[发明专利]一种水下荧光传感器

说明书

本发明设计一种水下荧光传感器，包括大口径透镜、LED光源阵列、激发滤光片、挡光环、发射光滤光片、光电检测器、筒状外壳和水密封环等。大口径透镜固定在筒状外壳的一端，LED光源阵列位于大口径透镜后方贴近外壳内壁，光电检测器件位于大透镜的中轴线上。每只LED的中心轴线与大透镜轴线平行或成一定角度、方向朝外，使LED阵列的出射光经过大口径透镜能在透镜前方汇聚为较为均匀的照明场，以激发荧光物质发出荧光。大口径透镜兼具整形激发光和收集荧光；避免了使用流通池型传感器的生物附着和堵塞带来的测试偏差。本设计可使传感器体积小巧、具有灵敏度高、响应速度快和测量准确性高。

技术领域

本发明专利涉及微型分析仪器和传感器领域，具体来说，涉及一种水下荧光传感器。

背景技术

水下荧光传感器广泛应用在可受激发射荧光的组分定量或半定量测量中。光源发出的单色光通过透镜系统聚焦到被测组分上，样品发出荧光。为尽可能避免杂散光，一般在激发光轴垂直方向上进行荧光检测，经发射滤光片和透镜系统将荧光信号聚焦到光电检测器件的光敏面上，将荧光信号转变成电信号输出，由调理电路放大和数据处理系统得到荧光强度值。水下荧光传感器可用于水体混合扩散实验研究，水团分类，藻类浓度测量，微生物测量，以及探测海洋中有机污染物质(如溢油、泄漏的化学物质等)等。

现有的水下荧光传感器，其光路结构多为斜入射式或正交式，即激发光路和发射光路呈一定的夹角。这样设计的优点是尽可能地避免杂散光干扰，得到较高的信噪比；缺点是硬件体积较大，空间利用率低，不利于检测器的微型化。采用光纤激发或收集能够有效缩减体积，提高空间利用率，但代价是会降低灵敏度。如一种水下荧光计探头(国家海洋局第一海洋研究所，一种水下荧光计探头，CN2608975Y，2004)采用光纤传导的正交式结构，灵敏度较低，而且监测区域狭小，易受水中杂物影响。还有一种采用此结构的水下荧光计与浊度计复合探头(国家海洋局第一海洋研究所，CN2844902Y，2006)，其两个LED分别为荧光计和浊度计光源，检测窗口使用平面密封窗实现密封，在光电接收器前方再放置小口径凸透镜进行聚光。这种设计存在如下弊端：1)单颗LED激发光强较弱，导致荧光强度不高；2)小口径凸透镜收集的荧光信号占整个荧光发射量的比例低，导致信噪比低。还有一种水下荧光计测量系统(US4293225A，1981)，采用将检测窗口与发射窗口分离的正交式光路结构。这种设计使密封结构复杂，且光窗狭小，组装调试和维修难度高，夹角区易滞留藻类和杂物而影响测量荧光。由于使用过多光学元件，会导致荧光收集效率下降。除此之外的平行式的光路结构，其激发光源、检测池和检测器件位于一条直线上。如一种凹型的水下荧光检测器探头(WO2018098260A1，2018)，这样的结构检测池狭小，易受水中杂物带来的突变影响，信噪比低。

发明内容

针对上述问题，为了改进现有技术的不足，本发明提出新型传感器光路设计，激发光和发射光共用一个大的光学窗口，大幅简化光路结构。检测窗口使用大口径双凸透镜，兼顾密封、聚光和耐压。透镜固定在外壳的一端，LED阵列位于大口径透镜后方靠近外壳内壁，呈环状分布，光电检测器件位于传感器中轴线部位，放置在大透镜的焦点之前。每只LED均朝外，与外壳轴线平行或以一定角度倾斜放置，使LED阵列经过透镜会聚为宽视场的均匀光束。透镜和光电检测器件之间设有发射光滤光片。使用挡光环将发射光滤光片包围起来，挡光环分别与透镜和发射光滤光片物理接触，将激发光和荧光隔离开。设计水密封环和水密接头进行水密封，实现水下0～1200m深度耐压。

本发明的技术方案是：