CN104807798A - 一种利用手机检测上转换发光的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用手机检测上转换发光的方法及装置，该方法包括以下步骤：通过样品池采样微量上转换发光材料；会聚近红外激光光斑来激发上转换发光材料；采用手机内置的相机检测上转换发光信号并获得荧光图像；通过手机上转换发光检测应用程序分析荧光图像的红、绿、蓝三基色分量，计算得到上转换发光材料的浓度信息，标记整理好荧光图像和分析结果；通过手机通讯模块，递交荧光图像、分析结果以及标记信息到数据库中。本发明充分利用了智能手机的高性能相机、计算处理模块和信息交流功能，具有微量采样、高效激发、灵敏检测的特点，适用于围绕上转换发光的即时检测应用。

Description

一种利用手机检测上转换发光的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用手机检测上转换发光的方法及装置，利用附属装置中的近红外激光器激发上转换发光材料，利用手机内置的相机获取荧光图像，基于荧光共振能量转移和标准曲线法检测淬灭或者脱敏上转换发光的物质，可以应用于生物和化学计量、水质与食品分析、医学与药品检验等领域。

背景技术

上转换发光材料是一种吸收低能量激发光并辐射高能量发射光的新型荧光标记材料，由于它的能量转换方式不遵循斯托克斯定律，所以又被称为反斯托克斯材料。目前人们已经掌握了能量传递、激发态吸收、双光子吸收等多种上转换发光机制，发明了溶胶-凝胶法、水热溶剂法、沉淀法、燃烧法和微乳液法等多种上转换发光材料制备方法。上转换发光材料因具有能量上转换、荧光寿命长、发光稳定等优点，在可见激光器、显示屏、太阳能电池、光纤放大器、光信号存储、防伪等领域具有广泛应用前景。此外，上转换发光材料具有低背景噪音、低生物毒性、高组织穿透性等优点，在生物成像、荧光标记、光动力治疗等生物医学领域也有广泛应用前景。

目前专门用于上转换发光材料检测的仪器和设备还比较少。实验人员主要通过荧光光谱仪来对上转换发光材料进行检测。但是，多数荧光光谱仪的光源波长范围在紫外到可见光范围内，不能满足上转换发光材料的要求。因此，需要专门外接近红外激光器和改造激发光路，才能应用于上转换发光材料检测。

随着通信技术的发展，智能手机已经成为人们生活不可或缺的一部分，给人们的学习和工作带来了极大的便利，其强大的信息感知和处理能力也催生了大量应用。而基于智能手机开发各类即时检测应用是当前的热点所在。鉴于此，将光电检测技术和移动应用开发技术相结合，利用智能手机的高性能相机、计算处理模块和信息交流功能，可以开发新型的上转换发光材料检测方法和装置。

发明内容

上转换发光检测目前仍然存在着一系列挑战性问题，尤其是要面向手机实现移动检测，面临的困难有：

(一)上转换发光材料的转化效率不高，小功率激光器难以点亮低浓度样品，不利于系统功耗的降低；

(二)近红外激发光背景干扰强，容易湮没被激发的上转换荧光信号，造成获取的荧光图像信噪比不高，影响后续的处理和定量分析。

本发明提出一种利用手机检测上转换发光的方法及装置，具有灵敏度高和稳定性好的特点，能有效克服上转换发光检测所面临的问题，其技术解决方案如下：

一种利用手机检测上转换发光的方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过样品池采样微量上转换发光材料；

