一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器

1.本发明涉及一种气体乙醇传感器，特别是涉及一种基于荧光检测的光纤传感的气体乙醇传感器。


背景技术：

2.乙醇作为生活中常用的燃料和消毒剂，在中医药学方面也有着很大的应用。目前大多数中药材的提取方法主要是使用高浓度的乙醇进行提取，乙醇作为有机溶液，可以提取中药中更多有用的元素，其对中药的有用元素溶解性要比水的溶解性更好。在使用乙醇浸泡中草药之后，大多使用加热蒸发的方式进行乙醇和药物分离。目前广泛使用的判断乙醇是否已经完全分离出去的标准方法是“无醇味”，即用嗅觉感受是否还存有乙醇，这种方法准确性较低。其余还有电化学传感方法，但这种方法需要在乙醇浓度足够高的情况下才适用，并且检测速度慢。设计一种小型化高精度的气体乙醇快速检测器很有必要。
3.nad(nicotinamide adenine dinucleotide)是生物学专有名词，中文名：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，简称为辅酶i。nad有两种形式存在：nad
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和nadh。这两种形式的nad被称为“氧化还原对”；nad
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是脱氢酶的辅酶，如醇脱氢酶(adh)，用于氧化乙醇。它在糖酵解、糖异生、三羧酸循环和呼吸链中发挥着不可替代的作用。中间产物会将脱下的氢递给nad
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，使之成为nadh，nadh是一种强荧光物质，荧光强度信号与存在的nadh量成正比。
4.醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase，简称adh)，又名酒精去氢酵素，是一组化合物，存在于人体或其他动物的消化系统内。酒精在人体内分解，90—95％以上经由氧化途径，而脱氢过程是当中的最主要步骤，由这种醇脱氢酶及醛脱氢酶负责。


