[发明专利]电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测系统及方法，所述系统包括光源、起偏器、偏振控制器、生物电化学电池装置、光纤光谱仪和电化学工作站，所述生物电化学电池装置与电化学工作站连接，所述生物电化学电池装置包括密闭的容器和传感器探头，所述传感器探头封装在容器内，所述容器内充满废水并加入反应微生物，所述光源、起偏器、偏振控制器、传感器探头和光纤光谱仪依次连接。本发明利用一根细如发丝的镀有金属膜的光纤，即可充当导电电极，又能获取光波信息从而实时原位检测生物膜产生的电流大小和分析电子传递过程，可植入狭小空间实现原位测量，同时又能同步实时的测量多个物理量变化，如电流、折射率、温度等信息。

技术领域

本发明涉及一种生物膜电活性检测系统，尤其是一种电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测系统，属于光纤生物电化学传感器设计领域。

背景技术

节能和新能源技术是21世纪人类最具潜力的技术之一，日益成熟的新能源技术也将给人们的生活带来巨大的变化。作为新能源领域的重要组成部分，新型电池工业现已成为全球经济发展的一个新热点。以锂离子电池、太阳能电池、燃料电池为代表的新型电池产业步入了高速成长期，产业规模增长迅猛。在作为外力的下游制造业市场需求拉动和作为内力的自身技术进步持续推进的双重作用下，新型电池产业的产业链日趋完善、产业内涵进一步丰富、产业转移趋势合理，产业发展的势头强劲。基于生物膜的微生物燃料电池是新型节能电池的一种创新，它结合了多个学科领域的优点和特性，所制作出来的电池具有其他传统化学电池所不具备的优点和性能。

电活性生物膜(EAB)近年来备受关注，它与承载基底形成电化学连接，既能从废水中获取电能，又能将废水转化成有用的化学物质。在光纤生物传感研究的相关报道中，倾斜光纤光栅成为近些年的研究热点。在兼具常规传感器探头特点之外，倾斜光纤光栅可激发数百个对周围环境敏感度不同的模式，因此大大丰富了其检测对象，并提高了测量精度。光谱电化学技术是一个非常有用的工具，通过测量电活性生物膜的光谱伏安特性就可以有效揭示微生物产电机理。

通过在光纤表面镀金、银等金属薄膜，可将满足相位匹配条件的倾斜光纤光栅包层模耦合至金属薄膜，形成等离子体共振波。等离子共振效应对电活性生物膜的折射率、电流大小等变化非常敏感。较传统倏逝场效应的光纤传感方式，等离子体共振波具有更高的生物检测灵敏度，相关领域已成为国内外研究热点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单且检测精度高的电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测系统，该系统利用一根细如发丝的镀有金属膜的光纤，即可充当导电电极，又能获取光波信息从而实时原位检测生物膜产生的电流大小和分析电子传递过程。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测方法，该方法可植入狭小空间实现原位测量，同时又能同步实时的测量多个物理量变化，如电流、折射率、温度等信息；此外，还继承了光纤低损耗传输特点，传感器探头与传光通路均为光纤，可实现长距离检测。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

电化学等离子体共振光纤生物膜电活性检测系统，包括光源、起偏器、偏振控制器、生物电化学电池装置、光纤光谱仪和电化学工作站，所述生物电化学电池装置与电化学工作站连接，所述生物电化学电池装置包括密闭的容器和传感器探头，所述传感器探头封装在容器内，所述容器内充满废水并加入反应微生物，所述光源、起偏器、偏振控制器、传感器探头和光纤光谱仪依次连接；

所述传感器探头包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米级厚度的金属膜，光源发出的光经过起偏器和偏振控制器后入射到传感器探头刻有倾斜光纤光栅的光纤中，光纤中产生的包层模耦合至光纤包层外表面的金属膜，激发金属膜表面等离子体共振；等离子体共振波体现在光纤光谱仪的透射光谱上是一个吸收包络，当等离子体共振波与附着在金属膜表面的微生物相互作用时，吸收包络的幅度和中心波长都发生相应的变化。