(2)会聚近红外激光光斑来激发上转换发光材料；

(3)采用手机内置的相机检测上转换发光信号并获得荧光图像；

(4)通过手机上转换发光检测应用程序分析荧光图像的红、绿、蓝三基色分量，计算得到上转换发光材料的浓度信息，标记整理好荧光图像和分析结果；

(5)通过手机通讯模块递交荧光图像、分析结果以及标记信息到数据库中。

所述的上转换发光材料在980纳米或800纳米或1064纳米波段的近红外激光激发下，发射出近红外荧光或红色荧光或绿色荧光或蓝色荧光或紫外荧光。

本发明还提供一种利用手机检测上转换发光的装置，包括：

用于微量采样的样品池；

用于激发和接收的光学系统；

用于检测和成像的检测模块；

用于计算和分析的应用程序以及用于存储和共享的数据库。

所述的样品池为用于油相上转换发光材料检测的点样毛细管或为用于水相上转换发光材料检测的凹孔载玻片。

所述的光学系统由呈垂直关系或在一条直线上激发光路与接收光路构成。

激发光路由依次设置的半导体激光二极管、红外光滤光片、准直镜构成，准直镜与样品池相邻；通过激发光路的红外光滤光片、准直镜可以将半导体激光二极管激发光束会聚，在样品池的样品处的光强是激光器输出口的数十倍，有效降低激光器功率或者在额定功率下激发更低浓度的上转换发光材料；接收光路由自上而下设置的双面凹镜、可见光滤光片构成，通过可见接收光路来抑制近红外激发光的干扰。

所述的激发光路与接收光路位于避光外壳内，避光外壳设有透光孔。

所述的检测模块为内置高性能相机的智能手机。

所述的智能手机安装有上转换荧光检测应用程序。

所述的上转换荧光检测应用程序安装和运行于智能手机上，实现荧光信号的检测和荧光图像的处理，应用程序具有获取荧光图像、保存荧光图像、处理荧光图像、解析上转换发光样品、标记数据和结果、存取数据库功能。

本发明面向智能手机开发了专门的光谱分析应用程序，针对上转换发光检测设计了专门的附属装置，包含样品池、激发光源、激发光路和接收光路，形成定量检测上转换发光的手机装置，通过激发光路会聚近红外激发光，点亮毛细管或者载玻片上凹孔中的上转换发光材料，经接收光路调制后，被手机内置的相机所获取，经应用程序处理和分析后得到样品数据，递交保存于数据库。

本发明采用半导体激光二极管作为小功率激发光源，直接从半导体激光器发射出来的激光束可以近似描述为高斯分布，但随着光束传播而逐渐偏离。在远场时，激光束的横向和侧向都有较大的发散角。

为了克服关键问题(一)，本发明首先利用红外光滤光片、准直镜将半导体激光二极管发射的光束会聚到微量样品处，数十倍提高焦点处的光强，一方面降低对激发光源的功率要求，同时也提高检测低浓度上转换发光材料的能力。

其次，本发明针对油相和水相上转换发光样品分别设计了相适应的样品池和光路结构，进一步提高检测的灵敏度。油相上转换发光材料的溶剂一般是熔点较低并且容易挥发的有机溶剂，本发明采用点样毛细管作为油相检测系统的样品池，可以将点样毛细管两端用石蜡密封实现样品的长期保存。用点样毛细管作为上转换发光检测系统的样品池有以下优点：

取样方便：通过毛细管作用只需将点样毛细管一端浸入样品溶液就能在点样毛细管中形成一段样品液柱；

耗样量少：点样毛细管内径较小，取样量少，完成一次检测只需20微升样品；

占用空间小：点样毛细管内径较小，光路结构可以做得很紧凑；

会聚荧光：激光束垂直照射到样品液柱上，受激发的荧光主要沿着样品液柱横截面向四周辐射。

相比较而言，水相上转换发光材料的水溶性较差，被检测的样品溶液容易发生沉淀。以传统的样品池比色皿为例，样品溶液容易发生沉淀，使得上转换材料的受激发光效果不稳定，检测结果一致性较差。本发明为液相上转换发光材料设计了带凹孔的载玻片作为样品池，激光束从载玻片凹孔底部激发上转换发光材料。由于凹孔较浅，即使含有上转换发光材料的样品溶液发生沉淀，不会改变被激发的荧光通量，所以检测结果的一致性较好。

本发明采用手机内置的相机作为检测设备。手机内置的相机包含有三层光路系统：第一层为提高采光率的微型镜头，其中有滤除红外光的可见光高通滤光片；第二层是由红、绿、蓝滤光片组成的分色滤光片；第三层是由光敏传感器阵列组成的感光片。

