CN104749140B - 一种流通式荧光检测池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流通式荧光检测池，由上卡件、下卡件和石英管组成。上卡件为柱形结构，下端面设有贯穿的矩形上凹槽，上端面向下垂直设有通光孔；下卡件顶部设有贯穿的矩形下凹槽；石英管作为流通池卡紧在上凹槽和下凹槽之间，上凹槽和下凹槽的贯穿方向均与石英管的轴向平行。光源经通过孔照射到石英管上时，空气‑石英管外表面光学界面产生的强反射激发光被上凹槽的两内侧边缘阻挡，无法传播入荧光收集光路，从而有效地削弱了反射激发光造成的高背景噪音，提高了检测信噪比。检测池结构简单、易于制作，适用于毛细管电泳、液相色谱和流动分析荧光检测器。
Description
技术领域
本发明专利涉及荧光检测器技术领域，更具体地说，涉及一种流通式荧光检测池。
背景技术
液相色谱、毛细管电泳作为高效能的分离技术，广泛地用于混合物质的分离分析。荧光检测器（FLD）是一种高灵敏度和高选择性检测器，液相色谱、毛细管电泳与荧光检测器相结合，广泛地用于检测复杂混合痕量生物和环境物质。检测池是荧光检测器的核心部件之一，检测池的设计直接影响整个检测系统性能的优劣。研究人员一般会根据所设计的激发及发射光路结构来设计检测池。荧光检测器的激发及发射光路的聚焦或收集方式一般有三种，透镜式、光纤式和紧贴式。这三种方式一般都会有小孔或狭缝光阑限束，流通池与小孔或狭缝光阑有一定距离（Analyst,2006,131,664-669）。这种设计能限制光斑大小匹配流通池内径，目的是使照射到流通池内部的激发光通过，其余杂散光禁止通过，通过优化小孔大小或狭缝宽度，提高检测信噪比。但激发光照射到流通池外表面上，由于荧光流通池一般为圆柱形石英材料，如石英毛细管或石英管，激发光在此空气-石英管外表面界面上发生的反射将部分进入荧光收集光路。根据菲涅尔反射定律，两个光学界面的折射率差距越大，反射越强。激发光传播过程中遇到的折射率相差最大的界面就是空气-石英管外表面界面，因此激发光在此界面上将发生较强反射，反射光进入荧光收集光路，造成较大的背景噪音，从而降低了检测信噪比（Talanta,2008,75,885-889）。这个界面上的反射是第一次反射，贡献最大的背景噪音，而后激发光折射穿透石英管外表面，再继续向前传播将是复杂的折反射过程，会发生第二次反射、折射，第三次反射、折射……，贡献的背景噪音逐级递减。
对于光纤式结构，可在激发光纤、流通池及收集光纤之间加入遮光补偿液体（RIMF）来消除空气-石英管外表面光学界面，从而有效地减少第一次强反射造成的强背景噪音（Talanta,2008,75,885-889）。但RIMF是液体，会到处流动，需采用精密密封设计，否则会引起检测性能不稳。最近开发的紧贴式结构虽然使小孔光阑与流通池接近物理接触（Talanta,2012,88,463-467），但仍然存在上述空气-石英管外表面界面，故第一次反射仍然会导致较高背景噪音。对于透镜系统，自然也存在这个问题。
发明内容
为了改进现有技术的不足，本发明提供一种新型的流通式荧光检测池，有效地解决了现有检测池高背景噪音的问题。将圆柱形石英管卡紧在上下两个矩形凹槽之间，使空气-石英管外表面光学界面产生的强反射激发光被凹槽的两内侧边缘挡住，无法传播入荧光收集光路，从而有效地减少第一次强反射激发光造成的高背景噪音，提高检测信噪比。
本发明的技术方案是：
一种流通式荧光检测池，由上卡件、下卡件和圆柱形石英管组成，其特征在于：上卡件为柱形结构，于上卡件的下端面设有贯穿上卡件的矩形上凹槽；于矩形上凹槽的底部向上卡件的上端面方向垂直向上设有作为通光孔的通孔；下卡件为柱形结构，于下卡件的顶部端面设有贯穿下卡件的矩形下凹槽；下卡件位于上卡件下方，石英管作为流通池卡紧在上凹槽和下凹槽之间，上凹槽和下凹槽的贯穿方向均与石英管的轴向平行；与上凹槽和下凹槽的贯穿方向相垂直的上凹槽和下凹槽的槽宽均小于石英管的直径。
