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一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的監(jiān)測(cè)裝置及其控制方法

文檔序號(hào):40608321發(fā)布日期:2025-01-07 20:49閱讀:7來(lái)源:國(guó)知局
一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的監(jiān)測(cè)裝置及其控制方法

本發(fā)明屬于光學(xué)微傳感,具體地,涉及一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的監(jiān)測(cè)裝置及其控制方法。


背景技術(shù):

1、水是生命之源,對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活等各個(gè)方面來(lái)說(shuō)都是必不可少的。但是淡水資源在全世界范圍內(nèi)都是有限的,尤其隨著經(jīng)濟(jì)全球化和人口數(shù)量的指數(shù)增長(zhǎng),常規(guī)水資源供給逐漸難以滿(mǎn)足人們不斷增加的用水需要,從而造成的矛盾會(huì)對(duì)社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)制約,并且給全球用水帶來(lái)新的困難和挑戰(zhàn)。

2、在當(dāng)今社會(huì),重金屬離子的排放成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境挑戰(zhàn)。這些重金屬離子,如鉛、汞、鎘等,對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成潛在威脅,因此需要高效的檢測(cè)方法來(lái)監(jiān)測(cè)它們的存在和濃度。傳統(tǒng)的重金屬離子檢測(cè)方法往往需要昂貴的儀器、復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備和較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間,因此迫切需要開(kāi)發(fā)一種更快速、更靈敏的檢測(cè)技術(shù)。

3、有機(jī)磷類(lèi)與氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥作為乙酰膽堿酯酶抑制劑,由于其低成本性與高效除蟲(chóng)效果,成為人類(lèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中使用廣泛的農(nóng)藥。但是由于人們農(nóng)藥使用的不規(guī)范性與環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不足,超標(biāo)農(nóng)藥殘留物在土壤、河水、地下水中被不斷發(fā)現(xiàn)。因此,為了避免殘留農(nóng)藥對(duì)人與動(dòng)植物可能受到的傷害,對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的檢測(cè)尤為重要。目前,人們對(duì)于農(nóng)藥的常規(guī)檢測(cè)方法主要有熒光測(cè)定法、電化學(xué)法、色譜法、比色法等。盡管他們有助于對(duì)農(nóng)藥的檢測(cè),但是這些檢測(cè)系統(tǒng)在過(guò)渡依賴(lài)人力資源的同時(shí),也具有價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。因此,發(fā)展一種操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的高靈敏度的農(nóng)藥檢測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

4、由于糞便是人體腸道分泌物,它包括健康人的糞便以及腸道病人或細(xì)菌性糞便,所以糞便中除正常細(xì)菌外,通常還會(huì)含有腸道致病菌。如果水環(huán)境受到大腸桿菌污染則會(huì)引起人們腹瀉、胃腸道感染等,也可引起新生兒腦炎膜和敗血癥,以及多種器官的膿腫。對(duì)于成年人可引起泌尿系統(tǒng)感染,如尿道炎、膀胱炎等疾病,甚至腹膜炎、膽囊炎、闌尾炎等。因此,被動(dòng)物糞便污染的水也會(huì)對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。因此當(dāng)水源或食品受到糞便污染,應(yīng)考慮其是否存在腸道致病菌污染的可能性以及潛在食物中毒和流行病的威脅。因此,發(fā)展一種操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的高靈敏度的水生微生物檢測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

