多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統的製作方法

2023-05-27 02:42:16

專利名稱：多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生物氣溶膠檢測的螢光激發光學系統，該系統可有效濾除紫外激發光源中的雜散光，在保證激發光功率的同時，提高螢光激發光學系統的信噪比。
背景技術：
螢光是物質的一種光致發光現象，螢光光譜對應物質的電子能級結構。能夠受激發射螢光的分子大部分為有機化合物，只有少數不常見的無機鹽能夠產生很弱的螢光。有機分子特定的激發光譜和吸收光譜常被用於光學方法的生命物質檢測中，即用特定波長的激發光誘導有機分子產生螢光，再利用光電探測器對螢光進行檢測。利用分子螢光作為物質分析、檢測的研究方法稱為螢光分析方法。螢光分析方法是高靈敏度，高選擇性的分析方法，已廣泛應用於工業、農業、醫藥、衛生、司法鑑定和科學研究中。目前的螢光檢測光路中，多採用紫外激發光。短於300nm的紫外光一般用來檢測吸收峰在300nm以下、螢光波段在300_420nm之間的胺基酸物質。由於胺基酸存在的廣泛性，紫外光能激發包括病毒在內的幾乎所有生命物質產生螢光，是激發生命物質產生螢光的最佳波長。但是採用紫外光源，尤其是波長短於300nm的紫外光源，對光路中的光學元件及薄膜的材料要求較高。在激發光中通常含有螢光波段的光，來自於光源、光學元件的螢光，即300nm以上波長的光，在檢測中將影響螢光信號的信噪比、增加本底測量噪聲。在先技術[I](參見蔡舒窈，張佩，朱玲琳等.基於色氨酸本證螢光測量的生物氣溶膠檢測技術研究.光學學報，Vol. 32，0512009-1—0512009-6, 2012)利用幹涉濾光片來濾除激發光中雜散光，如圖I所示。該螢光激發光學系統包括紫外發光二極體、激發光準直鏡組、激發光濾光片、分色鏡、粒子富集板、聚焦/準直鏡組、光陷阱與光電二極體。從紫外發光二極體發出的光經過激發光濾光片濾除激發光中螢光波段的雜散光，經過分色鏡反射後到達粒子採集板，激發生物粒子產生螢光。在該螢光激發光學系統中，激發光濾光片採用幹涉濾光片，濾除激發光中的光學噪聲，存在以下一些缺點
I.幹涉濾光片的加工的難度較大，成本較高。2.激發光經過激發光濾光片時損失了較大部分的激發光。目前國內生產的280nm幹涉濾光片其峰值透過率一般低於24%。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的諸多問題，提供一種多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統。該系統可以在有效濾除光源雜散光的同時，保持激發光中有效波長光的高利用率，從而提高螢光檢測的精確度。本發明的技術解決方案如下
一種多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統，包括共光路設計的激發光路和螢光接收光路，其特點在於
所述的激發光路由依次的紫外發光二極體、激發光準直鏡組、第二分色鏡、第三分色鏡、第一分色鏡、聚焦/準直鏡組、粒子富集板組成；螢光接收光路由依次的粒子富集板、聚焦/準直鏡組、第一分色鏡、螢光濾光片、螢光聚焦鏡組、光闌、光電倍增管組成，在所述的第一分色鏡激發光的透射方向還設有光陷阱和光電二極體構成的監測光路，以監測紫外發光二極體的光強變化；由紫外發光二極體發出的紫外光由激發光準直鏡組準直，經第二分色鏡、第三分色鏡和第一分色鏡反射，濾除光源中的雜散光後，由聚焦/準直鏡組聚焦到粒子富集板表面上的粒子富集區域，激發上面的粒子產生螢光，該螢光經過聚焦/準直鏡組準直，透過第一分色鏡再經螢光濾光片濾除螢光中的雜散光後，由螢光聚焦鏡組匯聚到光電倍增管的接收面上，轉換為可表徵當前螢光強度的電信號。