CN105115954A - 一种基于光学积分球的荧光分光光度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光学积分球的荧光分光光度计，主要由光源、单色器、及积分球荧光皿构成。其中，积分球荧光皿主要由透光基底、漫反射层及光阑构成：漫反射层涂敷在由透光基底构成的球状腔体外侧，入射光路和出射光路共面相交。入射到积分球内的激发光被漫反射层多次反射并激发试样，在积分球内部产生特征荧光光谱；所产生的特征荧光光谱被漫反射层多次反射后，在出射光阑处叠加并被有效的接收；同时，利用积分球还能有效的抑制由于光线形状及发散角度变化导致的测量误差。实验结果表明，同等线径条件下，本发明能将传统基于“方形”或“圆柱形”荧光皿的灵敏度和稳定性提高3－10倍。

Description

一种基于光学积分球的荧光分光光度计

技术领域

本发明涉及一种基于光学积分球的荧光分光光度计，特别适用于对“灵敏度”和“检出限”要求非常苛刻的荧光分光光度法测试技术领域。

背景技术

传统荧光分光光度计的试样器皿(在这称为“荧光皿”)大都采用“方形”或“圆柱形”的石英玻璃器皿，缺陷是：①结构设计上的限制，致使荧光皿内只有通光部分的试样与激发光发生了作用，荧光产生效率不高；②受探测器接收角度的限制，所产生的全部荧光中只有极少部分的荧光能被探测器接收，最终导致检出限和灵敏度受限。

为了提高灵敏度，常规的做法是通过“增加荧光皿线径”或“设置多次反射”以增加激发光的行进光程，从而达到扩大激发作用范围、提高灵敏度、降低检出限的目的。虽然这两种做法可以增加激发光的行进光程，但是由于“光入射端”至“光接收端”之间的距离也被延长了，致使“光入射端”和“光接收端”中任意一端位置的微小变化、光线形状和发散角度的微小变化、行进光程的微小变化都会引起较大的测量误差，从而影响测量的稳定性(或重复性)，导致其灵敏度和检出限的改善程度有限。

此外，由于上述两种方式无法让所有的试样都参与受激发射反应，且产生的全部荧光中只有极少部分被探测到，因此其对灵敏度、检出限及数据稳定性的改善程度非常有限。

发明内容

本发明的目的是为荧光分光光度计提供一种创新性的技术思路与方案，即将传统荧光分光光度计基于“方形”或“圆柱形”的荧光皿改造成一个基于“积分球”的荧光皿：

①漫反射层涂敷在积分球的外部，积分球的内部采用石英玻璃或是化学性质极不活泼的其他透光材料，积分球腔室内的光传播介质为待测试样。(有别于传统积分球的构成，漫反射层涂敷在积分球的内表面，积分球腔室内的光传播介质为空气或真空。)

②待测试样在积分球内充满整个积分球腔室，待观测的特征荧光光谱在积分球内部产生。(有别于传统积分球的使用方法，其待观测的特征光谱在积分球外部产生，外部产生的特征光谱被导入到积分球内进行测量。)

本发明的技术方案：

一种基于光学积分球的荧光分光光度计，主要由光源1、激发单色器2、积分球荧光皿3、发射单色器4及光电传感模块5构成：

其中，积分球荧光皿3由透光基底31、漫反射层32、入射光阑33、出射光阑34及进样口35构成；透光基底31构成积分球荧光皿3的球状腔室，位于积分球荧光皿3的内侧；漫反射层32涂敷在透光基底31的外部，位于积分球荧光皿3的外侧；激发单色器2和入射光阑33构成入射光路，出射光阑34和发射单色器4构成出射光路，所述入射光路和所述出射光路共面相交；

光源1发射的光经激发单色器2的选择后，出射光为单色激发光；出射的单色激发光经入射光阑33入射至积分球荧光皿3内；

入射至积分球荧光皿3内的单色激发光被漫反射层32多次反射并激发试样，在积分球荧光皿3内部产生特征荧光光谱；所产生的特征荧光光谱通过漫反射层32的多次反射后，在出射光阑34处叠加；