5、在這一背景下,液晶微腔傳感器作為一種新興的檢測(cè)技術(shù),提供了一個(gè)潛在的解決方案。液晶微腔傳感器的獨(dú)特之處在于其基于微腔內(nèi)的光學(xué)特性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)。對(duì)于水環(huán)境中的污染物檢測(cè),可以利用液晶的特定響應(yīng)性,使其成為一種理想的傳感材料。傳統(tǒng)的液晶傳感器通?;谕獠坑|發(fā),而液晶微腔傳感器則利用微腔內(nèi)的液晶響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。當(dāng)暴露于水環(huán)境時(shí),液晶內(nèi)部的折射率可能會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致微腔內(nèi)的模式發(fā)生變化。這一變化可以通過(guò)監(jiān)測(cè)光學(xué)信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中的污染物進(jìn)行檢測(cè)。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中多種污染物的情況,本發(fā)明提出了一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的監(jiān)測(cè)裝置及其控制方法,在待測(cè)溶液中利用微壓控制系統(tǒng)生成三個(gè)分別摻雜不同物質(zhì)的液晶微球可以同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境中的污染物:大腸桿菌、農(nóng)藥和重金屬離子。微球具有近乎完美的球形結(jié)構(gòu)和異常光滑的表面形態(tài),降低了表面散射損失,使得所激發(fā)出的回音壁模式激光具有極高的q值與超低的激光閾值,從而大幅度提高了污染物的檢測(cè)靈敏度。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):

3、一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的監(jiān)測(cè)裝置:

4、所述監(jiān)測(cè)裝置包括532nm泵浦脈沖激光器、第一半反半透鏡、液晶微滴、10x光學(xué)物鏡、第二半反半透鏡、分束器、532nm濾波片、電荷耦合器件ccd、光譜分析儀、待測(cè)溶液、溫度控制器、微型加熱臺(tái)、pmma基板、石英毛細(xì)管、微型注射器、三維節(jié)整架和4x光學(xué)物鏡;

5、由532nm泵浦脈沖激光器發(fā)出的光通過(guò)第一半反半透鏡,由4x光學(xué)物鏡聚焦到液晶微滴表面并激發(fā)熒光染料dcm產(chǎn)生熒光,產(chǎn)生的熒光在液晶微滴諧振腔與周?chē)郎y(cè)溶液環(huán)境的交界面進(jìn)行全內(nèi)反射、放大、最終產(chǎn)生回音壁模式激光發(fā)射,回音壁模式激光經(jīng)10x光學(xué)物鏡收集,并依次通過(guò)第二半反半透鏡和分束器,一束光經(jīng)過(guò)532nm濾波片濾波后傳輸至光譜分析儀中記錄光譜,另一束光進(jìn)入電荷耦合器件ccd進(jìn)行微滴成像;光譜分析儀和電荷耦合器件ccd獲得的數(shù)據(jù)傳輸至電腦中進(jìn)行信息處理與顯示。

6、進(jìn)一步地,所述532nm泵浦脈沖激光器發(fā)出波長(zhǎng)為532nm的脈沖激光,作為激發(fā)源,用于激發(fā)液晶微滴中的熒光染料dcm產(chǎn)生熒光;

7、所述電荷耦合器件ccd用于微滴成像,用于捕捉和記錄液晶微滴的圖像,輔助進(jìn)行污染物的檢測(cè)和分析;

8、所述光譜分析儀用于記錄和分析由液晶微滴產(chǎn)生的回音壁模式激光的光譜特性,通過(guò)分析光譜的變化來(lái)檢測(cè)和定量目標(biāo)污染物。

9、進(jìn)一步地,所述液晶微滴是由摻雜了0.01wt.%的熒光染料dcm和其他特定物質(zhì)的液晶材料形成的微小液滴,并通過(guò)錐形的石英毛細(xì)管在待檢測(cè)溶液中生成,每個(gè)液晶微滴都被設(shè)計(jì)為對(duì)特定類(lèi)型的污染物敏感,通過(guò)熒光特性來(lái)監(jiān)測(cè)液晶微滴的光學(xué)變化;