本發明利用多片分色鏡將激發光經過多次反射，達到濾除噪聲的目的。從光源發出的光經過三片分色鏡(該分色鏡對300nm以上波長的光高透，對300nm以下波長的光高反)反射後到達粒子採集板，激發生物粒子產生螢光。螢光和部分反射的激發光透過一片分色鏡後，經過螢光濾光片濾除激發光波段中的雜散光，最後經過螢光聚焦鏡組到達光電倍 增管探測器的接收面。所述的紫外發光二極體在室溫和額定供電電壓條件下，可以實現500 i! W的功率輸出，光出射角為6° ,發光部分直徑為6. 35mm。其發光光譜如圖3所不。LED所發射的光噪聲光譜如圖4所示，該紫外發光二極體含有300nm以上的光噪聲。所述的分色鏡透過率光譜如圖5所示。雖然在300nm以上的波段，分色鏡也會對螢光信號造成一定的損耗，但透過率還是高達90%左右，即對螢光波段有很高的透射率。與此同時，它對300nm以下的紫外波段光卻具有極低的透過率，即對這一波段的紫外光高反。第二分色鏡、第三分色鏡用來濾除光源中的雜散光；第一分色鏡除了濾除光源中的雜散光之外，用來濾除一部分螢光光路中混雜的激發光。所述的激發光準直鏡組採用平凸鏡，凸面的曲率半徑為25_。光源與準直透鏡之間的距離為60_，經仿真分析與實驗，光經過準直透鏡之後的光具有很好的準直性。所述的聚焦/準直鏡組將激發光會聚於採集板上，呈直徑2mm的光斑；受激產生的螢光通過聚焦/準直鏡組準直後進入螢光收集光路。所述的螢光濾光片為有色玻璃，是特定頻段的帶通濾光片。如果採集板上是色氨酸顆粒，色氨酸的螢光波段是330nnT420nm之間，則採用濾光片ZJB360，對360nm以上波段的光具有高透過率(80%)，對其他波長的透過率為O。所述的螢光聚焦鏡組將特定波段的螢光聚焦到通光口徑為3mm的光闌。所述的所有玻璃元件，包括採集板、激發光準直透鏡、聚焦/準直鏡組、螢光聚焦鏡組、第一分色鏡、第二分色鏡、第三分色鏡、螢光濾光片均是石英玻璃品，以保證在285nm左右的激發波長下不產生螢光。光陷阱中光電二極體的作用是檢測由分光鏡透過的少量紫外光，由此監測並反饋LED的光強變化，進而提高整個系統的穩定性。與在先技術相比，本發明有以下技術效果
I、有效抑制了激發光中的噪聲波段(300nm以上)的光。在分別用一片分色鏡、兩片分色鏡和三片分色鏡時，在採集板上無任何螢光物質的情況下，用PMT測得的螢光電壓分別是4620mV、650mV、350mV。與原來使用I片分色鏡的設計相比，本發明對雜散光的抑制作用
大大提聞。2、提高了激發光有效波長的利用率。原有設計使用激發光濾光片，其峰值波長(285nm)透過率僅為24%，大大損耗了激發光的強度。通過功率計的測量，LED本身的發光功率為533. 3uW，分別用一片分色鏡、兩片分色鏡和三片分色鏡時，到達採集板處的激發光功率分別是242. 2uW、231.5uW、223. 3uW。原設計中到達採集板的激發光功率小於100 uff,本發明將激發光利用率提高了I倍多。 3、由於反射鍍膜比幹涉鍍膜在技術上實現更加容易，其過度區域也更窄，所以本發明的設計更易實現。


圖I為現有的採用幹涉濾光片的光學檢測系統示意圖。 圖2為本發明一種多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統示意圖。圖3為280nmLED光源的出射光譜圖。圖4為280nmLED所發射的噪聲光譜圖。圖5為分色鏡透射光譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。圖I是現有的採用幹涉濾光片的光學檢測系統平面示意圖，該光學檢測系統由激發光路和螢光接收光路組成。激發光路由紫外發光二極體I、激發光準直鏡組2、激發光濾光片12、第一分色鏡3、聚焦/準直鏡組4、粒子富集板5、光陷阱6、光電二極體7組成；螢光接收光路由粒子富集板5、聚焦/準直鏡組4、螢光濾光片8、螢光聚焦鏡組9、光闌10、光電倍增管11組成。