一种非接触式光电ｐＨ值检测方法及所用的传感器技术

本发明专利技术公开了一种非接触式光电ｐＨ值检测方法及所用的传感器，利用该检测方法可及时、定量测量生物反应器中培养液的ｐＨ值，从而为生物反应器的培养条件监控提供准确可靠的数据，并且实施该检测方法的传感器体积小、能耗小、安装简单、抗干扰能力强，检测中不与待测液直接接触，完全避免了对待测液体的污染等影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非接触式光电p/Z值;险测方法，以及实施该方法的传感器。技术背景在生物反应器中，工作液体的/7//值是需要实时监控的。例如细胞培 养液在不同的气体环境中pi/值容易改变，细胞的新陈代谢也会改变培养 液/ /Z值。通常细胞需要在一定的溶液酸碱度下才能正常生长，因而监控 工作液体/7//值是此类反应器正常工作的重要条件。常用的生物培养液中溶解有3.9 mg/L的苯酚红，该苯酚红在酸性环境下显淡黄色，碱性环境 下显紫红色，将苯酚红作为指示剂用来示色，可通过培养液颜色的变化 来评估培养液的/ 7/值。实验员可以通过观察培养液的颜色了解培养液的酸磁情况。但目测法 不能得到定量数据，无法集成到控制系统中。常用的光学法定量测量; /7 值的仪器包括比色仪和固定染料光纤p/f传感器。比色仪通常采用白炽灯 作为白光光源，分光仪产生单色光源，操作时需将生物反应器中的培养 液取出部分，转移到专用容器中，放置在仪器内部的避光室内进行光电 比色测量，这种比色仪体积和重量都较大，不方便操作，而且无法对生 物反应器中的培养液进行实时测量。典型的固定染料光纤/ //传感器的结 构是在光纤末端包被一定厚度凝胶，凝胶可根据液体酸碱度改变自身的 光吸收系数，再利用光纤测量吸收系数间接得到溶液/ /Z值。这种方法测 量时需要探头与被测液体直接接触并产生离子交换，从而使得被测溶液 被污染而导致测量数据不准确，并且探头通常无法进行高温高压灭菌处 理。生物反应器一般需要自动为细胞供应气体和液体，从而维持细胞正常 的生长环境，这类反应器需要及时、定量测量培养液p/Z值并进行反馈控 制。由于培养液必须保证无菌状态，其供应和回收系统使用前均需要高温消毒处理，与溶液接触的任何检测元件也必须灭菌处理，同时要求检 测装置的体积小、能耗小。现有测量技术，不能有效的满足生物反应器 的技术发展需求。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题,本专利技术的首要目的是提供一种非接触^ 电p/Z值检测方法，利用该方法可实时、定量地测量培养液; //值，乂人而 为生物反应器培养条件监控提供准确可靠的数据。本专利技术进一步的目的 是提供 一种实施上迷方法的传感器。为实现上述目的，本专利技术一种非接触式光电； i/值检测方法，具体为1) 配置/ //分别为； /^和； 7/2的溶液，单独开启一绿色光源，绿色 光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有/ 7/,溶液的器皿，绿色光穿 射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏 元件并将绿光信号转化为电平信号R;关闭绿色光源并开启一红色光源， 红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有p/7,液体的器皿，红色 光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一 光敏元件并将红光信号转化为电平信号^;同理，将绿色光和红色光再 分别透射2溶液后，得到电平信号r3和F4 。代入公式 "=(W -沟/(K / r2 - r3 / 。 、 & = (/^2 V K -賊.F3 / 。 /(K / r2 - r3 / 。,可 得到系数a、 6。2) 单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠 近装有待测液体的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光 纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号r。； 关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探 头靠近装有待测液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接 收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信 号^;将电平信号r。和电平信号^代入公式p// = "x(r。 + FA) + 6后即可算出 待测液体的p/Z值。进一步，所述绿色光的中心波长为565 nm,所述红色光的中心波长 为640 nm。进一步，所述^、 r2、 r3、 r4、 ^、 ^均为电平信号稳定后，以10 ms间隔进行10次A/D转换所取得的平均值。