具有欠充滿光纖樣品接口的光學分光計的製作方法
2024-03-21 03:07:05
具有欠充滿光纖樣品接口的光學分光計的製作方法
【專利摘要】提供一種光學裝置，該光學裝置包括一個會聚透鏡裝置、一個透射光纖、一個樣品架、以及一個接收光纖。該會聚透鏡裝置將光聚焦到該透射光纖上，該透射光纖經由入射面接收該聚焦的光並且使從出射面離開的光透過樣品並且到達該接收光纖上。該樣品架固持該用於分析的樣品。該接收光纖經由該接收光纖的入射面接收透過樣品之後的光。該會聚透鏡裝置經定位以將光聚焦到該透射光纖的入射面上，使得到達該透射光纖的入射面的該聚焦的光的角分布的一個半角被選擇為在空間維度和角維度中欠充滿該接收光纖的入射面的入射孔徑。
【專利說明】具有欠充滿光纖樣品接口的光學分光計
【背景技術】
[0001]光學分光計測量一個或多個波長下的光的強度以確定樣品(通常是液體樣品)的某些特性。將光導引通過樣品，並且將一個或多個波長下的輸出光的強度與一個或多個波長下的輸入光的強度進行比較以確定樣品的特性，例如吸光率、透射率、螢光性和/或反射率，其中光通常在紫外(UV)和/或可見(Vis)波長範圍中，但是也可以使用其他波長範圍，包括近紅外(NIR)和紅外(IR)波長範圍。測出的特性提供了關於樣品內的組分的身份、它們的相對濃度、可能還有樣品的其他特徵的信息。光學分光計正越來越普遍地用於分析小試樣，例如在生物技術和藥物學領域中基於它們的價值而具有兩微升(U I)或兩微升以下的體積的那些小試樣，在生物技術和藥物學領域試樣的可用量通常傾向於非常有限。
[0002]在光譜學中，可以使用光纖使光透過樣品，以便分析樣品的組成。光纖可包括單根纖維或一束多根纖維。光纖典型地由被具有較低折射率的透明包覆材料環繞的透明芯組成。光通過全內反射而保持在芯中，從而使纖維充當波導。存在與光纖軸線所成的最大角，光可以按照該角從光纖的入射面進入、在纖維的芯中傳播、並且從光纖的出射面離開。此最大角的正弦值是光纖的數值孔徑(numerical aperture (NA))。由於該最大角，透射到光纖中的光的不同分布可以導致來自該光纖不同的強度測量值。
[0003]發射點大小是來自光源的光所照射的光纖面的面積。發射點的直逕取決於光源的大小和定位以及光源與光纖的入射面之間的光學元件(例如透鏡)的性質。角分布是來自光學光源的、入射在光纖的入射面上的光的角範圍。角分布還取決於光源的大小和定位以及光源與光纖的入射面之間的光學元件的性質。其結果是，關於光纖，由光源以及任何介入的光學元件創造的並且進入光纖中的光分布可以被定義為光在四個自由度下的統計分布，該四個自由度中兩個是空間自由度並且兩個是角自由度。
[0004]典型地，多模光纖發射條件的特徵為欠充滿或過充滿。欠充滿光纖將大部分的光功率集中在光纖的中心。當發射芯的直徑和角分布小於光纖芯的直徑和角分布時，發生欠充滿發射。
[0005]UV-Vis光譜法一般測量在紫外-可見光譜範圍中樣品的吸光率或反射率，並且因此使用可見和相鄰(近UV和NIR)範圍中的光。可見範圍中的吸光率或反射率直接影響所涉及化學品的所感知顏色。比爾-朗伯定律規定樣品的吸光率與樣品中的吸光物質的濃度以及路徑長度成正比。因此，對於固定的路徑長度，UV/Vis光譜學可用於確定樣品中的吸光物的濃度。需要知道吸光率隨樣品中的吸光物的濃度變化的速度。作為實例，這可以從參考資料(摩爾消光係數表)中取得或者使用校準曲線來確定。
[0006]光學分光計測量穿過樣品的光的強度並且將它與穿過樣品之前的光強度進行比較。該比率被稱作透射率。可以使用各種光源來進行光譜法，例如UV-Vis光譜法，但是基於樣品中待識別的組份的類型來選擇光源的波長。例如，光學分光計可以利用發光二極體(LED)或各種不同類型的燈，例如鎢絲、氘弧光燈和氙弧光燈等，作為光源。
[0007]LED的額定壽命是按照它達到其初始強度的一半所花的時間來給出。其結果是，在LED的壽命內的波動預計是很大的。另外，LED的強度可能會隨儀器的周圍或內部溫度而變，其中時間標度是數分鐘。因此，在數分鐘到數小時的時段內測得的連續的分析值可以展現出超過可用光學分光計的可接受極限的顯著的時間相依性。漂移是LED的強度的所報告的分析值隨時間發生的改變，並且即使在光學分光計未受到擾動時，漂移也可能發生。已經發現，不同波長的LED可能以不同的速率以及沿不同的方向發生漂移，並且每個LED的不同部分自身可能以不同的速率發生漂移，其結果是沒有兩個光學分光計同樣地發生漂移。
[0008]除了漂移之外，其他因素也可能造成光學分光計測得的強度值發生變化。例如，光纖中的一根或兩根光纖上的汙染物可能會引起變化。樣品中的不透明或散射夾雜物，包括灰塵、微粒和氣泡，可能會引起變化。樣品液滴在光纖接口上的錯放，例如由於基於人工操作而發生的正常變化，可能會引起變化。