叠加后的特征荧光光谱经出射光阑34入射至发射单色器4，经发射单色器4的选择后被光电传感模块5接收；

系统依据光电传感模块5测量得到的特征荧光光谱对试样进行分析。

进一步，上述积分球荧光皿3的构成包括以下方式：透光基底31采用玻璃、或石英玻璃、或其他化学性质极不活泼的透光材料，漫反射层32涂敷在透光基底31构成的球状腔体外部；或透光基底31和漫反射层32合二为一，材料采用聚四氟乙烯、或不锈钢；或在积分球荧光皿3的腔室内壁镀金构成反射层。其中，透光基底31和漫反射层32合二为一，即理解为积分球荧光皿3仅设置一层具有漫反射功能的结构层(漫反射层32)构成其球状腔体。

进一步，上述入射光路与出射光路之间共面相交形成的角度为直角、或锐角、或钝角。

进一步，上述积分球荧光皿3上能够增设多个入射光阑33，光源1和激发单色器2用多个单色激发光替代，发射单色器4和光电传感模块5用窄带滤光片和光敏二极管替代，此时构成的是“固定式、多波长激发、单波长发射”荧光分光光度计；或增设多个出射光阑34，光源1和激发单色器2用单色激发光替代，发射单色器4和光电传感模块5用多个窄带滤光片和光敏二极管替代，此时构成的是“固定式、单波长激发、多波长发射”荧光分光光度计。

进一步，上述积分球荧光皿3能够测量的试样形态包括液相、气相和固相；当测量固相试样时，需在积分球荧光皿3内增设一放置固相试样的结构。

进一步，上述积分球荧光皿3能够测量的特征光谱不限于荧光光谱：

当试样与入射光作用发光的机理为吸收光谱产生机理时，积分球荧光皿3测量的是吸收光谱，此时发射单色器4去除；

当试样与入射光作用发光的机理为拉曼光谱产生机理时，积分球荧光皿3测量的是拉曼光谱，此时的光源1设置为激光，激发单色器2去除；

当发光行为是由试样的化学反应或生物自身行为引发时，积分球荧光皿3测量的是化学发光或生物荧光，此时光源1、激发单色器2和入射光阑33去除。

本发明的效果：

1)入射到积分球腔室内的光被漫反射层多次反射并激发试样，提高了特征荧光光谱的产生效率。

2)所产生的全部特征荧光光谱被漫反射层多次反射后，在出射光阑处叠加并被探测器有效的接收，提高了特征荧光光谱的探测效率。

3)利用积分球的特点还能有效的抑制由于光线形状、发散角度及探测器上不同位置的响应差异导致的测量误差。

实验结果表明：在同等线径条件下，本发明能将传统基于“方形”或“圆柱形”荧光皿的检测灵敏度和测量稳定性提高3－10倍。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，并不用于限定本发明。

图1为本发明第一种较佳实施例中基于光学积分球的荧光分光光度计的基本构成框图；

图2为本发明第一种较佳实施例中积分球的基本构成示意图；

图3为增设一通气端口的积分球基本构造示意图；

图4为“固定式、多波长激发、单波长发射”积分球的基本构成示意图。

附图标号说明：

1—光源；2—激发单色器；3—积分球荧光皿；31—透光基底；32—漫反射层；33—入射光阑；34—出射光阑；35—进样口；4—发射单色器；5—光电传感模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1、图2所示，一种基于光学积分球的荧光分光光度计，主要由光源1、激发单色器2、积分球荧光皿3、发射单色器4及光电传感模块5构成：

其中，积分球荧光皿3由透光基底31、漫反射层32、入射光阑33、出射光阑34及进样口35构成；透光基底31构成积分球荧光皿3的球状腔室，位于积分球荧光皿3的内侧，材料采用石英玻璃；漫反射层32涂敷在透光基底31的外部，位于积分球荧光皿3的外侧；透光基底31起漫反射层32衬底和试样容器双重作用；激发单色器2和入射光阑33构成入射光路，出射光阑34和发射单色器4构成出射光路，入射光路和出射光路相交；

光源1发射的光经激发单色器2的选择后，出射光为单色激发光；出射的单色激发光经入射光阑33入射至积分球荧光皿3内；

入射至积分球荧光皿3内的单色激发光被漫反射层32多次反射并激发试样，在积分球荧光皿3内部产生特征荧光光谱；所产生的特征荧光光谱通过漫反射层32的多次反射后，在出射光阑34处叠加；

