CN105911036B - 基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置，包括激发光源、n根空心布拉格光纤、光谱采集模块以及数据处理与显示模块，所述n为正整数，每根空心布拉格光纤内一端存放有待测样品溶液，设空心布拉格光纤存放待测样品溶液的一端为P1端、与P1端相对的一端为P2端，激发光源设置于与待测样品溶液对应的区域且垂直照射空心布拉格光纤的侧表面使待测样品产生荧光，光谱采集模块设置于空心布拉格光纤的P2端以采集荧光信号并将其转化为电信号，数据处理与显示模块与光谱采集模块的输出端相连接。该装置解决了荧光光谱检测装置结构复杂的问题，尤其适合荧光光谱的多波长激发和多通道检测。

Description

基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置，属于痕量物质光电检测领域。

背景技术

荧光光谱检测技术是一种利用被测荧光物质在激发光诱导下所产生的特征荧光光谱而对物质进行定性或定量分析的光电检测方法。由于具有灵敏度高、选择性强和动态测量范围宽等优点，荧光光谱检测技术被广泛应用于生物化学、医学研究、环境监测和食品安全等领域。传统的荧光光谱检测系统多采用体积较大、成本较高且需要高压供电的氙灯、汞灯和固体激光器作为激发光源，因而不利于构建小型化荧光光谱检测系统。近年来，随着半导体材料的高速发展及其器件制作工艺和水平的迅速提高，具有各种封装结构和不同发射波长的激光二极管（LD）和超高亮度发光二极管（LED）相继问世，并且作为一种体积小、亮度高的高性能激发光源，越来越多地被应用于研制小型化荧光光谱检测系统，尤其是利用具有多个不同波长的LD或LED构成激发光源阵列，还可以进行多组分痕量物质检测。

然而，当前LD或LED诱导荧光光谱检测系统中仍存在诸多不利于其进一步小型化的因素。例如，所用样品池大都是体积较大的体型器件；为了实现激发光与被测荧光物质的有效相互作用，以及发射荧光的有效收集，一般都采用透镜耦合系统；为了滤除激发光和杂散光，检测系统中大都设有分立的滤波装置；在共焦系统中，还需要设置半透半反镜用于激发光和荧光的分光等（司马伟昌，张玉钧，王志刚等，多波长LED阵列诱导荧光光谱在多组分分析中的应用研究，光谱学与光谱分析，Vol. 28(1): 165-168；CN 102305778B；CN103257128B）。为了简化荧光收集系统，研究人员提出了利用实心石英光纤紧贴荧光发射窗口的方法收集荧光（CN 103335992B），但是有限的光纤数值孔径和截面将会限制光纤接收荧光的能力，若再采用聚焦耦合系统将荧光耦合入光纤端面（CN 104677870A），反而又增加了检测系统的复杂性。另一方面，在微流控毛细管电泳技术领域，石英毛细管构成的液芯波导常被用来作为荧光检测通道，在此基础上，研究人员提出了采用激发光直接照射液芯波导侧表面的方式，使其垂直通过毛细管壁而被荧光物质吸收，而产生的荧光则根据全反射原理在毛细管液芯中沿轴向传输，因此可以实现激发光和荧光光路的分离（US 6332049B1；CN 101271070B），这极大地简化了激发光耦合系统和二向色镜分光系统。但是，在这种基于液芯波导侧面耦合的荧光检测装置中，为了提高检测灵敏度和信噪比，仍然需要采取措施抑制剩余激发光和环境背景光，例如针对激发光设置滤波器，采用不透明的套管封装液芯波导等。

进一步地，现有的多波长激发光诱导荧光光谱检测系统不仅同样存在上述问题，而且还存在多波长激发光源变换调节装置复杂和不稳定的问题。例如，通过旋转安装有多个激发光源的轮盘，才能实现激发波长的变换（司马伟昌，张玉钧，王志刚等，多波长LED阵列诱导荧光光谱在多组分分析中的应用研究，光谱学与光谱分析，Vol. 28(1): 165-168；CN 103487422A）。