与上凹槽和下凹槽的贯穿方向相垂直的上凹槽和下凹槽的槽宽度均介于石英管的内外径之间。
液体样品流经石英管，光源发出的光经通光孔照射到石英管上，液体样品发射出的荧光通过上卡件和下卡件之间的空隙，于石英管的一侧面进行检测。
所述于矩形上凹槽的底部向上卡件的上端面方向垂直向上设有作为通光孔的通孔是指：于矩形上凹槽的上方从上卡件的上端面向下垂直设有通光孔，通光孔的深度至上凹槽的底部。
于所述上卡件下端面面向荧光收集方向一侧设有一向上的斜面，其为上斜面，上斜面和上卡件下端的交线与上凹槽和上卡件下端面的交线平行；
于所述下卡件上端面面向荧光收集方向一侧设有一向下的斜面，其为下斜面；下斜面和下卡件上端面的交线与下凹槽和下卡件上端面的交线平行。
所述上凹槽和下凹槽的深度相同，其底部与最近的石英管外壁之间的垂直距离为0.1-0.5mm。
所述上斜面和下斜面的角度为30-60°；上斜面和上卡件下端面交线与上凹槽和上卡件下端面交线的最短距离为0.2-0.8mm，优选0.4-0.6mm。
所述下凹槽的底部设有反光镜，反光镜为玻璃反光镜或金属反光膜。
所述石英管的内径为0.05-5mm；
所述上卡件和下卡件的材料为无荧光的表面氧化发黑的金属或黑色高分子材料。
所述通光孔内设有滤光片和透镜。
采用上述方案时，激发光由通过孔进入照射到石英管外壁上，发生第一次强反射。由于上凹槽的存在，反射的激发光被上凹槽的两内侧边缘阻挡，无法进入荧光收集光路，减小了背景噪声。同理，激发光照射到与下凹槽接近的石英管外表面时，产生的反射光同样被下凹槽的两内侧边缘阻挡，进一步减小了背景噪声。同时，下凹槽底部的反光镜能将激发光发射到石英管内部，倍增了激发光程，提高了灵敏度。当荧光收集光路采用的光学器件（如透镜）尺寸大于上卡件与下卡件之间的间隙时，可将上卡件与下卡件在荧光收集一侧加工出斜面，可以减少其对荧光传播的遮挡，增大收集角度，有利于提高荧光收集效率。
与现有技术相比，本发明的荧光池具有如下优点：
1、将石英管卡紧在上下两个矩形凹槽之间，使空气-石英管外表面光学界面产生的强反射激发光被凹槽内侧边缘挡住，无法进入荧光收集光路，从而有效地削弱了反射激发光造成的高背景噪音，提高检测信噪比。
2、下凹槽底部的反光镜能倍增激发光程，提高了灵敏度。
3、上下卡件在荧光收集一侧的斜面设计减少了荧光收集光路对荧光传播的遮挡，增大了收集角度，从而提高了荧光收集效率。
4、提供的荧光池内径范围宽，适用于毛细管电泳、液相色谱和流动分析荧光检测器。
5、装置简单，易于拆卸和更换部件，实用性强。
6、上卡件的通光孔不仅适配于光纤，还适配于紧贴式激发光路设计，普适性强。
附图说明
图1为实施例1中荧光检测池的剖面图。图中：1-上卡件，2-下卡件，3-石英管，4-上凹槽，5-通光孔，6-下凹槽，7-上斜面，8-下斜面，9-反光镜。
图2为实施例2中荧光检测池的剖面图。图中：1-上卡件，2-下卡件，3-石英管，4-上凹槽，5-通光孔，6-下凹槽，9-反光镜。
具体实施方式
一种流通式荧光检测池，由上卡件1、下卡件2和圆柱形石英管3组成。上卡件1为柱形结构，下端面设有贯穿上卡件1的矩形上凹槽4；于矩形上凹槽4的底部向上卡件1的上端面方向垂直向上设有作为通光孔5的通孔；下卡件2为柱形结构，于下卡件2的顶部端面设有贯穿下卡件2的矩形下凹槽6；下卡件2位于上卡件1下方，石英管3内径为0.05mm-5mm，作为流通池卡紧在上凹槽4和下凹槽6之间，上凹槽4和下凹槽6的贯穿方向均与石英管3的轴向平行；与上凹槽4和下凹槽6的贯穿方向相垂直的上凹槽4和下凹槽6的槽宽均介于石英管3的内外径之间；上凹槽4和下凹槽6的深度相同，其底部与最近的石英管3外壁之间的距离为0.1-0.5mm。
矩形上凹槽4的上方从上卡件1的上端面向下垂直设有通光孔5，通光孔5的深度至上凹槽4的底部。