叠加后的特征荧光光谱经出射光阑34入射至发射单色器4，经发射单色器4的选择后被光电传感模块5接收；

系统依据光电传感模块5测量得到的特征荧光光谱对试样进行分析。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：透光基底31和漫反射层32合二为一，材料采用聚四氟乙烯、或不锈钢；此时的聚四氟乙烯或不锈钢起漫反射层32和试样容器双重作用。

实施例三

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：积分球荧光皿3上增设了一通气端口，如图3所示，以提高清洗积分球荧光皿3内部腔室的便利性；同时该积分球荧光皿3还能应用于自动测量装置上。

实施例四

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：入射光路与出射光路之间共面形成一锐角或钝角。

实施例五

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：积分球荧光皿3上增设了多个入射光阑33，如图4所示；光源1和激发单色器2用多个单色激发光替代；发射单色器4和光电传感模块5用窄带滤光片和光敏二极管替代；此时构成的是“固定式、多波长激发、单波长发射”荧光分光光度计。

实施例六

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：实施例一测量的是荧光光谱，本实施例测量的光谱还包括吸收光谱、拉曼光谱、化学发光及生物荧光；

当试样与入射光作用发光的机理为吸收光谱产生机理时，去除发射单色器4，此时积分球荧光皿3可测量吸收光谱；

当试样与入射光作用发光的机理为拉曼光谱产生机理时，光源1设置为激光，激发单色器2去除，此时积分球荧光皿3可测量拉曼光谱；

当发光行为是由试样的化学反应或生物自身行为引发时，光源1、激发单色器2和入射光阑33去除，此时积分球荧光皿3可测量化学发光或生物荧光。

以上显示和描述了本发明的基本构造和基本原理，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制。上述实施例和说明书中描述的只是本发明的基本构造和基本原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述光度计由光源(1)、激发单色器(2)、积分球荧光皿(3)、发射单色器(4)及光电传感模块(5)构成；

其中，积分球荧光皿(3)由透光基底(31)、漫反射层(32)、入射光阑(33)、出射光阑(34)及进样口(35)构成；透光基底(31)构成积分球荧光皿(3)的球状腔室，位于积分球荧光皿(3)的内侧；漫反射层(32)涂敷在透光基底(31)的外部，位于积分球荧光皿(3)的外侧；激发单色器(2)和入射光阑(33)构成入射光路，出射光阑(34)和发射单色器(4)构成出射光路，所述入射光路和所述出射光路共面相交；

光源(1)发射的光经激发单色器(2)的选择后，出射光为单色激发光；出射的单色激发光经入射光阑(33)入射至积分球荧光皿(3)的内；

入射至积分球荧光皿(3)内的单色激发光被漫反射层(32)多次反射并激发试样，在积分球荧光皿(3)内产生特征荧光光谱；所产生的特征荧光光谱通过漫反射层(32)的多次反射后，在出射光阑(34)处叠加；

叠加后的特征荧光光谱经出射光阑(34)入射至发射单色器(4)，经发射单色器(4)的选择后被光电传感模块(5)接收；

系统依据光电传感模块(5)测量得到的特征荧光光谱对试样进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述积分球荧光皿(3)的构成包括以下方式，透光基底(31)采用玻璃，漫反射层(32)涂敷在透光基底(31)构成的球状腔体外部；或透光基底(31)和漫反射层(32)合二为一，材料采用聚四氟乙烯、或不锈钢；或在积分球荧光皿(3)的腔室内壁镀金构成反射层。

3.根据权利要求1所述的基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述入射光路与所述出射光路之间共面相交形成的角度为直角、或锐角、或钝角。

4.根据权利要求1所述的基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述积分球荧光皿(3)上能够增设多个入射光阑(33)，构成“多波长激发、单波长发射”荧光分光光度计；或增设多个出射光阑(34)，构成“单波长激发、多波长发射”荧光分光光度计。

5.根据权利要求1所述的基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述积分球荧光皿(3)能够测量的试样形态包括液相、气相和固相。

6.根据权利要求1所述的基于光学积分球的荧光分光光度计，其特征在于：所述积分球荧光皿(3)能够测量的特征光谱还包括吸收光谱、拉曼光谱、化学发光及生物荧光。