圖2為本發明一種多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統示意圖。由圖可見，本發明的多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統，包括激發光光路，螢光接收光路。本螢光檢測系統採用共光路設計。所述的激發光路由依次紫外發光二極體I、激發光準直鏡組2、第二分色鏡13、第三分色鏡14、第一分色鏡3、聚焦/準直鏡組4和粒子富集板5組成；螢光接收光路由粒子富集板5、聚焦/準直鏡組4、第一分色鏡3、螢光濾光片8、螢光聚焦鏡組9、光闌10和光電倍增管11組成，在所述的第一分色鏡3激發光的透射方向還設有光陷阱6和光電二極體7構成的監測光路。由紫外發光二極體I發出的紫外光由激發光準直鏡組2準直，經第二分色鏡13、第三分色鏡14和第一分色鏡3反射，濾除光源中的雜散光後，激發光由聚焦/準直鏡組4聚焦到粒子富集板5表面上的粒子富集區域，激發上面的粒子產生螢光。該螢光經過聚焦/準直鏡組6準直，透過第一分色鏡3再經螢光濾光片8濾除螢光中的雜散光後，由螢光聚焦鏡組9匯聚到光電倍增管11的接收面上，轉換為可表徵當前螢光強度的電信號。在所述的第一分色鏡3激發光的透射方向還設有光陷阱6和光電二極體7構成的監測光路。以檢測由第一分色鏡3透射的微量激發光，由此實時監測紫外發光二極體I的光源強度，為修正螢光檢測結果提供參考。所述的紫外發光二極體I在室溫和額定供電電壓條件下，在室溫和額定供電電壓條件下，可以實現500 ii W的功率輸出，光出射角為6° ,發光部分直徑為6. 35_。其發光光譜如圖2所示。LED所發射的光噪聲光譜如圖3所示，該LED含有300nm以上波長的光噪聲，必須濾除光源中含有的螢光波段成分，防止其對後續測量結果造成幹擾。所述的激發光準直鏡組2對光源準直輸出。該準直透鏡採用平凸鏡，凸面的曲率半徑為25mm。光源與準直透鏡之間的距離為60mm，經仿真分析與實驗，光經過準直鏡組後具有很好的準直性。所述的第一分色鏡3、第二分色鏡13、第三分色鏡14構成了一個級聯濾波系統，對300nm以下的光高反，對300nm以上的光高透。所述的分色鏡透過率如圖5所示。雖然在300nm以上的波段，分色鏡也會對螢光信號造成一定的損耗，但透過率還是高達90%左右， 即對螢光波段有很高的透射率；與此同時，它對300nm以下的紫外波段光卻具有極低的透過率，即對這一波段的紫外光高反。第二分色鏡13、第三分色鏡14用來濾除光源中的雜散光；第一分色鏡3除了濾除光源中的雜散光之外，用來濾除一部分螢光光路中混雜的激發光。所述的聚焦/準直鏡組4由兩片透鏡組成，激發光經過聚焦/準直鏡組，會聚於採集板上，呈直徑2mm的光斑；受激產生的螢光通過聚焦/準直鏡組準直後進入螢光接收光路。所述的粒子採集板5用於將待探測的粒子富集到粒子富集區域，便於紫外光誘導激發產生突光。所述的光陷阱6和光電二極體7，作用是檢測由分光鏡透過的少量紫外光，由此監測並反饋紫外發光二極體的光強變化，進而提高整個系統的穩定性。所述的螢光濾光片8為有色玻璃，是特定頻段的帶通濾光片。如果採集板上是色氨酸顆粒，色氨酸的螢光波段是330nnT420nm之間，則採用濾光片ZJB360，對360nm以上波段的光具有高透過率(80%)，對其他波長的透過率為O。主要作用是濾除螢光中殘留的激發光等雜散光。所述的螢光聚焦鏡組9將特定波段的螢光聚焦到通光口徑為3mm的光闌10。所述的光電倍增管11具有極高的靈敏度和極低的噪聲，為了獲得高信噪比螢光強度，利用光電倍增管來探測螢光強度。為了使需要檢測的螢光波段有很好的響應特性，光電倍增管的響應譜線必須與待測的螢光波段相匹配。當採集板上沒有粒子附著時，在紫外光作用下沒有螢光出射，當這一部分反射光再次經過分色鏡和螢光濾波片後，仍有一定的殘留，這一部分光便是我們要盡力濾除的。用光電檢測裝置可以獲取殘留光的光強，通過對比濾波前後殘留光的光強，便可以獲知光路的濾波效果。啟動LED及光電檢測電路，這時由光電倍增管及後續放大電路輸出的電壓信號即反映了殘留光的光強。在一片分色鏡、兩片分色鏡和三片分色鏡等不同情況下，這一電壓信號分別是