液体样品流经石英管3，光源发出的光经通光孔5照射到石英管3上，液体样品发射出的荧光通过上卡件1和下卡件2之间的空隙，于石英管3的一侧面进行检测。
当荧光收集光路上采用的光学器件（如透镜）尺寸大于上卡件1和下卡件2之间的空隙，为避免上卡件1和下卡件2对发射荧光的阻挡，可在上卡件1下端面面向荧光收集方向一侧设一向上的斜面，其为上斜面7，上斜面7和上卡件1下端面的交线与上凹槽4和上卡件1下端面的交线平行；下卡件2上端面面向荧光收集方向一侧设一向的斜面，其为下斜面8；下斜面8和下卡件2上端面的交线与下凹槽6和下卡件2上端面的交线平行。上斜面7和下斜面8的角度为30-60°；上斜面7和上卡件1下端面交线与上凹槽4和上卡件1下端面交线的最短距离为0.2-0.8mm，优选0.4-0.6mm。上卡件1和下卡件2的材料为无荧光的表面氧化发黑的金属或黑色高分子材料。
通光孔5内可插入激发光纤，也可采用紧贴式设计安装滤光片和透镜。
实施例1
一种流通式荧光检测池，剖面图如图1所示，由上卡件1、下卡件2和圆柱形石英管3组成。上卡件1和下卡件2为经氧化发黑的铝材。上卡件1为圆柱形结构，下端面设有贯穿的矩形上凹槽4；于矩形上凹槽4的底部向上卡件1的上端面方向垂直向上设有作为通光孔5的通孔，通光孔5的深度至上凹槽4的底部；下卡件3为圆柱形结构，顶部设有贯穿的矩形下凹槽6；下凹槽6的底部设有反光镜9，反光镜9为铝膜。石英管3内径3mm、外径5mm，作为流通池卡紧在上凹槽4和下凹槽6之间，上凹槽4和下凹槽6的贯穿方向均与石英管3的轴向平行；上凹槽4和下凹槽6的宽度为3.9mm、深度为1mm，与石英管3外壁之间的距离为0.2mm；上下卡件之间的间隙为3.1mm。
光源为蓝光LED，光源与470nm激发干涉滤光片置于通光孔5内。激发光通过激发干涉滤光后照射到石英管3上，发射出的荧光通过上卡件1和下卡件2之间的空隙，于石英管3的一侧面进行检测。
荧光收集光路上依次设有透镜、滤光片和光电倍增管。透镜直径为10mm，为提高收集效率，在上卡件1下端面面向荧光收集方向一侧设上斜面7，上斜面7和上卡件1下端面的交线与上凹槽4和上卡件1下端面的交线平行；下卡件2上端面面向荧光收集方向一侧设下斜面8；下斜面8和下卡件2上端面的交线与下凹槽6和下卡件2上端面的交线平行。上斜面7和下斜面8的角度为45°；上斜面7和上卡件1下端面交线与上凹槽4和上卡件1下端面交线的距离为0.5mm；下斜面8和下卡件2上端面交线与下凹槽6和下卡件2上端面交线的距离为0.5mm。
高压恒流泵用来传输流动相，流速1.0ml/min。荧光素钠作为检测样品；色谱工作站用于信号采集。
实验结果如下：
（1）相比于现有技术公开的紧贴式检测池（Talanta,2012,88,463-467），实施例1提供的荧光检测池的检测信噪比提高了3.5倍。
（2）进一步比较发现，当采用上述矩形凹槽设计但上下卡件侧面未设斜面时，与现有技术公开的紧贴式检测池（Talanta,2012,88,463-467）相比，信噪比提高了2.5倍。结果表明将石英管卡紧在上下两个矩形凹槽之间，可有效减少反射激发光造成的高背景噪音，提高检测信噪比；同时，流通池嵌入矩形凹槽内部，使激发光程更短、灵敏度更高。在此基础上，若上下卡件在荧光收集设有斜面，则检测信噪比再提高1.4倍，表明斜面设计能有效减少提高透镜对荧光的收集效率，提高了信噪比。
实施例2
如实施例1所述的荧光检测池，其激发光路改用芯径5mm激发光纤，激发光纤插入通光孔5内，发射光经激发光纤照射到石英管3上。荧光收集光路改用3mm荧光收集光纤；荧光收集光纤插入上卡件1和下卡件2之间的空隙，其轴向于石英管3轴向垂直；激发光纤和荧光收集光纤均与石英管物理接触。
实验结果为：相比于现有的紧贴式检测池（Talanta,2012,88,463-467），检测信噪比提高了2.5倍。
实施例3
