採用柱鏡末端光纖照射毛細管的製作方法

2023-07-01 08:13:21

採用柱鏡末端光纖照射毛細管的製作方法
【專利摘要】採用柱鏡末端光纖照射毛細管。一種新型毛細管柱上光學檢測裝置。使用末端具有柱鏡的光纖照射毛細管。光纖末端為兩個斜面區夾一個曲面區，或兩個斜面區夾一個平面區，使從光纖發出的光會聚在毛細管內腔。與現有技術相比，本發明擴大了光吸收檢測的線性範圍，提高了信噪比。
【專利說明】採用柱鏡末端光纖照射毛細管
【技術領域】
[0001]本發明涉及毛細管電泳光學檢測系統。
【背景技術】
[0002]電泳是一種熟知的分離技術，廣泛用於分離具有不同電荷與大小的物質，如蛋白質、DNA。有兩種主要的電泳裝置。一種是平面電泳裝置，使用凝膠作為介質，電極位於凝膠兩端，樣品放在一個電極附近。施加電壓後，帶有電荷的樣品分子就會向另一電極移動，帶電荷多或體積小的分子移動比帶電荷少或體積大的分子要快，從而實現分離。另一種是毛細管電泳裝置，是在一支很細的管子裡做上述分離，圖1和圖2是毛細管電泳裝置的示意圖。圖中所示的裝置使用柱上光吸收檢測，即光源和光檢測器放置在做分離的毛細管兩側。樣品從毛細管一端引入，然後在毛細管兩端加上電壓，驅動樣品向另一端移動。該裝置包括毛細管100，電源105，正電極110，負電極115，兩個電極以導線135和130與電源105連接。光源120與光檢測器125放置在毛細管100兩側，使光透過毛細管。毛細管100裡面有緩衝液140 (即當少量酸或鹼加入時能保持pH不變的溶液)。毛細管兩端插入含有溶液的容器116、118或117中。毛細管100通常由石英製成，內徑50-100 μ m，外徑200-360 μ m，長度20-50cm，其它尺寸也可採用。
[0003]圖1顯示該裝置在進樣狀態。樣品145帶有正電荷，將從正電極110向負電極115移動。如果樣品帶負電荷，則電源極性需要反向，或者改為從負電極進樣。進樣時，先將電源105和光源120關閉，將正電極110和毛細管100的左端放入含有被分析溶液145的容器116中。施加短時間的壓力差或電壓，使少量樣品溶液進入毛細管，然後用容器117取代容器116，按圖2進行分析。
[0004]圖2顯示該裝置在分析狀態。電源105和光源120被打開，光檢測器125(光電二極體或光電倍增管)連接到計算機或其它數據採集系統。由正負電極110和115施加的電場驅動樣品145的分子向負電極115移動。光源120和光檢測器125位於負電極115附近。光源120發射給定波長和強度的光，透過毛細管100，並被光檢測器125接收。樣品145中的分子會吸收部分照射其上的光。從光源120發出的入射光強和到達光檢測器125的光強被記錄，並按照熟知的比爾-朗伯定律計算樣品分子的濃度。
[0005]使用柱鏡末端光纖集光是光纖通訊領域常用的技術。Becker (US專利3，910，677，1975-10-07)最早提出了一種雙曲線鏡末端光纖(圖3)，用於接收雷射二極體發出的光。該光纖的光入射端被製成一個柱鏡，中部為雙曲線形，兩側各有一個斜面，可提高光接收效率。雖然Becker沒有指出其光纖的直徑要求，但指出光纖用於光纖通訊。一般而言，用於通訊的光纖是單模光纖，光纖芯直徑為10 μ m或更小。Modavis (US專利
5,455, 879, 1995-10-03)展不了一種楔形鏡末端光纖,用於接收雷射。該光纖末端由兩對斜面組成，用於單模光纖，光纖芯直徑約2 μ m。Tsushima (US專利5，845，024，1998-12-01)展示了在光纖末端製造柱鏡的方法，包括有錐度的橢圓和多種形狀的柱鏡。該發明適用於光纖芯6 μ m左右。Irie (US專利6，317，550，2001-11-13)提出了一種楔形鏡末端光纖(圖4)，用於接收雷射。該光纖末端中部為一個垂直於光纖軸的平面，兩側各有一個斜面，用於光纖芯小於10 μ m。Jie (US專利6，597，835，2003-07-22)提出了一種楔形鏡末端光纖，用於接收雷射。該光纖末端中部為實質上的平面，兩側各有一個斜面，斜面與平面以曲面相結合，適用光纖芯直徑6 μ m左右。