[0009]UV-Vis透射光譜法的常規路徑長度是一釐米(cm)。因此，當吸收性是以每cm的吸光率為單位來報告時，吸光率與吸收性之間存在1:1關係。對於微升樣品，路徑長度更小，大約0.005到0.02cm。因此，吸光率測量值必須乘以大的值(50到200倍)，從而以用戶所預期的常規單位來報告絕對吸光率。這個因數還使吸光率測量值的誤差倍增，從而使與強度變化相關聯的誤差校正成為光學分光計製造中的重要設計指標，尤其是在利用LED光源的那些光學分光計中。
【發明內容】
[0010]在說明性實施例中，提供一種用於分析樣品的光學裝置。該光學裝置包括但不限於一個會聚透鏡裝置、一個透射光纖、一個樣品架、以及一個接收光纖。該會聚透鏡裝置被安裝為接收基本上準直的光並且被配置成將接收到的光聚焦到該透射光纖上。該透射光纖包括一個入射面和一個出射面，並且被安裝為經由該入射面接收該聚焦的光並且使從該出射面離開的該接收到的、聚焦的光透過樣品並且到達該接收光纖上。該樣品架被配置成固持該用於分析的樣品。該接收光纖包括一個入射面和一個出射面並且被安裝為經由該接收光纖的入射面接收透過樣品之後的透射光。該會聚透鏡裝置經定位以將該接收到的光聚焦到該透射光纖的入射面上，使得到達該透射光纖的入射面的該聚焦的光的角分布的一個半角被選擇為在空間維度和角維度中欠充滿該接收光纖的該入射面的入射孔徑。
[0011]在閱讀了以下圖式、詳細說明和所附權利要求書之後，本領域的技術人員將會明白本發明的其他主要特徵和優點。
附圖簡要說明
[0012]下文將參考附圖來描述本發明的說明性實施例，在附圖中相同的數字表示相同的元件。
[0013]圖1描繪了根據說明性實施例的光譜學系統的框圖。
[0014]圖2描繪了根據說明性實施例的分光計的透視圖。
[0015]圖3描繪了根據說明性實施例的結合在圖2的分光計中的傳感器的框圖。
[0016]圖4描繪了根據說明性實施例的圖3的傳感器的透視圖。
[0017]圖5a描繪了根據說明性實施例的圖3的傳感器的一部分的剖開視圖。
[0018]圖5b描繪了根據說明性實施例的圖5a的傳感器的第二部分的放大視圖。
[0019]圖6描繪了根據說明性實施例的殼體的透視圖，該殼體容納結合在圖3的傳感器中的光源。[0020]圖7到圖9繪示了圖6的殼體的剖開視圖並且示出了根據說明性實施例的用於不同波長的光源的光路徑。
[0021]圖10繪示了根據說明性實施例的圖3的傳感器的透射和接收光纖接口的圖。
[0022]圖11繪示了根據說明性實施例的會聚透鏡裝置以及圖3的傳感器的透射光纖接口的圖。
詳細說明
[0023]參考圖1，示出了根據說明性實施例的光譜學系統100的框圖。在說明性實施例中，光譜學系統100可包括分光計102以及經介接的計算裝置104，分光計102可以連接到該計算裝置。分光計102可以不連接到經介接的計算裝置104。假如連接，那麼分光計102與經介接的計算裝置104可以直接連接或者通過網絡來連接。該網絡可以是任何類型的有線和/或無線公用或私用網絡，包括蜂窩網絡、區域網、例如網際網路等廣域網等等。分光計102可以向經介接的計算裝置104發送信息以及從經介接的計算裝置104接收信息。例如，分光計102可以發送針對樣品所獲得的結果以便存儲在經介接的計算裝置104上。作為另一實例，分光計102可以從經介接的計算裝置104接收軟體更新。經介接的計算裝置104可以包括任何形狀因數的計算裝置，例如個人數字助理、臺式計算機、膝上型計算機、集成的消息接發裝置、蜂窩電話、智慧型電話、尋呼機等，但不限於此。
[0024]分光計102可以包括輸入接口 106、傳感器108、小鍵盤110、輸出接口 112、顯示器114、通信接口 116、計算機可讀媒體118、處理器120以及控制應用程式122。不同的額外部件可以結合到分光計102中。例如，電池，例如鋰離子電池，可以為分光計102的各個部件提供電力。
[0025]如本領域的技術人員所知，輸入接口 106提供了用於接收來自用戶的信息以輸入到分光計102中的接口。輸入接口 106可以使用各種輸入技術，包括但不限於鍵盤、觸筆和觸控螢幕、滑鼠、軌跡球、觸控螢幕、小鍵盤110、一個或多個按鈕等，從而允許用戶將信息輸入到分光計102中或使選擇呈現在顯示器114上顯示的用戶界面中。如本領域的技術人所知，輸入接口 106進一步可以提供用於接收來自傳感器108的信息以輸入到分光計102中的接口。在該說明性實施例中，傳感器108測量一個或多個波長下的光強度以確定液體樣品的吸光率，這些波長例如為260和280納米(nm)，它們對於蛋白質和DNA濃度測定來說是有用的。分光計102可以具有使用相同或不同的輸入接口技術的一個或多個輸入接口。