10、所述其他特定物質(zhì)包括ph敏感分子硬脂酸、表面活性劑myr和乙酰膽堿酯酶(ache)、十六烷基三甲基溴化銨(ctab)和適體。

11、進(jìn)一步地,所述液晶微滴至少3個(gè),分為摻雜ph敏感分子硬脂酸以檢測(cè)ph變化、摻雜表面活性劑myr和乙酰膽堿酯酶(ache)用于檢測(cè)農(nóng)藥殘留、摻雜十六烷基三甲基溴化銨(ctab)和適體用于特異性識(shí)別微生物。

12、進(jìn)一步地,所述監(jiān)測(cè)裝置包括532nm泵浦脈沖激光器、第一半反半透鏡、液晶微滴、10x光學(xué)物鏡、第二半反半透鏡、分束器、532nm濾波片、電荷耦合器件ccd、光譜分析儀、待測(cè)溶液、溫度控制器、微型加熱臺(tái)、pmma基板、石英毛細(xì)管、微型注射器、三維節(jié)整架和4x光學(xué)物鏡;

13、待測(cè)溶液被盛放在pmma基板上,底部裝有微型加熱臺(tái);

14、所述的微型加熱臺(tái)由溫度控制器調(diào)節(jié)溫度變化。

15、進(jìn)一步地,通過(guò)三維電動(dòng)調(diào)節(jié)架對(duì)微型注射器與液晶微滴進(jìn)行精密位置控制,通過(guò)微型注射器生成液晶微滴直徑控制在50微米。

16、進(jìn)一步地,通過(guò)三維電動(dòng)調(diào)節(jié)架進(jìn)行液晶微滴的制備:首先使用紫外固化膠將石英毛細(xì)管未拉伸一端與微型注射器連接;其次,石英毛細(xì)管拉伸端固定于三維節(jié)整架光纖卡扣上,通過(guò)調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)架精確控制石英毛細(xì)管位置;隨后,移動(dòng)三維調(diào)節(jié)架將石英毛細(xì)管尖端浸沒(méi)于液晶溶液來(lái)微量抽取液晶溶液;最后,移動(dòng)三維調(diào)節(jié)架將石英毛細(xì)管尖端浸沒(méi)于待測(cè)溶液中,通過(guò)控制微型注射器注射速度形成液晶微滴。

17、一種基于回音壁模式液晶微腔同時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境多種污染物的傳感裝置的控制方法:所述控制方法具體包括以下步驟:

18、步驟1:在3份1ml向列型液晶5cb中分別摻雜:0.05wt%的硬脂酸和0.01wt%的熒光染料dcm、0.05wt%的表面活性劑myr和0.05wt%乙酰膽堿酯酶(ache)和0.01wt%的熒光染料dcm、0.05wt%的十六烷基三甲基溴化銨(ctab)和0.05wt%適體和0.01wt%的熒光染料dcm;

19、步驟2:將上述三份混合溶液放置在超聲機(jī)中超聲處理30分鐘使其充分混合均勻,超聲機(jī)的工作溫度設(shè)定為25℃;

20、步驟3:利用火焰加熱拉錐法,將外徑162μm,內(nèi)徑100μm的石英毛細(xì)管拉制成內(nèi)徑5μm的毛細(xì)微管;毛細(xì)微管的另一端連接實(shí)驗(yàn)室自制的微型注射器;

21、步驟4:通過(guò)控制微型注射器的注射速率,在反應(yīng)溶液中生成三個(gè)直徑為50μm的液晶微滴;

22、步驟5:待測(cè)溶液的溫度利用溫度控制器的微型溫度探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),通過(guò)反饋調(diào)節(jié)裝置確保溫度恒定在25℃;

23、步驟6:由532nm泵浦脈沖激光器發(fā)出的光通過(guò)第一半反半透鏡,最后由4x光學(xué)物鏡聚焦到液晶微滴表面并激發(fā)染料dcm產(chǎn)生熒光;

