[发明专利]一种藻类检测微纳光学传感器及其制作与检测方法

说明书

提供一种藻类检测微纳光学传感器及其制作与检测方法，包括硅基片(1)及其开槽结构面与检测边，从检测边向上开设有向上开设有正面腐蚀槽(2)，终端设置光源腔体(3)，其上面设置有光源(4)；硅基片(1)背面从检测边向上开设有背面腐蚀槽(5)，其终端设置接收腔体(6)，接收腔体(6)上面设置有信号光接收器(7)；光源腔体(3)与接收腔体(6)设置有倾斜的反射壁(15)；正面腐蚀槽(2)、光源腔体(3)与背面腐蚀槽(5)、接收腔体(6)内设置有光波导；使用前先进行标定，获得标定关系后，就可以在现场测量。

技术领域：

本发明涉及光谱吸收检测与微纳传感器技术领域，涉及一种藻类检测微纳光学传感器及其制作方法与检测方法。尤其是一种用于检测藻类种类与浓度的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法。

背景技术：

水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入河湖、海湾等缓流水体，导致水体在一定的时间内由原来营养物质较低的贫营养状态演变为富营养状态。当富营养化水体中的浮游藻类快速生长，使得浮游藻浓度达到一定值，浮游藻便会聚集在水体表面形成水华现象，浮游藻类的快速增长是富营养化的主要特征之一。藻类水华爆发的危害有以下几个方面：①水华爆发会快速耗尽水中的溶解氧，使得其他需氧生物难以生存甚至大量死亡，并造成恶性循环，破坏水体的生态平衡；②藻类聚集在水体表面，降低了水体透明度，影响了景观和旅游业的发展；③水华爆发会导致鱼类和其他需氧植物死亡，导致水体发黑发臭；④部分藻类如微囊藻，会释放有毒物质，增加自来水厂净化水的成本，甚至威胁人类健康。目前，水环境中引起水华灾害的主要是三种典型浮游藻类：蓝藻、绿藻及褐藻。要对这三种典型浮游藻类进行种类与浓度的原位检测，要求传感器检测精度高，能够精确地进行种类与浓度的原位检测，可以实时在线对当前水域中地藻类浓度进行检测；成本低，可用于大范围铺设使用，矩阵式地投放，进行大数据分析。传统的藻类检测传感器体积大，价格昂贵，无法进行原位检测。同时光源在进行长期工作之后会有自衰减现象，导致激发出的发射荧光减弱，使最终检测到的数据产生偏差。

目前浮游藻门类识别和浓度测量方法主要有显微技术识别法、高效液相色谱法、流式细胞分析技术、荧光光谱技术。显微技术识别法是将采集到的浮游藻样品加入适量蒸馏水稀释至一定倍数，定容后滴入显微计数框中，将计数框放在显微镜下进行计数，对专业和经验的要求较高，不适合现场测量。流式细胞分析是基于藻类荧光的一种测量方法，通过荧光强度来计算色素含量，测量速度很快，但只能用于特定几种门类浮游藻的检测，且专用流动细胞仪价格昂贵，操作复杂，不能满足现场的测量和连续监测。荧光光谱技术是基于浮游藻的光合色素特征对浮游藻进行分析的一种方法。不同门类浮游藻体内的光合色素种类具有一定的差异，但是相同门类浮游藻体内的光合色素种类是大致相同的，这些特征可以通过荧光光谱反应出来。测量时，将一定波长的入射光照射到被测藻类上，测量藻类受到激发光激发后的荧光强度。

目前研究中涉及到的多种浮游藻门类识别方法，部分基于二维或三维荧光光谱，但是二维或三维荧光光谱设备体积大成本高，无法实现在线测量，同时在其检测时需要测量浮游藻的连续荧光光谱或所测门类藻的标准荧光光谱才能准确测量浮游藻类的荧光强度，但是现场检测时，获取藻类的连续荧光光谱是很难实现的。

微纳传感器是近几年传感器领域的热门方向，且目前国家正在大力扶持和发展微纳传感器领域。因为其可以在很小的体积空间里集成大量的微小器件单元来达到探测某种物理或化学量的目的，且方案成熟后可以批量生产，极大的降低了传感器的生产和制作成本。微纳传感器就是指以微米或纳米级加工技术为基础，在硅等半导体材料或其他新型材料上制作各类部件，最终封装成为一体的传感器。这类传感器具有体积小、可批量生产等技术优点，同时其检测精度和范围也可以满足大多数的使用场景。使用微纳技术制作传感器正是因为其可以在保证功能的基础上将体积做的非常小，解决了便携性的问题，研究和应用前景非常广阔。但是，目前尚未有关于可以用于检测藻类浓度的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法的报道。因此，本申请发明人的想法是，利用微纳制造技术可以实现传感器部件高度集成化的特点，制作出体积微小、便于携带且可以实现现场检测的用于检测藻类浓度的微纳光学传感器的传感器。