[0026]輸出接口 112提供了用於輸出信息以供分光計102的用戶查看的接口。例如，輸出接口 112可以包括到顯示器114、揚聲器、印表機等的接口。顯示器114可以是薄膜電晶體顯示器、發光二極體顯示器、液晶顯示器、或本領域的技術人員所知的各種不同顯示器中的任一種。分光計102可以具有使用相同或不同的接口技術的一個或多個輸出接口。同一接口可以支持輸入接口 106和輸出接口 112兩者。例如，觸控螢幕均允許用戶輸入以及向用戶呈現輸出。顯示器114、揚聲器、和/或印表機進一步可以通過通信接口 116接入分光計102。
[0027]如本領域的技術人員所知，通信接口 116提供了用於使用各種協議、傳輸技術以及媒體在裝置之間接收和發射數據的接口。通信接口 116可以使用各種傳輸媒體來支持通信，這些傳輸媒體可以是有線的或無線的。分光計102可以具有使用相同或不同的通信接口技術的一個或多個通信接口。可以使用通信接口 116在分光計102與經介接的計算裝置104之間傳送數據和消息。
[0028]如本領域的技術人員所知，計算機可讀媒體118是用於信息的電子保存位置或存儲裝置，使得處理器120可以存取該信息。計算機可讀媒體118可以包括但不限於任何類型的隨機存取存儲器(RAM)、任何類型的只讀存儲器(ROM)、任何類型的快閃記憶體等，例如磁存儲裝置(例如，硬碟、軟盤、磁帶、……)、光碟(例如，⑶、DVD、……)、智慧卡、快快閃記憶體儲裝置等。分光計102可以具有使用相同或不同的存儲媒體技術的一個或多個計算機可讀媒體。分光計102還可以具有支持例如CD或DVD等存儲媒體的載入的一個或多個驅動器。計算機可讀媒體118可以提供用於資料庫的電子存儲媒體，該資料庫存儲了在傳感器108的操作中供控制應用程式122所用的信息。
[0029]如本領域的技術人員所知，處理器120執行指令。這些指令可以由專用計算機、邏輯電路或硬體電路執行。因此，處理器120可以用硬體、固件、或這些方法的任何組合和/或結合軟體來實施。術語「執行」是運行應用程式的過程或者是指令所需要的操作的進行。指令可以使用一種或多種程式語言、腳本語言、彙編語言等來進行編寫。處理器120執行指令，意味著它進行/控制該指令所需要的操作。處理器120操作地與輸出接口 112、輸入接口 106、計算機可讀媒體118、以及通信接口 116連接，以接收、發送和處理信息。處理器120可以從永久性存儲裝置檢索一組指令並且將這些指令以可執行形式複製到暫時性存儲裝置，該暫時性存儲裝置一般是某形式的RAM。分光計102可以包括使用相同或不同的處理技術的多個處理器。
[0030]控制應用程式122進行與用可能的用戶輸入對傳感器108的操作進行控制、維持、更新等相關聯的操作。此處所描述的一些或所有操作可以體現於控制應用程式122中。這些操作可以使用硬體、固件、軟體或這些方法的任何組合來實施。參考圖1的示例性實施例，控制應用程式122是以軟體(包括計算機可讀和/或計算機可執行指令)來實施，該軟體存儲在計算機可讀媒體118中並且可由處理器120存儲以執行體現控制應用程式122的操作的指令。控制應用程式122可以使用一種或多種程式語言、彙編語言、腳本語言等來進行編寫。
[0031]參考圖2，示出了根據說明性實施例的分光計102的透視圖。分光計102的部件安裝在殼體200內或上並且可以按照各種方式進行安排。如本披露中所用，術語「安裝」包括接合、聯合、連接、關聯、插入、懸吊、固持、貼附、附接、系固、連結、粘貼、固定、用螺栓栓系、上螺釘、上鉚釘、錫焊、焊接、膠合、包覆、層以及其他類似術語。短語「安裝在……上」和「安裝到……」包括所提及元件的任何內部或外部。顯示器114和小鍵盤110可以安裝在殼體200上，以便於用戶接近。另外地，鉸鏈202安裝到殼體200。傳感器臂204安裝到鉸鏈202，以使傳感器108的傳感器臂204遠離樣品架206做旋轉移動。可以使用其他機構來允許傳感器臂204遠離樣品架206移動，使得樣品可以放置在樣品架206上或中進行分析。