24、步驟7:待測(cè)溶液中包含待檢測(cè)液體,水環(huán)境污染物中的重金屬離子與硬脂酸會(huì)發(fā)生靜電相互作用,使得液晶分子空間排列順序發(fā)生轉(zhuǎn)變;水環(huán)境污染物中的農(nóng)藥殘留化合物中的乙酰膽堿酯酶抑制劑(achei)會(huì)抑制乙酰膽堿酯酶(ache)的活性,因此無(wú)法對(duì)myr產(chǎn)生水解作用,由于myr的長(zhǎng)鏈尾部的疏水作用,使得液晶分子空間排列順序發(fā)生轉(zhuǎn)變;水環(huán)境污染物中的大腸桿菌會(huì)與適體特異性結(jié)合,破壞適體和ctab的靜電相互作用,被釋放出的ctab分子具有兩親性使得液晶分子空間排列順序發(fā)生轉(zhuǎn)變;

25、步驟8:液晶微滴產(chǎn)生的回音壁模式激光經(jīng)10x光學(xué)物鏡收集,并依次通過(guò)第二半反半透鏡和分束器,一束光經(jīng)過(guò)532nm濾波片濾波后傳輸至光譜分析儀中進(jìn)行光譜分析;另一束光進(jìn)入電荷耦合器件ccd進(jìn)行微滴成像,所獲得的數(shù)據(jù)均傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行信息處理與顯示。

26、一種電子設(shè)備,包括存儲(chǔ)器和處理器,所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序,所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

27、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì),用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令,所述計(jì)算機(jī)指令被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述方法的步驟。

28、本發(fā)明有益效果

29、(1)本發(fā)明的傳感裝置可用于同時(shí)檢測(cè)水環(huán)境中不同種污染物:重金屬離子、農(nóng)藥、大腸桿菌。很大程度上縮短檢測(cè)時(shí)間和節(jié)約檢測(cè)成本

30、(2)由于表面張力形成的液晶微滴諧振腔腔具有具有近乎完美的球形結(jié)構(gòu)和異常光滑的表面形態(tài),極大地降低了表面散射損失,使得所激發(fā)出的回音壁模式激光具有極高的q值與超低的激光閾值,從而大幅度提高了水環(huán)境中污染物的檢測(cè)靈敏度。

31、(3)液晶微滴具有大的比表面積,液晶分子的整體排列對(duì)液晶/水界面生物化學(xué)分子錨定的強(qiáng)度和類(lèi)型高度敏感,液晶分子錨定狀態(tài)的微小變化都將會(huì)實(shí)時(shí)地被回音壁模式進(jìn)行數(shù)量級(jí)放大。

32、(4)對(duì)污染物濃度檢測(cè)具有高靈敏度,當(dāng)水環(huán)境中的污染物濃度發(fā)生微弱變化時(shí),會(huì)引起液晶折射率的改變,進(jìn)而引起激光波長(zhǎng)發(fā)生變化,從而在光譜上產(chǎn)生漂移,實(shí)現(xiàn)高靈敏度的傳感。

33、(5)基于回音壁模式激光的液晶傳感技術(shù)可以將水環(huán)境中污染物的濃度變化過(guò)程實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)為光譜信息,使得整個(gè)檢測(cè)過(guò)程得以準(zhǔn)確量化并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。完全克服了傳統(tǒng)的液晶傳感器只能通過(guò)光學(xué)圖樣進(jìn)行粗略評(píng)估的缺點(diǎn)。

34、(6)本發(fā)明的傳感裝置具有完備的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)微型加熱臺(tái)和溫度控制器確保反應(yīng)溶液的溫度恒定,避免因溫度變化引起的誤差,有效避免了由于操作環(huán)境溫度變化所引起擾動(dòng)誤差,使得檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。

35、還使用x-y-z三維電動(dòng)調(diào)節(jié)架對(duì)微型注射器與液晶微滴進(jìn)行精密位置控制,確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

36、綜上所述,本發(fā)明提供了一種實(shí)時(shí)、定量和可視化的水環(huán)境污染物檢測(cè)傳感器,在水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。

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