液光纤传感器。再次,利用研制的高灵敏度光纤传感器构建了用于微藻生物膜在线准确测量的双探针光纤倏逝波传感器;其中一个探针作为生物厚度传感器探针,用于响应生物膜厚度及液相浓度变化信息;另外一个探针作为生物膜厚度参考探针,用于响应生物膜生长代谢过程液相浓度变化信息。为了分析该双探针光纤传感器能准确测量微藻生物膜厚度,建立了传感器理论分析模型。最后,利用构建的双探针光纤传感器对微藻生物膜在苯酚溶液中的生长过程进行了实时在线测量。本文的主要研究内容如下:(1)高灵敏度塑料光纤折射率传感器研究。实验首先利用机械和化学腐蚀的方法将光纤的包层或部分纤芯去除制成不同直径的D型的光纤传感器,探究了不同直径的光纤传感器的灵敏度的差异,其次,在光纤表面涂敷加拿大树脂和纳米薄膜,探究了不同涂敷厚度对传感器灵敏度的影响,最后利用D型光纤倏逝波传感器对不同折射率的葡萄糖和不同浓度的汞(II)离子进行了测量。(2)高灵敏度苯酚溶液响应的光纤传感器研究。为获得苯酚响应的高灵敏度响应的光纤传感器,在(1)的基础上,在D型光纤传感器表面涂敷加拿大树脂薄膜后,在表面再涂敷TiO_2、TiO_2/SiO_2、Er~(3+):YAlO_3/SiO_2/TiO_2三种光催化薄膜,探究了三种光催化薄膜厚度对苯酚溶液响应的灵敏度的影响。(3)在上述研究的基础上,针对微藻生物膜光生物反应器,构建了一种用于苯酚溶液中微藻生物膜厚度在线检测的双探针型D型塑料光纤倏逝波生物膜厚度传感器及其检测系统。微藻生物膜厚度传感器由双探针光纤(传感臂和参考臂)组成,其中一根传感器的敏感区裹上一层核孔膜,用于分离也液相混合溶液和微藻藻细胞,仅响应液相中的浓度相关信息,记为参考臂;另一根传感器敏感区不做处理,用于响应微藻生物膜厚度及液相浓度变化信息,记为传感臂。同时,本文构建了传感器理论模型。最后,利用该传感器系统实时在线检测了液相中微藻生物膜生长过程中的厚度变化信息。
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;Q94-33
【图文】：

微结构光纤,核心

图 1.1 悬浮核心微结构光纤[40]的检测，测定非金属离子的方法主要有重量谱法[41]。其中重量法主要通过沉淀法、挥发不需要标准液，但操作复杂、误差较大；分操作简单、快速，因而被广泛的应用，但存。气相色谱法虽然检测灵敏度极高、测定结用成本高，操作复杂，对人员操作水平要求不适用。离子色谱法主要针对待测组分中目谱具有快速、灵敏、选择性好和同时测定多流动相需要现配现用，检测的浓度范围低、同带来不便等缺点。自光纤传感器的兴起在检测领域，是一种低成本、灵敏度高、抗较大的发展潜力，已经涌现出了大量的文用长周期光纤光栅（Long-Period Grating

示意图,光纤传感器,实验系统,示意图

实验系统图及光纤传感器敏感区示意图 1.2 所示。图 1.2 （a）实验系统图；（b）光纤传感器示意图1.2.2 光纤气体传感器光纤传感器具有易小型化、可遥测、灵敏度高、响应快等诸多优点，依据传感原理可分为以下几种类型：干涉型光纤气体传感器、倏逝波光纤气体传感器、表面等离子体共振光纤气体传感器、光声光纤气体传感器等[43]。干涉型光纤气体传感器可分为以下几种：基于马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉原理气体传感器、基于法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉原理气体传感器等。马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉传感器可以分为以下几种：1）错位熔接型。通过调节熔接机的参数，改变纤芯之间的错位量来实现模间干涉。2）纤芯失配型。不同芯径光纤的直接熔融会导致纤芯失配，从而激发出包层膜而构成光纤 M-Z 传感器。3）气泡型。用飞秒激光器或者刻蚀的方法在单模光纤上刻出空气槽，级联形成 M-Z 干涉仪。4）通过调节光纤熔接机的参数，对熔点进行推挤或拉伸形成锥点形成模间干涉[44]。成结[45]等利用波长为 800nm 的飞秒激光器脉冲在普通单模光纤上加工 M-Z 干涉腔，如图 1.3 所示，并在加工后的槽壁上通过磁控溅射的方法镀一层钯（Pd）膜

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