[0032]參考圖3，示出了根據說明性實施例的傳感器108的框圖。在該說明性實施例中，傳感器108可以包括但不限於光源300、分束器302、參考檢測器304、會聚透鏡裝置306、透射光纖308、樣品架206、接收光纖310、檢測器312、以及致動器314。光源300可以包括一個或多個光源，這些光源發出中心大致處於被選來用於分析放置於樣品架206上或中的樣品的一個或多個波長的光。在說明性實施例中，光源300發出基本上準直的並且能以多個不同的波長為中心的光。[0033]分束器302經定位並且被配置成將光源300發出的光的參考部分反射向參考檢測器304。如本領域的技術人員所知，分束器302可以包括各種光學裝置，例如部分透射鏡。分束器302進一步可以被選來反射光源300發出的光的各種量，這取決於形成參考檢測器304所進行的測量所需的功率量。在說明性實施例中，分束器302包括熔融矽石板，該板保持在一個角度以將光源300發出的光中的約10%反射向參考檢測器304。
[0034]參考檢測器304被配置成生成一個指示光的參考部分的強度的參考信號，以確定光源300發出的光的非衰減功率電平。在說明性實施例中，參考檢測器304包括矽光電二極體，但是也可以使用其他檢測器。
[0035]會聚透鏡裝置306經定位以接收光源300發出的光並且被配置成將接收到的光聚焦到透射光纖308上。如將關於圖10和圖11更詳細地論述，會聚透鏡裝置306進一步被定位以在空間上且有角度地將接收到的光聚焦到透射光纖308的入射面502 (參考圖5所示)的芯部分上，使得聚焦的光關於透射光纖308的入射面502的角分布的半角經過選擇以欠充滿接收光纖310的入射面508 (參考圖5所示)的入射孔徑。在空間上且有角度地界定入射孔徑。
[0036]透射光纖308包括入射面502和出射面504 (參考圖5所示)。接收光纖310包括入射面508和出射面510 (參考圖5所示)。透射光纖308用於使聚焦的光透過樣品架206所固持的樣品並且朝向接收光纖310。接收光纖310用於接收透過樣品架206所固持的樣品之後的光。透射光纖308和/或接收光纖310可包括單根纖維或一束多根纖維。
[0037]樣品架206被配置成固持用於分析的樣品。樣品架206的大小可以經設定以固持各種體積的樣品。在說明性實施例中，樣品架206的大小經設定以固持大小在0.25到20微升(Ul)這個範圍中的樣品。在說明性實施例中，樣品架206是由玻璃、塑料、石英等製成的樣品座或試管。
[0038]檢測器312接收透過樣品並且被接收並傳播通過接收光纖310的光。檢測器312將接收到的光轉換成電信號，該電信號指示在透過樣品之後接收到的光的強度。在說明性實施例中，檢測器312包括光電二極體檢測器。
[0039]致動器314可用於控制傳感器108的一個或多個部件的平移和/或旋轉移動。示例性致動器包括一個電動機、一個伺服、步進、或壓電電動機、一個氣動致動器、一個氣體燃料發動機等等。例如，致動器314可被聯接為控制透射光纖308和/或接收光纖310的移動，從而調整透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間的距離或路徑長度。在說明性實施例中，致動器314可被聯接為控制透射光纖308的移動。
[0040]傳感器108的各個部件可以操作地連接到處理器120，以便在控制應用程式122的控制下從處理器120接收信息和/或向處理器120發送信息。例如，處理器120操作地連接到光源300，以控制光源300中的一個或多個光源的接通或切斷。處理器120還可以操作地連接到參考檢測器304和檢測器312，以接收每個檢測器生成的電信號。處理器120進一步可以操作地連接到致動器314，以控制透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間的距離的調整。處理器120基於每個檢測器304、312生成的電信號來確定樣品的吸光率。處理器120進一步可以基於光源300的開或關操作用信號通知參考檢測器304和檢測器312生成電信號。處理器120可以用與經介接的計算裝置104有關的其他信息來在顯示器114上產生指示樣品的吸光率的值的輸出信號和/或發射該值。處理器120進一步可以控制樣品的多個讀數的收集(例如，在不同的波長下或者對於不同的路徑長度)。
[0041]為了使用分光計102，用戶可以使傳感器臂204遠離樣品架206旋轉並且將一滴樣品放置在樣品架206上或中。例如，用戶可以使用移液管將該滴樣品放置在樣品架206上。在將該滴樣品放置在樣品架206上之後，用戶可以使傳感器臂204朝樣品架206旋轉。這些操作中的一個或多個可以是自動化的。
[0042]可以通過選擇例如小鍵盤110上的按鈕或顯示器114上的按鈕指示器來起始強度測量，該按鈕或按鈕指示器在控制應用程式122的控制下觸發了測量序列的起始。在鄰近樣品定位之後，旋轉的傳感器臂204移動到如參考圖4、圖5a和圖5b所示的位置中。
[0043]指示在參考檢測器304和檢測器312兩者處檢測到的強度的電信號是在光源300開啟和關閉的情況下接收到的。對於給定波長的光源300所報告的吸光率可以按下式計算:
A=-1og [ (I樣品-開_1樣品-關)(I參考-開_1參考-關)] (I)
其中I I是在光源300發出光的情況下在檢測器312處測量到的強度，I 是在光源300關閉的情況下在檢測器312處測量到的強度，1#$_#是在光源300發出光的情況下在參考檢測器304處測量到的強度，並且I是在光源300關閉的情況下在參考檢測器304處測量到的強度。因此，參考檢測器304的使用允許校正光源300中的變化。在說明性實施例中，與強度測量相關聯的電信號是來自參考檢測器304和來自檢測器312的電流測量值。
[0044]在說明性實施例中，控制應用程式122進一步起始差動測量，差動測量是用於測量吸收性的一種技術，其中針對兩個路徑長度來進行吸光率測量，將這些吸光率測量值相減以得到單個吸光率值並且可以通過用路徑長度差除來轉換成吸收性。還可以用差動吸收路徑來測量樣品。例如，可以通過改變進行吸光率測量的光學路徑長度(樣品高度)來測量樣品吸光率，按照一個或多個路徑長度中的每一者來測量樣品，其中路徑長度的差與所透射強度的差的組合可以用來計算樣品吸光率。如果樣品具有很高的吸光性並且小路徑差的路徑差精確度可以比絕對全光學路徑得到更好地確定，那麼這可能是很有意義的。可以按照透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間的相對較長的路徑和相對較短的路徑長度來進行測量。如果將一個或多個較長路徑的吸光率減去較短路徑時的吸光率，那麼可以計算出樣品的吸光率。因此，致動器314可以操作地連接到透射光纖308和接收光纖310中的任一者或兩者，以在控制應用程式122的控制下調整路徑長度。在說明性實施例中，可以在約0 (接觸)到約Imm之間調整路徑長度。
[0045]參考圖4，示出了根據說明性實施例的傳感器108的透視圖。第一殼體400可以容納光源300、分束器302、參考檢測器304、會聚透鏡裝置306、以及透射光纖308的第一部分700 (參考圖7所示)。第二殼體402可以容納透射光纖308的第二部分500 (參考圖5所示)以及致動器314。如本領域的技術人員所知，樣品架206可以按照各種方式安裝在平臺404內。傳感器臂204容納接收光纖310和檢測器312。
[0046]參考圖5a，示出了根據說明性實施例的傳感器108的一部分的剖開視圖。致動器314被安裝為使透射光纖308的出射面504沿著光軸506靠近或遠離接收光纖310的入射面508移動。透射光纖308以固定的安排安裝在第二殼體402內，使得除了在致動器314的控制下之外，透射光纖308都不會移動。[0047]參考圖5b，示出了根據說明性實施例的圖5a的傳感器108的一部分的放大視圖。傳感器108包括下部套圈512，該套圈包括孔514以及拋光頂部，該拋光頂部形成樣品架206。在另一說明性實施例中，樣品架206可以包括位於透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間的試管。環形軸承516以下部套圈512為中心，下部套圈512通過這些環形軸承可以上下滑動。在說明性實施例中，下部套圈512的至少一部分是有螺紋的，並且這些螺紋與致動器314的轉子嚙合。下部套圈512的孔514接納透射光纖308。透射光纖308可以通過粘合劑固持在適當位置。透射光纖308的出射面504可以經拋光，使得它與樣品架206齊平。
[0048]傳感器108進一步包括上部套圈518，該上部套圈518包括孔520。上部套圈518安裝到傳感器臂204。上部套圈518的孔520接納接收光纖310。接收光纖310可以通過粘合劑固持在適當位置並且經拋光，以使得它與上部套圈518的接觸座522齊平。接觸座522與接收光纖310的入射面508可以一起進行拋光以形成齊平表面。
[0049]在將樣品放置於樣品架206上或中以及定位好傳感器臂204之後，可以在透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間形成一個樣品「柱」。該柱通過樣品架206與接觸座522之間的毛細管作用而固持並且沿著光軸506在光纖308、310之間建立光學路徑。使用致動器314，可以在透射光纖308的出射面504與接收光纖310的入射面508之間建立不同的路徑長度。
[0050]參考圖6,不出了根據說明性實施例的第一殼體400的透視圖。第一殼體400包括基線發光二極體(LED)安裝板600、第一 LED安裝板602、第二 LED安裝板604、參考檢測器安裝板606、以及透射光纖安裝板608。參考圖7，示出了根據說明性實施例的容納在第一殼體400中的部件的剖開視圖。