技术实现要素：

5.针对上述的技术缺陷，本发明提供了一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器。应用特氟龙管的气体渗透性实现乙醇气体和管内反应物的间接接触。应用壳聚糖和醇脱氢酶之间可以共价键结合来实现酶的固定化。应用乙醇和nad
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溶液在醇脱氢酶的环境下的酶促反应，生成具有荧光特性的nadh，来实现荧光检测，最终获得了一种具有高灵敏度、可重复、操作简单和检测成本低的气体乙醇检测系统。
6.本发明第一目的是公开一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器，包括特氟龙管、单端锥形多模光纤、固定化酶载体、醇脱氢酶、nad
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缓冲液、液体流入口以及液体流出口；nad
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缓冲液从液体流入口注入特氟龙管，待测乙醇气体从特氟龙管的管壁渗透至管内与nad
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在醇脱氢酶的环境下反应，产生nadh，由于nadh具有荧光特性，出射的荧光信号被单端锥形多模光纤接收并传导至光谱分析仪，分析荧光信号的强度和波长，实现待测气体乙醇浓度的检测。
7.本发明所述酶促反应为：
8.9.本发明所述特氟龙管具有良好的气体渗透性，内径为203μm，外径为254μm，长度为40mm，折射率为1.29。
10.本发明所述单端锥形多模光纤，包层直径为125μm，纤芯直径为105μm，长度为80mm，锥形传感区由大型拉锥机制得，锥形传感长度为1000μm。
11.本发明所述固定化酶载体由壳聚糖经过表面功能化后制成；壳聚糖直径：优选30μm至50μm；固定化酶载体的制备过程为：在0.6g壳聚糖中加入20ml浓度为5％的冰醋酸，搅拌溶解后加入80ml的液体石蜡和3ml的span-80溶液，在25℃环境下搅拌30min，再加入10ml浓度为7％的戊二醛溶液，在40℃的环境下搅拌1h，用8mol/l的naoh溶液调节ph至10～11，在70℃的环境下搅拌2h。再将溶液倒入烧杯中，加入30ml石油醚溶液和30ml丙酮溶液，搅拌后静置分层，弃去上层油相，用石油醚和丙酮分次洗涤并抽滤，在4℃环境下干燥，即完成壳聚糖的表面功能化，从而得到固定化酶载体。固定化酶载体通过和醇脱氢酶进行共价键结合，帮助醇脱氢酶间接固定在特氟龙管的内壁，其失活温度最高为315.74℃。
12.本发明所述nad
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缓冲液的浓度为1.0mmol/l。nad
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缓冲液主要为特氟龙管内的酶促反应提供nad
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，在酶促反应中生成荧光物质nadh，荧光物质的发射波长为490nm。
13.优选的，所述液体流入口用于nad
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缓冲液注入传感器，位于特氟龙管光纤伸入端2mm处，直径为90μm。
14.优选的，所述液体流出口用于废液排出传感器，位于特氟龙管另一端口2mm处，直径为90μm。
15.本发明第二目的是公开一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器的制备方法，步骤如下：首先使用激光烧蚀的方法在特氟龙管侧面加工液体流入口和液体流出口；然后将固定化酶载体置入特氟龙管中，使用超声震荡的方法使固定化酶载体均匀分散在特氟龙管内壁，再以加热的方法使特氟龙管软化，特氟龙管软化的加热温度为200～210℃，保持该温度加热时间为8～10min，使固定化酶载体微微陷入软化的特氟龙管内表面，降温硬化后，可将固定化酶载体固定在特氟龙管内壁，在此环境下固定化酶载体不失活性；再使用共价键结合的方法将醇脱氢酶固定在固定化酶载体上；然后将单端锥形多模光纤伸入特氟龙管内；再使用熔融的方法将特氟龙管的另一端封闭；最后使用注射器将nad
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缓冲液注入特氟龙管内，使其注满整个传感器内部，即可得到基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器。
16.本发明所述单端锥形多模光纤由大型拉锥机制备，首先剥离40mm长度的涂覆层，再对剥离区域进行放电加热拉锥，其锥形传感长度设置为：1000μm，细腰长度设置为：1000μm，再调用刀片进行切割，制得单端锥形多模光纤。
17.本发明所述醇脱氢酶的固定为共价键结合法，其过程为：在特氟龙管内壁固定好固定化酶载体后，加入50ml浓度为0.05mol/l的tris-hcl缓冲液，其ph值为6.8，再加入50ml的醇脱氢酶溶液，室温搅拌2.5h后，水洗并抽滤，即可得到固定在固定化酶载体上的醇脱氢酶。