[0006]細小的光纖對於單模光傳播是最佳選擇，但嚴重限制了傳遞的總光能。
[0007]牛金福等人(牛金福，徐劍秋，中國專利申請號200710047627.2，2007_10_31)採用了柱面自聚焦光纖使雷射光束準直。該光纖直徑可達500 μ m，兩端均為平凸型柱面且互成角度取向。該光纖對長度有嚴格限制，典型長度為16.2mm。
[0008]為了提高柱上光學檢測的信噪比，照射到毛細管內腔的光強越強越好。因此，光源 120 是非常關鍵的部件。Bruno (Bruno, A.E.et al., 「Theoretical considerationson the design of cylindrical flow cells utilizing optical fibres，，，AnalyticaChimica Acta, 234(1990)259-262)展示了用平末端光纖直接照射毛細管，設計極為簡單。但由於光纖出射光為發散狀態，明顯減少了透過毛細管內腔的光，只有從小於毛細管內徑的光纖部分發出的光才可能通過毛細管內腔，因而使信噪比受到損害。Hlousek (US專利5,037，199，1991-08-06XSMoring (US 專利 5, 239, 360, 1993-08-24)提出了用球鏡聚光照射毛細管，這是目前商品儀器最常用的方法。儘管使用球鏡聚焦大大增加了照射到毛細管內腔的光，但由於球鏡較大的球差，損害了檢測的線性範圍。
[0009]上述發明對於其各自選定的應用都很有價值，同時也具有如上指出的缺點。

【發明內容】

[0010]本發明提出了一種新的照射毛細管的方法，用於毛細管電泳及毛細管液相色譜的柱上光學檢測。本發明取消了聚焦用的球鏡，使用較大直徑的光纖，其光入射端仍為簡單平面，其光出射端被製成不同形狀的柱鏡，使光纖出射光會聚到毛細管內腔，從而提高了檢測的信噪比，擴大檢測線性範圍。本發明對光纖長度沒有限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為現有技術中毛細管電泳裝置進樣狀態示意圖。
[0012]圖2為現有技術中毛細管電泳裝置分析狀態示意圖。
[0013]圖3為現有技術中用於集光的光纖末端設計(Becker)。
[0014]圖4為現有技術中用於集光的光纖末端設計(Irie)。
[0015]圖5為實施例1的側面示意圖。
[0016]圖6為實施例1的端面示意圖。
[0017]圖6A為實施例1的立體示意圖。
[0018]圖7為實施例2的側面示意圖。
[0019]圖8為實施例2的端面示意圖。
[0020]圖8A為實施例2的立體示意圖。
[0021]圖9為實施例3的示意圖。
[0022]附圖標記說明
[0023]100毛細管105電源110正電極[0024]115負電極120光源125光檢測器
[0025]130導線135導線140緩衝液
[0026]145樣品300光纖305包層
[0027]310光纖芯315斜面500光纖
[0028]505光纖芯510包層515毛細管
[0029]520 內腔525斜面區530 曲面區
[0030]700平面區705斜面區900光吸收檢測裝置
[0031]905光源909光纜端子910長方座
[0032]915套管920安裝套925光檢測器室
[0033]930平臺935環氧樹脂940通槽
[0034]945 中心孔950V形槽