发明内容

针对当前小型化多波长激光诱导荧光光谱检测系统研制过程中遇到的上述技术瓶颈问题，本发明将一种具有一维光子带隙效应导光机制的空心布拉格光纤应用于LD或LED诱导荧光光谱检测，提出了一种基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置。不同于传统实心石英光纤利用全反射原理导光，空心布拉格光纤利用一维光子带隙效应，可以将一定波长范围（即，光子带隙范围）内的入射光波限制在低折射率的中空纤芯中沿光纤轴向实现低损耗传输，而对波长处于光子带隙范围以外的光波无约束作用。尤其是，空心布拉格光纤可以将波长处于全向光子带隙范围内、具有任意入射方向和偏振态的光波都能很好地限制在纤芯中传输，因此又称全向导波光纤。除此以外，若在一维光子晶体包层内引入缺陷层形成横向谐振结构，空心布拉格光纤的传输光谱将会因产生缺陷模而表现出明显的带阻滤波器特性。

本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置，包括激发光源、n根空心布拉格光纤、光谱采集模块以及数据处理与显示模块，所述n为正整数，每根空心布拉格光纤内一端存放有待测样品溶液，设空心布拉格光纤存放待测样品溶液的一端为P1端、与P1端相对的一端为P2端，激发光源设置于与待测样品溶液对应的区域且垂直照射空心布拉格光纤的侧表面使待测样品产生荧光，光谱采集模块设置于空心布拉格光纤的P2端以采集荧光信号并将其转化为电信号，光谱采集模块由光电倍增管阵列或CCD探测器构成，光电倍增管的数目或CCD探测器面阵尺寸视空心布拉格光纤数目而定，数据处理与显示模块与光谱采集模块的输出端相连接用于将光谱采集模块输出的荧光信息进行后续分析处理后显示。

根据本发明优选的，所述每根空心布拉格光纤的P1端设置有紧贴P1端光纤端面的平面反射镜，平面反射镜的尺寸是空心布拉格光纤横截面面积的2-3倍，用于将从空心布拉格光纤的P1端出射的荧光反射回空心布拉格光纤纤芯内，使其从空心布拉格光纤P2端的端面出射而被采集。

根据本发明优选的，所述空心布拉格光纤被照射区域的背面设置有与激发光源的光束相对的平面反射镜，以将未被待测样品溶液吸收的激发光再反射回纤芯吸收。

根据本发明优选的，所述空心布拉格光纤的横截面为圆形，沿半径方向从内到外依次包括中空纤芯、包层和保护层，所述包层由高折射率层和低折射率层共21-61层电介质层交替组成，其中电介质层的总层数为奇数，高折射率层和低折射率层的折射率大小和厚度依据所需的目标光子带隙范围而定，两种不同折射率的包层材料对多波长激发光以及所产生荧光的吸收应尽可能地小；最内层的电介质层和最外层的电介质层是高折射率层，为抑制表面模产生和获得更低传输损耗，最内层的高折射率层和最外层的高折射率层的厚度为其他高折射率层厚度的一半；保护层一般由对多波长激发光呈较低吸收的电介质材料构成，用于提高光纤的机械强度，保护层厚度为100-300μm。

根据本发明优选的，所述包层内某一低折射率层的位置上设置有缺陷层，即该包层叫做含缺陷层的包层，缺陷层的折射率大小和厚度依据缺陷模的谐振波长和带宽（即带阻滤波器的中心波长和带宽）而定；所述缺陷层的材料与低折射率层的材料相同或不同，但是对多波长激发光以及所产生荧光的吸收均应尽可能地小，另外缺陷层的折射率低于高折射率层的折射率。