[0051]第一殼體400容納光源300。在圖6到圖9的說明性實施例中，光源300包括基線LED702、第一 LED704以及第二 LED706。光源300可以包括更少或更多的LED。另外地，替代LED或除了 LED之外，光源300還可以包括各種不同類型的燈，例如鎢絲、氘弧光燈和氙弧光燈等。光源300進一步可以發出UV、Vis、IR、近IR、近UV等中的光。因此，從光源300發出的光可以不是可見的。
[0052]基線LED安裝板600安裝基線LED702並且將基線LED702固定地定位於第一殼體400內。基線LED702被選擇為發出中心大致處於基線波長的基線光。第一 LED704被選擇為發出中心大致處於被選來用於分析樣品的第一波長的第一光。第二 LED706被選擇為發出中心大致處於被選來用於分析樣品的第二波長的第二光。基線波長不同於第一波長和第二波長並且被選擇為使中心處於不用於分析樣品的電磁譜區域中，即，相關的分析材料(樣品)不會明顯地吸收光的譜區域。在將針對蛋白質和DNA來分析樣品的說明性實施例中，被選來用於分析樣品的第一波長可以是280nm，被選來用於分析樣品的第二波長可以是260nm，並且基線波長可以被選為365nm。可以基於待分析的樣品的類型來使用UV、Vis、IR、近IR和/或近UV譜內的其他波長。在圖7的說明性實施例中，LED702、704和706經安排以形成一個形成「z」圖案的射束路徑，但是用於在LED702、704和706與透射光纖308之間形成射束路徑的其他安排也是可能的。例如，LED702、704和706的不同安排可以與不同類型的濾光片(例如截止濾光片或陷波濾光片)結合使用。因此，可以使用各種帶限濾光片。
[0053]儘管LED702、704和706以選定波長為中心，但是當零件間變化超過LED702、704和706之間的譜差異時，LED702、704和706所產生的光的譜分布可存在重疊。為了改善強度測量的精確度，可以將帶通濾光片放置在LED702、704和706中的一者或多者前面，以過濾掉從相應LED發出的任何光，該LED可能與LED702、704和706中用於形成光源300的另
一 LED在波長上重疊。
[0054]在圖7的說明性實施例中，從基線LED702發出的光通過基線濾光片708進行過濾。基線濾光片708可以包括一片藍色濾光玻璃，例如Hoya B390濾光玻璃。從第一 LED704發出的光通過第一濾光片710進行過濾。在第一 LED704包括以280nm的波長為中心的LED的說明性實施例中，第一濾光片710是以280nm為中心的帶通濾光片。第一濾光片708還在參考波長下發生反射。作為一個實例，第一濾光片710可以是反射在其通帶之外的波長的薄膜帶通濾光片。從第二 LED706發出的光通過第二濾光片712進行過濾。在第二 LED706包括以260nm的波長為中心的LED的說明性實施例中，第二濾光片712是以260nm為中心的帶通濾光片。第二濾光片712還在第一波長和基線波長下發生反射。作為一個實例，第二濾光片712可以是反射在其通帶之外的波長的薄膜帶通濾光片。在說明性實施例中，通帶可以是6nm和14nm，但是可以基於針對特定分光計設計所識別的成本和性能目標來選擇其他通帶。
[0055]在圖7的說明性實施例中，來自第二 LED706的光經過第二濾光片712過濾，沿著第一軸線714導引向透射光纖308的第一部分700。來自第二 LED706的光基本上是準直的。第一軸線714是透射光纖308的入射光軸並且垂直於透射光纖308的入射面502。一部分光被分束器302沿著第二軸線716反射向參考檢測器304。其餘光繼續沿著第一軸線714朝向會聚透鏡裝置306以及透射光纖308的入射面502。
[0056]在圖7的說明性實施例中，會聚透鏡裝置306包括但不限於會聚透鏡718和孔徑板720。會聚透鏡718可以包括熔融矽石透鏡，它是雙凸的或平凸的並且中心處於第一軸線714上。孔徑板720安裝在會聚透鏡715與透射光纖308的入射面502之間。孔徑板720包括但不限於孔徑1100 (參考圖11所示)，該孔徑被配置成允許聚焦光的第一部分到達透射光纖308的入射面502並且阻擋其餘光到達透射光纖308的入射面502。孔徑1100是孔徑板720中的、光行進穿過的孔口或開口。更特定來說，孔徑1100是決定聚焦於透射光纖308的入射面502上的光的錐角的開口。
[0057]在替代性實施例中，會聚透鏡718的直徑被選擇為允許一部分光穿過會聚透鏡718並且到達透射光纖308的入射面502上。其餘部分的光被會聚透鏡718的支撐結構阻擋，該支撐結構將會聚透鏡718安裝於第一殼體400內。