【具體實施方式】
[0035]實施例1
[0036]圖5、6和6A分別顯不了本實施例的側面、端面和立體不意。圓形光纖500由光纖芯505和包層510組成。光纖500右端為一柱鏡，由一個凸面區530和兩個斜面區525和525』組成。斜面區從凸面區530向後延伸。毛細管515放在預定的與光纖500距離為D的位置。毛細管515的軸線與光纖500的軸線垂直。一般而言，毛細管內腔520的直徑為50-100 μ m，光纖芯505直徑為100-200 μ m。其它尺寸也可使用。如圖5-6A所示，光纖500右端有三個區域:半徑為r的凸面區530，兩個與光纖軸對稱並與光纖端面成α角的斜面525和525』。斜面525和525』所夾的凸面530的寬度與毛細管內腔520的直徑相近，一般為50-100 μ m,且在0.5-2倍內腔直徑範圍都可採用。凸面區530的半徑r選擇為使凸面區530的焦點落在毛細管內腔520的中心軸處，如圖5中F和G兩線所示。斜面角度α選擇為使從斜面525和525』中部發出的光線落在毛細管內腔520的中心軸處，如圖5中E和H兩線所示。一般地，半徑r為100-150 μ m，角度α為20-30度，其它值也可採用。但如果角度α大於42度，光纖500會發生全反射，出射光將會減少。
[0037]實施例2
[0038]圖7、8和8Α分別顯不了本實施例的側面、端面和立體不意。圓形光纖500』由光纖芯505』和包層510』組成。光纖500』右端為一柱鏡，由一個平面區700和兩個斜面區705和705』組成。斜面區從平面區700向後延伸。毛細管515放在預定的與光纖500』距離為D』的位置。毛細管515的軸線與光纖500』的軸線垂直。一般而言，毛細管內腔520的直徑為50-100 μ m，光纖芯505』的直徑為100-200 μ m，其它尺寸也可採用。如圖7-8A所示，光纖500』右端有三個區域:平面區700，兩個與光纖軸對稱並與光纖端面成α 』角的斜面區705和705』。斜面區705和705』所夾的平面區700的寬度等於或小於毛細管內腔520的直徑，且在0.5-2倍內腔直徑範圍也可採用。斜面角度α 』選擇為使從斜面705和705』中部發出的光線落在毛細管內腔520的中心軸處，如圖7中Ε』和H』兩線所示。一般地，角度α 』為20-30度，其它值也可採用。但如果α 』大於42度，光纖500』會發生全反射，出射光將會減少。
[0039]在以上兩個實施例中，有三個特徵與現有技術不同:1.本發明中斜面角度α和α，為20-30度,且不能大於42度。而用於集光的柱鏡末端光纖的斜面角度一般為40-50度。2.本發明中光纖芯直徑一般為100-200 μ m,而用於通訊的鏡末端光纖芯直徑不大於IOum0 3.本發明中的光纖入射端不需要柱鏡，且長度無限制。
[0040]一般地，毛細管515和光纖500為石英製成，其它材料如玻璃，塑料也可採用。入射光可為白光，也可為單一波長或幾個選定波長的光，從紫外到紅外均可採用。光源可採用發光二極體，雷射器，氣體放電燈，弧光燈，白熾燈及其它類似光源。
[0041]實施例3
[0042]圖9所示是將實施例1和2進一步用於光吸收檢測。光吸收檢測裝置900包括光源905，光纜500』 』，光纜端子909，安裝套920，毛細管515和光檢測器室925。光纜500』 』可包含一支或多支光纖，一般不多於4支。光纜端子909插入安裝套的中心孔945中，放在毛細管515—側。毛細管另一側放置光檢測器室925。光吸收檢測裝置900由不透光的材料製成，如金屬，塑料或木材。光纜端子909由長方座910和套管915組成。套管915右端有一平臺930。光纖從長方座910插入套管915並延伸至平臺930，用環氧樹脂935固定在平臺930上。各支光纖對毛細管515的排列如圖5和圖7所示。安裝套920左側有一通槽940，內部有一中心孔945，分別允許光纜端子的長方座910和套管915插入。安裝套920右側端面有一對過直徑的V形槽950，尺寸與毛細管515配合，當光檢測器室925從右側施壓時，將毛細管515固定在V形槽內。