根据本发明优选的，所述空心布拉格光纤对应激发光照射部分在存放待测样品溶液之前将保护层去除，这样能让更多地激发光透过包层进入纤芯，无保护层部分的空心布拉格光纤长度视激发光照射面积而定。

根据本发明优选的，所述每根空心布拉格光纤代表一个通道，当只有1个通道时，通道由1个固定波长或多个不同波长的激发光源同时激发；当有1个以上通道时，每个通道均由1个固定波长的激发光源激发，且各通道之间互不影响、各通道使用的激发光波长互不相同。

根据本发明优选的，所述激发光源包括光源和光源固定装置，所述光源为LD或LED。所述空心布拉格光纤为具有不同光子带隙范围的空心布拉格光纤，其直径为50-300μm；所述空心布拉格光纤具有三个作用：一是用于存放待测样品溶液，通过毛细管作用将待测样品溶液吸附至中空纤芯中；二是代替分立的滤波片，利用光子带隙效应或缺陷模的横向谐振效应，滤除未被待测样品吸收的激发光；三是用于收集所产生的荧光，利用全向光子带隙效应，将方向性杂乱无章的荧光信号约束在纤芯中沿空心布拉格光纤轴向保持低损耗传输；所述空心布拉格光纤的光子带隙范围取决于激发光波长和所产生荧光波长，为保证空心布拉格光纤包层能够顺利透过正入射的激发光而更好地限制新产生的荧光，需使激发光波长处于正入射条件下的光子带隙范围以外，而荧光波长则处于全向光子带隙范围以内。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

1、空心布拉格光纤作为样品池的同时，利用自身独特的光子带隙效应导波机制或缺陷模的横向谐振效应，可以有效滤除未被荧光物质充分吸收但因纤芯内壁的反射和散射而导致与纤芯荧光混杂在一起的激发光，从而代替分立的滤波片，有利于检测系统的进一步小型化；

2、由于所产生的荧光处于空心布拉格光纤的全向光子带隙范围内，沿各个方向均有发射的荧光都可以被有效地限制在纤芯中沿光纤轴向传输，以较低传输损耗到达光谱采集模块，荧光收集能力较基于全反射原理的石英光纤增强，有利于提高检测灵敏度；

3、不同于空心石英毛细管作为检测通道时需要对其表面做遮光处理，空心布拉格光纤利用光子带隙效应以及外面的保护层可以有效地阻止外界背景光透过空心布拉格光纤包层进入纤芯，因此能够降低对荧光信号的影响，有利于提高信噪比；

4、直接利用中空纤芯的毛细管作用采集待测样品溶液，操作简单易行；

5、无需对多个不同波长的激发光源设置用于位置变换的机械调整和电子控制装置，有利于检测装置结构的简化和稳定。

综上，本发明所述的基于空心布拉格光纤的荧光光谱检测装置，为研制小型化、高灵敏度荧光光谱检测系统开辟了新的技术途径。

附图说明

图1 是本发明所述空心布拉格光纤的横截面结构示意图，其中(a)是具有常规包层结构的空心布拉格光纤的横截面结构示意图；(b)是包层结构中含缺陷层的空心布拉格光纤的横截面结构示意图。

图2是本发明实施例1中所述基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置的结构示意图。

图3是图2中A部分没有平面反射镜的放大结构示意图。

图4是图2中A部分设置有平面反射镜的放大结构示意图。

图5是本发明实施例1中所述具有常规包层的空心布拉格光纤的带隙结构图。

图6是本发明实施例1中所述具有常规包层的空心布拉格光纤的基模（HE₁₁模）的传输损耗曲线。

图7是本发明实施例1中所述包层结构中含缺陷层的空心布拉格光纤中基模（HE₁₁模）的传输损耗曲线。

图8是本发明实施例2中所述激发光源和空心布拉格光纤的环形排布结构示意图。

图9是本发明实施例3中所述基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置的结构示意图。

图中，1、激发光源，2、空心布拉格光纤，3、光谱采集模块，4、数据处理与显示模块，5、平面反射镜，11、光源，12、光源固定装置，21、纤芯，22、包层，23、保护层，221、高折射率层，222、低折射率层，223、缺陷层。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和3个实施例对本发明做进一步详细说明，但不限制本发明，凡在本发明所述技术原理下所做的任何修改和改进，均应视为在本发明保护范围之内。