为了解决关键问题(二)，本发明一方面采用了双面凹镜、可见光滤光片，抑制近红外激发光干扰；同时，采用手机内置的对可见光敏感的相机作为光电传感器，进一步抑制近红外激发光干扰。

如图4、图5所示，本发明以HTML5为核心开发了专门的手机应用程序，除了获取、保存、处理荧光图像等功能外，还有手机定位和数据库功能。要定量检测含有上转换发光材料的样品，应用程序首先调用内置相机获取荧光图像，然后将荧光图像渲染到画布中，从而将图像信息转变成数字信息，然后基于算法得到荧光光斑的中心位置，对光斑中指定区域的红、绿、蓝三原色信息进行统计分析，并将结果与标准曲线进行对比，从而得到样品浓度信息。

标准曲线是上转换材料的发光强度与样品浓度之间的对应信息。不同浓度的上转换发光材料在额定功率的激发光激励下发射的荧光强度不同，与之对应的荧光图像的红、绿、蓝三原色数字信息也不同。因此，可以通过分析荧光图像的三原色分量，就能实现含有上转换材料样品的定量检测。

本发明的有益效果：本发明充分利用了智能手机的高性能相机、计算处理模块和信息交流功能，具有微量采样、高效激发、灵敏检测的特点，适用于围绕上转换发光的即时检测应用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是检测油相上转换发光材料的附属装置结构示意图；

图2是检测水相上转换发光材料的附属装置结构示意图；

图3是本发明的两种样品池结构示意图；

图4是本发明的应用程序总体功能框图；

图5是手机检测上转换发光样品的流程示意图；

图6是本发明检测油相上转换发光样品的一例测试结果；

图7是本发明检测水相上转换发光样品的一例测试结果。

附图序号说明：1、半导体激光二极管；2、红外光滤光片；3、准直镜；4、点样毛细管；5、带凹孔的载玻片；6、凹孔；7、可见光滤光片；8、双面凹镜；9、透光孔；10、避光外壳。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和效果更清楚明白，以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。应该理解的是，以下实施例仅用以解释本发明，而不对本发明做任何限制。

本发明提出一种利用手机检测上转换发光样品的方法及装置，具有灵敏度高和稳定性好的特点。如图1、图3所示，其为本发明的第一种检测油相上转换发光样品的附属装置结构示意图。油相上转换发光手机检测装置采用正交荧光检测光路结构，激发光路和接收光路呈垂直关系，结构简单紧凑，能有效降低激发光对荧光检测的干扰。避光外壳10上侧面设有透光孔9，透光孔9下方为双面凹镜8、可见光滤光片7构成的接收光路，可见光滤光片7下方放置有点样毛细管4，在点样毛细管4一侧，与点样毛细管4处于同一平面上，设有半导体激光二极管1、红外光滤光片2、准直镜3构成的激发光路，通过红外光滤光片2、准直镜3来调制半导体激光二极管1发出的近红外激光，使之会聚于点样毛细管4的样品处，实现低功率激发上转换发光材料或者在额定功率下激发低浓度的上转换发光材料，半导体激光二极管可以直接被智能手机USB接口输出的5V电压驱动。

油相上转换发光检测设备的使用步骤如下：

1、取样：将点样毛细管4一端插入待检测样品液面下，倾斜毛细管，通过毛细作用力将待测样品溶液吸入毛细管内，当待检测样品液柱有2厘米长左右时取出点样毛细管，调整样品液柱到点样毛细管的中间位置，将毛细管两端用石蜡密封；

2、启动：将取好样的点样毛细管4放置于样品架上，连接半导体激光二极管1电源模块，打开智能手机应用程序，选择油相检测设置，应用程序调用如图6所示的油相标准曲线，并且启动存放油相检测结果的数据库；