(I).在一片分色鏡反射時，輸出電壓信號為4. 4V ;(2).在兩片分色鏡反射時，輸出電壓信號為600mV;
(3).在三片分色鏡反射時，輸出電壓信號為350mV;
由上述結果可知，三片式分色鏡的級聯方式確實能對LED出射光中的雜散光實現有效的抑制，從而達到濾波的效果；
利用光功率計分別測定三種情況下入射到採集板上的激發光功率，實驗結果如下
1、在一片分色鏡反射時，到達採集板的紫外光功率為240.2 u W
2、在兩片分色鏡反射時，到達採集板的紫外光功率為231.5 u W
3、在三片分色鏡反射時，到達採集板的紫外光功率為223.3 u W
從上述的實驗結果可知，如果採用幹涉濾光片進行濾波，幹涉濾光片的最大透過率只有24%，故如果應用幹涉濾光片進行濾波，可利用的光能量將小於一片分色鏡光路中光能的24%，而利用三片式分色鏡結構，兩片和三片濾光片光路中到達採集板上的能量只有很少的衰減(能量損失小於90%)，這遠遠高於原有的利用幹涉濾光片的濾波方案。與在先技術相比，本發明的特點在於採用多片反射式激發光系統進行螢光的激發，得到的激發光光強較高，光學噪聲較小，降低了對鍍膜工藝的要求，減少了螢光信號處理的難度，從而大大提高了系統的信噪比。
權利要求
1.一種多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統，包括共光路設計的激發光路和螢光接收光路，其特徵在於 所述的激發光路由依次的紫外發光二極體(I)、激發光準直鏡組(2)、第二分色鏡(13),第三分色鏡(14)、第一分色鏡(3)、聚焦/準直鏡組(4)和粒子富集板(5)組成；螢光接收光路由依次的粒子富集板(5)、聚焦/準直鏡組(4)、第一分色鏡(3)、螢光濾光片(8)、螢光聚焦鏡組(9)、光闌(10)和光電倍增管(11)組成，在所述的第一分色鏡(3)激發光的透射方向還設有光陷阱(6)和光電二極體(7)構成的監測光路，以監測紫外發光二極體的光強變化；由紫外發光二極體(I)發出的紫外光由激發光準直鏡組(2)準直，經第二分色鏡(13)、第三分色鏡(14)和第一分色鏡(3)反射，濾除光源中的雜散光後，由聚焦/準直鏡組(4)聚焦到粒子富集板(5)表面上的粒子富集區域，激發上面的粒子產生螢光，該螢光經過聚焦/準直鏡組(6 )準直，再經螢光濾光片(8 )濾除螢光中的雜散光後，由螢光聚焦鏡組(9 )匯聚到光電倍增管(11)的接收面上，轉換為可表徵當前螢光強度的電信號。
全文摘要
一種用於生物氣溶膠檢測的多片反射式紫外光誘導生物螢光檢測系統，包括共光路設計的激發光路和螢光接收光路，所述的激發光路由依次的紫外發光二極體、激發光準直鏡組、第二分色鏡、第三分色鏡、第一分色鏡、聚焦/準直鏡組和粒子富集板組成；螢光接收光路由依次的粒子富集板、聚焦/準直鏡組、第一分色鏡、螢光濾光片、螢光聚焦鏡組、光闌和光電倍增管組成，在所述的第一分色鏡激發光的透射方向還設有光陷阱和光電二極體構成的監測光路。本發明可有效濾除紫外激發光源中的雜散光，保持激發光中有效波長光的高利用率，從而提高了螢光檢測的精確度。
文檔編號G01N21/64GK102798621SQ201210292870
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月17日 優先權日2012年8月17日
發明者趙永凱, 徐傲, 張佩, 蔡舒窈, 熊超, 黃惠傑 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所