18.本发明的有益效果是：上述气体乙醇光纤传感器灵敏度高，特氟龙管具有良好的气体渗透性可以实现低浓度下的乙醇气体的检测，并且由于利用了醇脱氢酶的固定化功能后，可以实现酶催化功能的重复性使用，节约了检测成本，克服了传统气体乙醇检测器的检测范围有限、灵敏度不高和检测成本高的缺点。在中医药领域，使用气体乙醇光纤传感器就可以实现用乙醇浸泡中草药后，对低浓度气体乙醇的吸收和检测。
附图说明
19.图1为气体乙醇光纤传感器的结构示意图。
20.图2为系统具体实施例的示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
22.如图1，为气体乙醇光纤传感器的结构示意图，其中(1)为特氟龙管，(2)为单端锥形多模光纤，(3)为固定化酶载体，(4)为醇脱氢酶，(5)为nad
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缓冲液，(6)为液体流入口，(7)为液体流出口。
23.如图1，本发明所提供的一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器的制备方法，包括：使用激光烧蚀的方法在长度为40mm的特氟龙管(1)侧面加工直径为90μm的液体流入口(6)和液体流出口(7)；然后将固定化酶载体(3)置入特氟龙管(1)中，使用超声震荡的方法使固定化酶载体(3)均匀分散在特氟龙管(1)内壁，再以加热的方法使特氟龙管软化，加热温度为200～210℃，保持温度时间为8～10min，使固定化酶载体(3)微微陷入软化的特氟龙管(1)内表面，降温硬化后，可将固定化酶载体(3)固定在特氟龙管(1)内壁；固定化酶载体的制备过程为：在0.6g壳聚糖中加入20ml浓度为5％的冰醋酸，搅拌溶解后加入80ml的液体石蜡和3ml的span-80溶液，在25℃环境下搅拌30min，再加入10ml浓度为7％的戊二醛溶液，在40℃的环境下搅拌1h，用8mol/l的naoh溶液调节ph至10～11，在70℃的环境下搅拌2h。再将溶液倒入烧杯中，加入30ml石油醚溶液和30ml丙酮溶液，搅拌后静置分层，弃去上层油相，用石油醚和丙酮分次洗涤并抽滤，在4℃环境下干燥，即完成壳聚糖的表面功能化，从而得到固定化酶载体。再使用共价键结合的方法将醇脱氢酶(4)固定在固定化酶载体(3)上；固定过程为：在特氟龙管(1)内加入50ml浓度为0.05mol/l的tris-hcl缓冲液，其ph值为6.8，再加入50ml的醇脱氢酶(4)溶液，室温搅拌2.5h后，水洗并抽滤，即可得到固定在固定化酶载体(3)上的醇脱氢酶(4)。然后利用剥线钳剥离40mm的多模光纤涂覆层后，将剥离区域放置在大型拉锥机的加工区域进行放电加热拉锥，其锥形传感长度设置为：1000μm，细腰长度设置为：1000μm，再调用刀片进行切割，制得单端锥形多模光纤(2)。然后将单端锥形多模光纤(2)伸入特氟龙管(1)内伸入长度为20mm；再使用熔融的方法将特氟龙管(1)的另一端封闭；最后使用注射器将nad
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缓冲液(5)注入特氟龙管(1)内，使其注满整个传感器内部，即可得到基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器。
24.如图2所示，它是一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感系统的具体实施例，(8)为一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器，用于检测外部环境气体乙醇浓度，(9)为多模传输光纤，用于传输光信号，(10)为光环形器，用于传输光信号，(11)为紫外led光源，用于发射340nm的紫外光激发nadh发光，(12)为led光源驱动器，用于稳定紫外led光源(11)，(13)为带通滤波器，用于选择490nm周围波长的光信号进入光谱仪，(14)为光纤光谱仪，用于检测传感器检测到的荧光信号，(15)为pc显示器，用于检测光谱强度信号。
25.本实例在实施时，需要将(5)nad
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缓冲液从(6)液体流入口注入，直至注满整个传感器为止，然后封闭液体流入口(6)和液体流出口(7)，随后将(8)一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器置于待测气体乙醇环境中，气体乙醇通过(1)特氟龙管内壁渗透进系统，并和(5)nad
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缓冲液在(4)醇脱氢酶的催化下反生酶促反应，产生荧光物质nadh，然后开启
(11)紫外led光源和(12)led光源驱动器，产生340nm波长的光信号通过(10)光环形器和(9)多模传输光纤到(8)一种基于荧光检测的气体乙醇光纤传感器，通过(2)单端锥形多模光纤激发nadh发出波长为490nm的荧光，其荧光信号又通过(2)单端锥形多模光纤、(9)多模传输光纤和(10)光环形器传输到(13)带通滤波器，通过选择490nm周围波长的光信号进入(14)光纤光谱仪，并通过(15)pc显示器显示出来，根据光谱的强度大小来判断待测气体乙醇的浓度，即可实现对低浓度气体乙醇浓度的检测。在系统使用完毕之后，开启液体流入口(6)和液体流出口(7)，利用气压使废液从液体流出口(7)排出系统。
26.本领域技术人员清楚地知道，根据本发明方法，可以对低浓度气体乙醇进行高精准和实时检测，在技术特征不发生冲突的情况下，可以进行组合与优化设计。