[0058]參考圖8，來自第一 LED704的第二光經過第一濾光片710過濾，沿著第三軸線800導引向第二濾光片712。來自第一 LED704的第二光基本上是準直的。第二濾光片712將第二光沿著第一軸線714反射向透射光纖308的第一部分700。一部分的第二光被分束器302沿著第二軸線716反射向參考檢測器304。其餘的第二光繼續沿著第一軸線714朝向會聚透鏡裝置306以及透射光纖308的入射面502。
[0059]參考圖9，來自基線LED702的第三光經過基線濾光片708過濾，沿著第四軸線900導引向第一濾光片710。來自基線LED702的第三光基本上是準直的。第一濾光片710將第三光沿著第三軸線800反射向第二濾光片712。第二濾光片712將第三光沿著第一軸線714反射向透射光纖308的第一部分700。一部分的第三光被分束器302沿著第二軸線716反射向參考檢測器304。其餘的第三光繼續沿著第一軸線714朝向會聚透鏡裝置306以及透射光纖308的入射面502。
[0060]如果分光計102被配置成處理多個波長，如參考光源300的說明性實施例所描述，那麼吸光率變成波長的函數。其結果是，方程式(I)被修改，如下文所示:
【權利要求】
1.一種光學裝置，包括: 一個會聚透鏡裝置，該會聚透鏡裝置被安裝為接收來自一個光源的光，其中該接收到的光基本上是準直的，並且進一步地，其中該會聚透鏡裝置被配置成將該接收到的光聚焦到一個透射光纖上； 包括一個入射面和一個出射面的該透射光纖，其中該透射光纖被安裝為經由該入射面接收該聚焦的光並且使從該出射面離開的該接收到的、聚焦的光透過一個樣品並且到達一個接收光纖上； 一個樣品架，該樣品架被配置成固持該用於分析的樣品；以及 包括一個入射面和一個出射面的該接收光纖，其中該接收光纖被安裝為經由該接收光纖的該入射面接收透過該樣品之後的該透射光，其中該會聚透鏡裝置被定位為將該接收到的光聚焦到該透射光纖的該入射面上，使得到達該透射光纖的該入射面的該聚焦的光的角分布的一個半角被選擇為在一個空間維度和一個角維度中欠充滿該接收光纖的該入射面的一個入射孔徑。
2.如權利要求1所述的光學裝置，其中該會聚透鏡裝置包括一個會聚透鏡，其中該會聚透鏡的直徑被選擇為允許該聚焦的光的一個第一部分穿過該會聚透鏡並且到達該透射光纖的該入射面，其中阻擋該聚焦的光的其餘部分到達該透射光纖的該入射面。
3.如權利要求2所述的光學裝置，其中該會聚透鏡沿著該透射光纖的一個入射光軸定位在由定義的一個距離處，其中是該會聚透鏡的直徑，並且是該聚焦的光的該第一部分的角分布的該半角。
4.如權利要求3所述的光學裝置，其中該透射光纖的該入射面的一個芯部分的半徑被選擇為小於或等於，其中是該接收光纖的該入射面的芯的半徑，是該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的最大距`離，是該樣品的折射率，並且是該接收光纖的該入射面的中心相對於該透射光纖的該出射面的一個出射光軸的最大偏離。
5.如權利要求1所述的光學裝置，其中該會聚透鏡裝置包括一個會聚透鏡和一個孔徑板，其中該孔徑板被安裝在該會聚透鏡與該透射光纖的該入射面之間並且包括一個孔徑，該孔徑被配置成允許該聚焦的光的一個第一部分到達該透射光纖的該入射面，其中該孔徑板阻擋該聚焦的光的其餘部分到達該透射光纖的該入射面。
6.如權利要求5所述的光學裝置，其中該孔徑板沿著該透射光纖的一個入射光軸定位在由定義的一個距離處，其中是該孔徑的直徑，並且是該聚焦的光的該第一部分的該半角。
7.如權利要求6所述的光學裝置，其中該透射光纖的該芯部分的半徑被選擇為小於或等於，其中是該接收光纖的該入射面的該芯的半徑，是該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的最大距離，是該樣品的折射率，並且是該接收光纖的該入射面的中心相對於該透射光纖的該出射面的一個出射光軸的最大偏離。
8.如權利要求1所述的光學裝置，進一步包括被配置成形成該光的光源，其中該光源包括被配置成發出中心大致處於一個第一波長處的第一光的一個第一光源，其中該第一波長被選擇以用於分析該樣品。
9.如權利要求8所述的光學裝置，其中該光源進一步包括被配置成發出中心大致處於一個基線波長處的基線光的一個基線光源，其中該基線波長不同於該第一波長並且被選擇為使中心處於電磁譜的一個不用於分析該樣品的區域中。
10.如權利要求9所述的光學裝置，其中該光源進一步包括一個安裝在該第一光源與該會聚透鏡裝置之間的帶限濾光片，其中該基線光源被安裝為向該帶限濾光片發出該基線光，並且其中該帶限濾光片進一步被安裝為將該基線光反射向該會聚透鏡裝置並且對向該會聚透鏡發出的該第一光進行過濾。
