環(huán)境監(jiān)測傳感器的工作原理及設(shè)計

今天為大家介紹一項國家發(fā)明授權(quán)專利——基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器以及環(huán)境檢測方法。該專利由青島中一監(jiān)測有限公司申請，并于2018年8月24日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器以及一種環(huán)境檢測方法。

發(fā)明背景

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染也在日趨嚴重。在環(huán)境監(jiān)測過程中，人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境中的污染物對環(huán)境中的微生物生存和代謝都產(chǎn)生了很大的影響。由于微生物的多樣性、敏感性，決定了微生物能夠?qū)Νh(huán)境中多種污染情況做出多種反應(yīng)，同時也能反映出環(huán)境污染的歷史狀況。因此，對環(huán)境中微生物進行檢測，對于監(jiān)測環(huán)境污染情況、評價環(huán)境質(zhì)量狀況具有很重要的意義。這種環(huán)境監(jiān)測主要是對環(huán)境液體中的微生物進行檢測，尤其是水體的質(zhì)量。例如：用大腸菌群的數(shù)量作為水體質(zhì)量的指標，利用鼠傷寒沙門氏桿菌的組氨酸缺陷變株的回復(fù)突變（即“艾姆氏試驗法”）檢測水體的污染狀況以及食品、飲料、藥物中是否含有致癌變、致畸變、致突變毒物等。

但是，在現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測過程中，對環(huán)境中微生物檢測采取的是現(xiàn)場采樣、實驗室培養(yǎng)、實驗室鑒定分析的方法，存在檢測時間長、成本高、效率低等問題，而且由于沒有及時檢測樣品，中途發(fā)生的變化以及樣品傳輸過程中的污染都會影響到檢測結(jié)果的客觀性。因此，開發(fā)出快速檢測環(huán)境中微生物的方法以及儀器顯得尤為重要。

現(xiàn)有的高精密拉曼光譜傳感系統(tǒng)主要采用顯微鏡、激光系統(tǒng)、單色系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等部分組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備龐大，不利于現(xiàn)場檢測。手持式拉曼光譜儀精度不高，穩(wěn)定性不夠，只能對少量表面無污染的固體大分子材料進行定性分析，特別是一些能夠產(chǎn)生熒光的物質(zhì)及微生物樣品，容易受到背景熒光的嚴重干擾，無法進行測試。共振拉曼光譜雖然能夠提高拉曼光譜靈敏度，但是僅能在少數(shù)分子和特定波長的激光上具有相匹配的電子吸收能級，也容易干擾特征物的拉曼光譜。此外，現(xiàn)有的拉曼光譜儀都是將激光發(fā)射模塊與接收模塊做成一體式，也就是激光發(fā)射通道與接收通道共同，這樣容易造成干擾。因此，對于環(huán)境微生物的現(xiàn)場監(jiān)測，由于現(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜、污染物多，就需要開發(fā)一種可以減少干擾、提高選擇性與靈敏度的環(huán)境監(jiān)測傳感器，用于環(huán)境微生物的現(xiàn)場檢測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器，利用紅外、紫外激光互相協(xié)同分析待檢測樣品中微生物的拉曼光譜，提升了微生物檢測的效率，節(jié)省了環(huán)境微生物檢測的成本，提高了環(huán)境監(jiān)測傳感器的分辨率和準確度。

本發(fā)明所提出的基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器的一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖

為達到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器，其特征在于，包括外殼，所述外殼上固定設(shè)置有CCD光電轉(zhuǎn)換模塊、紅外激光發(fā)射模塊、紫外激光發(fā)射模塊以及樣品池；所述紅外激光發(fā)射模塊發(fā)出的紅外激光照射到樣品池中待檢測樣品中的微生物時，所述微生物產(chǎn)生拉曼散射，其產(chǎn)生的散射光進入所述CCD光電轉(zhuǎn)換模塊；所述紫外激光發(fā)射模塊發(fā)出的紫外激光照射到所述樣品池中。

進一步的，所述CCD光電轉(zhuǎn)換模塊包括第一殼體和在所述第一殼體內(nèi)固定設(shè)置的CCD光電轉(zhuǎn)換芯片、全息反射光柵、第一聚光透鏡，所述CCD光電轉(zhuǎn)換芯片與全息反射光柵左右設(shè)置，所述第一聚光透鏡位于所述全息反射光柵的下方。所述CCD光電轉(zhuǎn)換模塊還包括第一偏振片，所述第一偏振片固定在所述第一殼體上，所述第一偏振片位于所述第一聚光透鏡的下方。進一步的，所述紅外激光發(fā)射模塊，包括第二殼體和在第二殼體內(nèi)上下依次固定設(shè)置的紅外激光管、第二磁光效應(yīng)調(diào)制模塊和第二聚光透鏡，所述第二磁光效應(yīng)調(diào)制模塊包括調(diào)制晶體和調(diào)制線圈，所述調(diào)制線圈套在所述調(diào)制晶體外側(cè)。

進一步的，所述紅外激光管為大于1000nm的紅外激光管。所述紅外激光管為摻鐿元素的釔鋁石榴石固體激光器。所述調(diào)制線圈與所述調(diào)制晶體之間設(shè)置有陶瓷套筒。所述紅外激光發(fā)射模塊還包括第二偏振片，所述第二偏振片固定在所述第二殼體上，所述第二偏振片設(shè)置在所述紅外激光管和第二磁光效應(yīng)調(diào)制模塊之間。所述第二偏振片的偏振角度與所述第一偏振片的偏振角度之間的夾角為45°～90°。所述紫外激光發(fā)射模塊，包括第三殼體和在第三殼體內(nèi)上下固定設(shè)置的紫外激光管和第二聚光透鏡，所述紫外激光管為小于350nm的深紫外激光管。

所述激光管為紫外可見光激光二極管或準分子激光器。進一步的，所述紫外激光發(fā)射模塊還設(shè)置有第三磁光效應(yīng)調(diào)制模塊，所述第三磁光效應(yīng)調(diào)制模塊固定在所述第三殼體上，所述第三磁光效應(yīng)調(diào)制模塊位于紫外激光管和第二聚光透鏡之間。

基于上述的環(huán)境監(jiān)測傳感器的檢測原理，本發(fā)明還提供一種環(huán)境檢測方法，方便、快捷、準確的監(jiān)測出環(huán)境中微生物的類型以及具體的名稱，提升了環(huán)境微生物檢測的效率，節(jié)省了環(huán)境微生物檢測的成本。

本發(fā)明提供的基于拉曼效應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器，通過設(shè)置紫外激光發(fā)射模塊和紅外激光發(fā)射模塊，利用紅外、紫外激光互相協(xié)同分析微生物的拉曼光譜，提升了微生物檢測的效率，提高了檢測精度，節(jié)省了環(huán)境微生物檢測的成本；同時采用了磁光調(diào)制技術(shù)，減小了拉曼光譜傳感系統(tǒng)的體積，有效提高了檢測精度、加快了檢測時間。