生物过程是一个复杂的系统, 在反应过程中, 会产生固态、 液态、 气态的过程反应物, 且具有生物活性, 想要准确的掌握过程反应物的种类与含量, 必须对生物过程进行实时在线的监测, 才能够获得准确的数据。 生物过程的原位在线分析依赖于高性能的衰减全反射探头, 衰减全反射技术是在线分析系统中实现原位在线测量的有力手段。 通过分析衰减全反射技术的基本原理与特点, 设计了一种成本低、 光通量高、 具有标准生物过程传感器接口的中红外衰减全反射探头, 能够直接插入到生物反应器中, 对生物过程反应物进行无损、 零延迟的监测。 实验结果表明, 在线式ATR探头具有较宽的光谱范围, 所采集光谱具有较高的信噪比, 能够应用在生物过程的在线定量分析之中。

对生物过程中营养物质的消耗进行监测, 有利于控制微生物的生长环境, 使其始终处于最佳生长条件, 从而使目标产物的产量最大化。 针对酵母培养液中甘油、 甲醇和葡萄糖含量的监测需求, 研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform, HT)技术的近红外光谱仪。 该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集, 采用数字微镜(digital micro-mirror devices, DMD)进行阿达玛模板的编码调制, 配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件, 实现了培养液中营养物含量的实时监测。 给出了光谱仪的光路设计、 近红外原位探头改进设计、 硬件电路和软件模块的设计。 通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%, 波动率为±4.28%。 利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模, 实验结果表明该仪器测量准确, 能够满足生物过程监测的要求。

针对生物过程反应底物含量的实时测量,设计了一种在线式傅里叶变换红外光谱仪及衰减全反射(attenuated total reflectance,ATR)探头.(1) 光谱仪采用双立体角镜和平面镜相组合的方法,设计了一种高性能干涉仪系统;采用了光路折叠方式,使干涉仪结构紧凑;采用了双立体角镜,大大减少了动镜运动过程中存在的旋转、倾斜等因素影响;采用平行四边形摆动柔性支撑装置来支撑动镜,使动镜移动时无摩擦,无抖动,运行平稳;采用ZnSe分束器,使仪器抗潮湿性能大大增强;采用分束器60°光入射方式,提高了光通量.(2) 该工作设计的一种结构简单、光通量大、经济实用的ATR原位测量探头,入射光和出射光的传输均利用了大口径内镀中红外高反膜光导管作为ATR探头的红外光传输介质,从而大大降低红外光在光导管内壁多次反射后的能量损失,使得ATR探头具有高光通量,提高了信号强度,使信号的检出更加容易.最后采用灵敏度高的MCT(碲镉汞)检测器实现红外干涉信号的收集,使得检测效果更好.实验结果表明,系统具有防潮性能出色,光通量大,在线测量等优点.所设计在线式傅里叶红外光谱仪,能够较好的完成生物反应器内甘油等常见反应物底物的实时测量,在生物在线分析、化学物质检测、材料分析学等诸多领域具有较好的应用前景.