11.如權利要求9所述的光學裝置，其中該光源進一步包括被配置成發出中心大致處於一個第二波長處的第二光的一個第二光源，其中該第二波長被選擇以用於分析該樣品，並且進一步地，其中該第二波長不同於該第一波長和該基線波長。
12.如權利要求11所述的光學裝置，其中該光源進一步包括一個安裝在該第一光源與該會聚透鏡裝置之間的第一帶限濾光片，其中該第二光源被安裝為向該第一帶限濾光片發出該第二光，並且其中該第一帶限濾光片進一步被安裝為將該第二光反射向該會聚透鏡裝置並且對向該會聚透鏡發出的該第一光進行過濾。
13.如權利要求12所述的光學裝置，其中該第一帶限濾光片進一步被安裝為將該基線光反射向該會聚透鏡裝置。
14.如權利要求13所述的光學裝置，其中該光源進一步包括一個安裝在該第二光源與該基線光源之間的第二帶限濾光片，其中該基線光源被安裝為向該第二帶限濾光片發出該基線光，並且其中該第二帶限濾光片進一步被安裝為將該基線光反射向該第一帶限濾光片並且對向該第一帶限濾光片發出的該第二光進行過濾。
15.如權利要求9所述的光學裝置，進一步包括: 一個分束器；以及 一個參考檢測器， 其中該分束器被安裝在該第一光源與該會聚透鏡裝置之間並且被配置成將該基線光的一個基線部分以及該第一光的一個第一部分反射向該參考檢測器，其中該參考檢測器被配置成生成一個第一參考信號以及一個第二參考信號，該第一參考信號指不該第一光的該第一部分的一個第一強度，該第二參考信號指示該基線光的該基線部分的一個第二強度。
16.如權利要求11所述的光學裝置，進一步包括: 一個分束器；以及 一個參考檢測器， 其中該分束器被安裝在該第一光源與該會聚透鏡裝置之間並且被配置成將該基線光的一個基線部分、該第一光的一個第一部分以及該第二光的一個第二部分反射向該參考檢測器，其中該參考檢測器被配置成生成一個第一參考信號、一個第二參考信號、以及一個第三參考信號，該第一參考信號指示該第一光的該第一部分的一個第一強度，該第二參考信號指示該第二光的該第二部分的一個第二強度，該第三參考信號指示該基線光的該基線部分的一個第三強度。
17.如權利要求15所述的光學裝置，進一步包括: 一個檢測器，該檢測器被聯接為接收在透過該接收光纖之後的從該接收光纖的該出射面離開的光；以及 一個致動器，該致動器可操作地被聯接為調整該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的距離； 其中該檢測器被配置成針對該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的一個第一距離生成一個第一樣品信號並且針對該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的一個第二距離生成一個第二樣品信號，該第一樣品信號指示該第一光的一個第一樣品強度，該第二樣品信號指示該第一光的一個第二樣品強度。
18.如權利要求17所述的光學裝置，其中該檢測器被進一步配置成針對該第一距離生成一個第三樣品信號以及針對該第二距離生成一個第四樣品信號，該第三樣品信號指示該基線光的一個第一樣品強度，該第四樣品信號指示該基線光的一個第二樣品強度。
19.如權利要求18所述的光學裝置，進一步包括: 一個處理器；以及 一個計算機可讀媒體，該計算機可讀媒體可操作地連接到該處理器，該計算機可讀媒體具有存儲在其上的計算機可讀指令，這些指令在由該處理器執行時使該光學裝置 控制該致動器以致使調整該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的該距離到該第一距離； 生成該第一樣品信號； 生成該第三樣品信號； 控制該致動器以致使調整該透射光纖的該出射面與該接收光纖的該入射面之間的該距離到該第二距離； 生成該第二樣品信號； 生成該第四樣品信號以及 基於該第一樣品信號、該第二樣品信號、該第三樣品信號以及該第四樣品信號來計算該樣品的吸光率。
20.如權利要求19所述的光學裝置，其中這些計算機可讀指令進一步使該光學裝置 生成該第一參考信號；以及 生成該第二參考信號； 其中進一步基於該第一參考信號和該第二參考信號來計算該樣品的該吸光率。
【文檔編號】G01N21/47GK103649698SQ201280033788
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年5月31日 優先權日:2011年7月14日
【發明者】D·W·阿什米德, F·J·德克 申請人:熱電科學儀器有限公司