[0043]當上述裝置組裝完成後，光纖500的凸面區530或光纖500』的平面區700與毛細管515軸心的距離分別為預定距離D和D』(見圖5，圖7)。
[0044]上述實施例中包含許多具體設計和數值，這些不應被視為對本發明的限制，許多變動仍屬於本發明範圍。例如，所用光纖可以具有給定顏色或給定傳輸波長。光纖長度可為幾毫米到幾米。光吸收檢測裝置的通槽940可以取消，代之以手工調整位置。光纜端子909的長方座910與平臺930可以為垂直取向。本發明所用的柱鏡末端光纖也可用於毛細管液相色譜檢測和螢光檢測的入射光。
【權利要求】
1.一種用於照射毛細管內腔的鏡末端光纖，其特徵是: 光纖有第一、第二端面和軸，光從第一端面入射，從第二端面出射； 所述第二端面具有給定的形狀，由第一、第二斜面區和夾在這兩個斜面區之間的第三面區組成，第一、第二斜面區與垂直於光纖軸的端面之間的角度小於42度； 所述第三面區可選為曲面或平面，曲面具有給定的半徑； 所述第三面區夾在第一、第二斜面之間的尺度為被照射的毛細管內腔直徑的0.5-2倍; 依此設計，光源的光從所述光纖第一端面傳輸至第二端面並射出，出射的光會聚在距離D處。
2.根據權利要求1所述的光纖，其特徵是:所述第一、第二斜面與光纖端面的角度選擇為使從斜面發射出的光線會聚在處於給定距離D處的毛細管內腔。
3.根據權利要求1所述的光纖，其特徵是:所述第三面區的半徑選擇為使從曲面發射出的光線會聚在處於給定距離D處的毛細管內腔。
4.根據權利要求1所述的光纖，其特徵是:光纖的光纖芯直徑等於或大於50μ m。
5.根據權利要求1所述的光纖，其特徵是:光纖可選用玻璃，塑料或石英製成。
6.根據權利要求1所述的光纖，其特徵是:通過光纖的光至少為紫外、可見或紅外光區的某一波長。
7.一種照射毛細管內腔的方法，其特徵是: 具有毛細管、光源和光纖，光纖具有第一、第二端面和軸； 所述光纖的第二端面由第一、第二斜面區和夾在這兩個斜面區之間的第三面區組成，第一、第二斜面區與垂直於光纖軸的端面之間的角度小於42度； 所述第三面區可選為曲面或平面，曲面具有給定的半徑； 所述第三面區夾在第一、第二斜面區之間的尺度為被照射的毛細管內腔直徑的0.5-2倍; 所述光纖的第二端面放在與所述毛細管軸距離為D之處； 所述光纖的第二端面的斜面區與所述毛細管的軸平行； 依此設計，光源的光從所述光纖第一端面傳輸至第二端面並射出，出射的光會聚在所述毛細管的內腔。
8.根據權利要求7所述的光纖，其特徵是:光纖第一、第二斜面區與光纖端面的角度選擇為使從斜面發射出的光線會聚在處於給定距離D處的毛細管內腔。
9.根據權利要求7所述的光纖，其特徵是:光纖第三面區的半徑選擇為使從曲面發射出的光線會聚在處於給定距離D處的毛細管內腔。
10.根據權利要求7所述的光纖,其特徵是:光纖的光纖芯直徑等於或大於50μ m。
11.根據權利要求7所述的光纖，其特徵是:光纖可選用玻璃，塑料或石英製成。
12.根據權利要求7所述的光纖，其特徵是:通過光纖的光至少為紫外、可見或紅外光區的某一波長。
13.根據權利要求7所述的光源，其特徵是:光源可選為雷射，發光二極體，氣體放電燈，弧光燈或白熾燈。
【文檔編號】G02B6/42GK103513346SQ201310250148
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月21日 優先權日:2012年6月27日
【發明者】王天松 申請人:王天松