3、检测：点击应用程序中的“拍照”按键，应用程序获取受激发的上转换荧光图片；

4、分析：点击应用程序中的“处理”按键，自动处理调整荧光图片，计算分析颜色分量，然后与图6所示的标准曲线对比，得出检测样品的浓度；

5、保存：点击应用程序中的“保存”，将检测结果保存到数据库中；

6、完成：退出应用程序，至此完成一次检测。

如图2、图3所示，其为本发明的第二种针对水相上转换发光样品的检测装置结构示意图。水相上转换发光检测装置采用四平行检测光路结构，激发光路和接收光路在一条直线上。激发光从样品池底部激发上转换材料，能够有效降低上转换材料下沉对检测结果的影响。避光外壳10上侧面设有透光孔9，透光孔9下方为双面凹镜8、可见光滤光片7构成的接收光路，可见光滤光片7下方放置有点样毛细管4，在点样毛细管4下方有准直镜3、红外光滤光片2、半导体激光二极管1构成的激发光路，通过红外光滤光片2、准直镜3来调制半导体激光二极管1发出的近红外激光，使之会聚于载玻片5的凹孔6处，实现低功率激发上转换发光材料或者在额定功率下激发低浓度的上转换发光材料。

水相上转换发光检测设备的使用步骤：

1、取样：用移液器取20微升待检测样品溶液并将其转移到载玻片的凹孔中，防止气泡的产生；

2、启动：将取好样的载玻片插入样品槽内，连接激光二极管电源模块，打开手机应用程序，选择水相检测设置，应用程序调用如图7所示的水相标准曲线，并且启动存放水相检测结果的数据库；

3、检测：点击应用程序中的“拍照”按键，应用程序获取受激发的上转换荧光图片；

4、分析：点击应用程序中的“处理”按键，自动处理调整荧光图片，计算分析颜色分量，然后与如图7所示的标准曲线对比，得出检测样品的浓度；

5、保存：点击应用程序中的“保存”，将检测结果保存到数据库中；

6、完成：退出应用程序，至此完成一次检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，其目的并不在于将本发明限制或约束于上述实现方式。凡在本发明的范围内对本发明所做出的任何修改和替换均应包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种利用手机检测上转换发光的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)通过样品池采样微量上转换发光材料；

(2)会聚近红外激光光斑来激发上转换发光材料；

(3)采用手机内置的相机检测上转换发光信号并获得荧光图像；

(4)通过手机上转换发光检测应用程序分析荧光图像的红、绿、蓝三基色分量，计算得到上转换发光材料的浓度信息，标记整理好荧光图像和分析结果；

(5)通过手机通讯模块递交荧光图像、分析结果以及标记信息到数据库中。

2.根据权利要求1所述的一种利用手机检测上转换发光的方法，其特征在于，所述的上转换发光材料在980纳米或800纳米或1064纳米波段的近红外激光激发下，发射出近红外荧光或红色荧光或绿色荧光或蓝色荧光或紫外荧光。

3.一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，包括：

用于微量采样的样品池；

用于激发和接收的光学系统；

用于检测和成像的检测模块；

用于计算和分析的应用程序以及用于存储和共享的数据库。

4.根据权利要求3所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的样品池为用于油相上转换发光材料检测的点样毛细管或为用于水相上转换发光材料检测的凹孔载玻片。

5.根据权利要求3所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的光学系统由呈垂直关系或在一条直线上激发光路与接收光路构成。

6.根据权利要求5所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的激发光路由依次设置的半导体激光二极管、红外光滤光片、准直镜构成，准直镜与样品池相邻；所述的接收光路由自上而下设置的双面凹镜、可见光滤光片构成。

7.根据权利要求6所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的激发光路与接收光路位于避光外壳内，避光外壳设有透光孔。

8.根据权利要求3所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的检测模块为内置高性能相机的智能手机。

9.根据权利要求8所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的智能手机安装有上转换荧光检测应用程序。

10.根据权利要求9所述的一种利用手机检测上转换发光的装置，其特征在于，所述的上转换荧光检测应用程序安装和运行于智能手机上，实现荧光信号的检测和荧光图像的处理，应用程序具有获取荧光图像、保存荧光图像、处理荧光图像、解析上转换发光样品、标记数据和结果、存取数据库功能。