如实施例1所述的荧光检测池，其中石英管3改为内径50微米，外径365微米的石英毛细管；上凹槽4和下凹槽6的宽度为0.2mm、深度为0.1mm。
依据本发明实施例的设计思想对实施例的具体实施方式及应用范围进行修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的一般原理和新颖特点相一致的最宽的范围。凡依据本发明设计思想所做的任何无创造性劳动的改变都在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种流通式荧光检测池，由上卡件(1)、下卡件(2)和圆柱形石英管(3)组成，其特征在于：上卡件(1)为柱形结构，于上卡件(1)的下端面设有贯穿上卡件(1)的矩形上凹槽(4)；于矩形上凹槽(4)的底部向上卡件(1)的上端面方向垂直向上设有作为通光孔(5)的通孔；下卡件(3)为柱形结构，于下卡件(3)的顶部端面设有贯穿下卡件(3)的矩形下凹槽(6)；下卡件(2)位于上卡件(1)下方，石英管(3)作为流通池卡紧在上凹槽(4)和下凹槽(6)之间，上凹槽(4)和下凹槽(6)的贯穿方向均与石英管(3)的轴向平行；与上凹槽(4)和下凹槽(6)的贯穿方向相垂直的上凹槽(4)和下凹槽(6)的槽宽均小于石英管(3)的直径；
于所述上卡件(1)下端面面向荧光收集方向一侧设有一向上的斜面，其为上斜面(7)，上斜面(7)和上卡件(1)下端的交线与上凹槽(4)和上卡件(1)下端面的交线平行；
于所述下卡件(2)上端面面向荧光收集方向一侧设有一向下的斜面，其为下斜面(8)；下斜面(8)和下卡件(2)上端面的交线与下凹槽(6)和下卡件(2)上端面的交线平行。
2.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：与上凹槽(4)和下凹槽(6)的贯穿方向相垂直的上凹槽(4)和下凹槽(6)的槽宽度均介于石英管(3)的内外径之间。
3.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：
液体样品流经石英管(3)，光源发出的光经通光孔(5)照射到石英管(3)上，液体样品发射出的荧光通过上卡件(1)和下卡件(2)之间的空隙，于石英管(3)的一侧面进行检测。
4.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述于矩形上凹槽(4)的底部向上卡件(1)的上端面方向垂直向上设有作为通光孔(5)的通孔是指：于矩形上凹槽(4)的上方从上卡件(1)的上端面向下垂直设有通光孔(5)，通光孔(5)的深度至上凹槽(4)的底部。
5.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述上凹槽(4)和下凹槽(6)的深度相同，其底部与最近的石英管(3)外壁之间的垂直距离为0.1-0.5mm。
6.根据权利要求4所述的检测池，其特征在于：所述上斜面(7)和下斜面(8)的角度为30-60°；上斜面(7)和上卡件(1)下端面交线与上凹槽(4)和上卡件(1)下端面交线的最短距离为0.2-0.8mm。
7.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述下凹槽(6)的底部设有反光镜(9)，反光镜(9)为玻璃反光镜或金属反光膜。
8.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述石英管(3)的内径为0.05-5mm；
所述上卡件(1)和下卡件(2)的材料为无荧光的表面氧化发黑的金属或黑色高分子材料。
9.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述通光孔(5)内设有滤光片和透镜。
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