环境监测传感器的工作原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——基于拉曼效应的环境监测传感器以及环境检测方法。该专利由青岛中一监测有限公司申请，并于2018年8月24日获得授权公告。

内容说明

本发明属于环境监测传感器技术领域，具体涉及一种基于拉曼效应的环境监测传感器以及一种环境检测方法。

发明背景

随着工业的迅速发展，环境污染也在日趋严重。在环境监测过程中，人们发现环境中的污染物对环境中的微生物生存和代谢都产生了很大的影响。由于微生物的多样性、敏感性，决定了微生物能够对环境中多种污染情况做出多种反应，同时也能反映出环境污染的历史状况。因此，对环境中微生物进行检测，对于监测环境污染情况、评价环境质量状况具有很重要的意义。这种环境监测主要是对环境液体中的微生物进行检测，尤其是水体的质量。例如：用大肠菌群的数量作为水体质量的指标，利用鼠伤寒沙门氏杆菌的组氨酸缺陷变株的回复突变（即“艾姆氏试验法”）检测水体的污染状况以及食品、饮料、药物中是否含有致癌变、致畸变、致突变毒物等。

但是，在现有的环境监测过程中，对环境中微生物检测采取的是现场采样、实验室培养、实验室鉴定分析的方法，存在检测时间长、成本高、效率低等问题，而且由于没有及时检测样品，中途发生的变化以及样品传输过程中的污染都会影响到检测结果的客观性。因此，开发出快速检测环境中微生物的方法以及仪器显得尤为重要。

现有的高精密拉曼光谱传感系统主要采用显微镜、激光系统、单色系统、检测系统等部分组成，结构复杂，设备庞大，不利于现场检测。手持式拉曼光谱仪精度不高，稳定性不够，只能对少量表面无污染的固体大分子材料进行定性分析，特别是一些能够产生荧光的物质及微生物样品，容易受到背景荧光的严重干扰，无法进行测试。共振拉曼光谱虽然能够提高拉曼光谱灵敏度，但是仅能在少数分子和特定波长的激光上具有相匹配的电子吸收能级，也容易干扰特征物的拉曼光谱。此外，现有的拉曼光谱仪都是将激光发射模块与接收模块做成一体式，也就是激光发射通道与接收通道共同，这样容易造成干扰。因此，对于环境微生物的现场监测，由于现场工作环境复杂、污染物多，就需要开发一种可以减少干扰、提高选择性与灵敏度的环境监测传感器，用于环境微生物的现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拉曼效应的环境监测传感器，利用红外、紫外激光互相协同分析待检测样品中微生物的拉曼光谱，提升了微生物检测的效率，节省了环境微生物检测的成本，提高了环境监测传感器的分辨率和准确度。

本发明所提出的基于拉曼效应的环境监测传感器的一个实施例的结构示意图

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现：一种基于拉曼效应的环境监测传感器，其特征在于，包括外壳，所述外壳上固定设置有CCD光电转换模块、红外激光发射模块、紫外激光发射模块以及样品池；所述红外激光发射模块发出的红外激光照射到样品池中待检测样品中的微生物时，所述微生物产生拉曼散射，其产生的散射光进入所述CCD光电转换模块；所述紫外激光发射模块发出的紫外激光照射到所述样品池中。

进一步的，所述CCD光电转换模块包括第一壳体和在所述第一壳体内固定设置的CCD光电转换芯片、全息反射光栅、第一聚光透镜，所述CCD光电转换芯片与全息反射光栅左右设置，所述第一聚光透镜位于所述全息反射光栅的下方。所述CCD光电转换模块还包括第一偏振片，所述第一偏振片固定在所述第一壳体上，所述第一偏振片位于所述第一聚光透镜的下方。进一步的，所述红外激光发射模块，包括第二壳体和在第二壳体内上下依次固定设置的红外激光管、第二磁光效应调制模块和第二聚光透镜，所述第二磁光效应调制模块包括调制晶体和调制线圈，所述调制线圈套在所述调制晶体外侧。

进一步的，所述红外激光管为大于1000nm的红外激光管。所述红外激光管为掺镱元素的钇铝石榴石固体激光器。所述调制线圈与所述调制晶体之间设置有陶瓷套筒。所述红外激光发射模块还包括第二偏振片，所述第二偏振片固定在所述第二壳体上，所述第二偏振片设置在所述红外激光管和第二磁光效应调制模块之间。所述第二偏振片的偏振角度与所述第一偏振片的偏振角度之间的夹角为45°～90°。所述紫外激光发射模块，包括第三壳体和在第三壳体内上下固定设置的紫外激光管和第二聚光透镜，所述紫外激光管为小于350nm的深紫外激光管。

所述激光管为紫外可见光激光二极管或准分子激光器。进一步的，所述紫外激光发射模块还设置有第三磁光效应调制模块，所述第三磁光效应调制模块固定在所述第三壳体上，所述第三磁光效应调制模块位于紫外激光管和第二聚光透镜之间。

基于上述的环境监测传感器的检测原理，本发明还提供一种环境检测方法，方便、快捷、准确的监测出环境中微生物的类型以及具体的名称，提升了环境微生物检测的效率，节省了环境微生物检测的成本。

本发明提供的基于拉曼效应的环境监测传感器，通过设置紫外激光发射模块和红外激光发射模块，利用红外、紫外激光互相协同分析微生物的拉曼光谱，提升了微生物检测的效率，提高了检测精度，节省了环境微生物检测的成本；同时采用了磁光调制技术，减小了拉曼光谱传感系统的体积，有效提高了检测精度、加快了检测时间。