一种实施上述检测方法的传感器，该传感器包括绿光光源、红光光 源、发射光纤、接收光纤和光敏元件，发射光纤用于传输绿光光源和红 光光源发出的单色光，接收光纤将透射待测液体后的单色光传输到光敏 元件，从而将光信号转换为电平信号。进一步，所述传感器上还设置有控制单元，控制单元控制所述绿光 光源和红光光源的发光时间，并控制光信号转换为电平信号的过程。本专利技术非接触式光纤p/Z值检测方法可及时、定量测量含有苯酚红指 示剂的液体p/Z值，测量范围6.8-8.2，满足绝大多数生物培养液监控需 求，从而可以对细胞的生长条件提供准确可靠的数据，并且实施该检测 方法的传感器体积小、能耗小、安装简单、抗干扰能力强，检测中不与 待测液直接接触，完全避免了对待测液体的污染等影响。附图说明图1为实施例1检测部份的结构示意图；图2为实施例2检测部分的结构示意图；图3为苯酚红在p/f为7.9培养液中的吸收光谱；图4为本专利技术传感器抗干扰性能曲线。具体实施方式苯酚红在培养液中与/T、 Oi/建立化学平衡形成共辄酸式和共辄碱式两种分子，///w和/w-分别表示苯酚红的共轭酸式和共扼碱式，其比例 满足化学平衡方程i//" //++/"-。其电离平衡常数为<formula>formula see original document page 6</formula>a 苯酚红总浓度C/"等于二者相加即Q = + ，可以得到苯酚红共 轭碱式浓度与； //值和苯酚红总浓度C/ 的关系<formula>formula see original document page 7</formula>如图3所示，苯酚红共轭^ 成式对中心波长565 nm的绿色光有特异性 吸收，吸收峰带宽约100nm。根据朗伯-比尔定律，当液层的厚度不变 且苯酚红总浓度dn没有改变时，溶液对565 nm单色光吸光度和苯酚红 共辄碱式浓度[/<1成正比，与溶液p7/值呈函数关系。本专利技术采用的探头结构中管壁、培养器外壳和液体中的杂质会吸收 绿光，影响结果。为了补偿这个效应，本专利技术采用了红、绿双光源。使 用2个并排的发光二极管可分别产生中心波长为565 nm、带宽80 nm的 绿光和中心波长为640 nm、带宽80 nm的红光，苯酚红对640 nm附近波 长的红光没有特异性吸收，而壁面和液体杂质对这两种光有相同的吸收 系数，因而红光可以单独反映管壁和液体杂质的吸收率，结果用于补偿 绿光。根据朗伯-比尔定律<formula>formula see original document page 7</formula>/ired为红色光源(640 nm)的发射光强7 red为红色光(640nm)的接收光强 /igreen为绿色光源(565 nm)的发射光强/green为绿色光(565 nm )的接收光强尸pr为碱性酚红吸收系数，2、尸为管壁、培养器壁、反射面和光纤的光强吸收系数。上述公式消除了管壁吸收系数的干扰,可知绿色与红色接收光强的比值即/^e/U与溶液p/Z呈单值函数关系。函数在溶液酸碱度/ 776.8 - 8.2的范围内可近似为线性关系，因而运算可采用线性拟合方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式光电ｐＨ值检测方法，具体为：１）配置ｐＨ分别为ｐＨ↓［１］和ｐＨ↓［２］的溶液，单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有ｐＨ↓［１］溶液的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号Ｖ↓［１］；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有ｐＨ↓［１］液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号Ｖ↓［２］；同理，将绿色光和红色光再分别透射ｐＨ↓［２］溶液后，得到电平信号Ｖ↓［３］和Ｖ↓［４］。代入公式ａ＝（ｐＨ↓［１］－ｐＨ↓［２］）／（Ｖ↓［１］／Ｖ↓［２］－Ｖ↓［３］／Ｖ↓［４］）、ｂ＝（ｐＨ↓［２］.Ｖ↓［１］／Ｖ↓［２］－ｐＨ↓［１］.Ｖ↓［３］／Ｖ↓［４］）／（Ｖ↓［１］／Ｖ↓［２］－Ｖ↓［３］／Ｖ↓［４］），可得到系数ａ、ｂ。２）单独开启一绿色光源，绿色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，绿色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将绿色光传到一光敏元件并将绿光信号转化为电平信号Ｖ↓［ａ］；关闭绿色光源并开启一红色光源，红色光通过发射光纤进入探头，将探头靠近装有待测液体的器皿，红色光穿射液体并经过液体吸收后传入接收光纤，接收光纤将红色光传到一光敏元件并将红光信号转化为电平信号Ｖ↓［ｂ］；将电平信号Ｖ↓［ａ］和电平信号Ｖ↓［ｂ］代入公式ｐＨ＝ａ×（Ｖ↓［ａ］÷Ｖ↓［ｂ］）＋ｂ后即可算出待测液体的ｐＨ值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龙勉，李振涵，高宇欣，孙树津，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]