实施例1、

如图2、3所示，为由6个不同波长的LD或LED作为激发光源的情况，本发明基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置，包括由6个不同波长LD或LED作为光源的多波长激发光源1、6根空心布拉格光纤2（其中对应激发光照射部分在存放待测样品溶液之前将保护层去除）、光谱采集模块3以及数据处理与显示模块4，激发光源1包括光源11和光源固定装置12，每根空心布拉格光纤2内一端存放有待测样品溶液，设空心布拉格光纤存放待测样品溶液的一端为P1端、与P1端相对的一端为P2端，激发光源1设置于与待测样品溶液对应的区域且垂直照射空心布拉格光纤2的侧表面，光谱采集模块3设置于空心布拉格光纤2的P2端，数据处理与显示模块4与光谱采集模块3的输出端相连接。如图1（a）所示，所述空心布拉格光纤2的横截面为圆形，沿半径方向从内到外依次包括中空纤芯21、包层22和保护层23，纤芯21的直径为50-300μ，保护层厚度为100-300μm，所述包层22由高折射率层221和低折射率层222共21-61层电介质层交替组成，其中电介质层的总层数为奇数（即21、23、25……61层），所述高折射率层221和低折射率层222中所述的“高”和“低”是两者之间折射率的对比而定义的，折射率高的为高折射率层、折射率低的为低折射率层；最内层的电介质层和最外层的电介质层是高折射率层，为抑制表面模产生和获得更低传输损耗，最内层的高折射率层和最外层的高折射率层的厚度为其他高折射率层厚度的一半。如图1（b）所示，在图1（a）具有常规包层结构的基础上，包层22内某一低折射率层222的位置上设置有缺陷层223，所述缺陷层223的材料与低折射率层222的材料相同或不同且缺陷层223的折射率低于高折射率层221的折射率。

6束不同波长的激发光直接照射空心布拉格存放待测样品溶液的侧表面，由于波长处于空心布拉格光纤的正入射条件下的光子带隙范围以外，沿空心布拉格光纤径向垂直入射的激发光可以顺利透过包层进入中空纤芯21而被其中的被测荧光物质吸收而发出荧光。所产生的荧光波段由于位于空心布拉格光纤2的全向光子带隙范围内，沿任何方向发射的荧光均可以被有效地约束在中空纤芯21内部而沿光纤轴向传输，直到由空心布拉格光纤P2端输出经光谱采集模块3中的光电倍增管阵列或CCD探测器，把荧光信号转换为电信号，最后经数据处理与显示模块4，得到被测样品溶液的荧光光谱检测信息。该装置采用6根空心布拉格光纤构成6个荧光激发和采集通道，相互之间互不影响，光谱采集模块3采用响应波段不同的光电转换器件阵列。

为了充分收集荧光信号，每根空心布拉格光纤2的P1端设置有紧贴P1端光纤端面的平面反射镜5，如图3所示，平面反射镜的尺寸是空心布拉格光纤横截面面积的2-3倍，用于将从空心布拉格光纤的P1端出射的荧光反射回空心布拉格光纤纤芯内，使其从空心布拉格光纤P2端的端面出射而被采集。为了充分利用激发光，空心布拉格光纤被照射区域的背面设置有与激发光源1的光束相对的平面反射镜5，如图4所示，将未被荧光物质吸收的激发光再反射回中空纤芯吸收，该平面反射镜的设置不是必须的，如果激发光足够强，被荧光物质吸收的足够多，可省略该平面反射镜。

如果激发光和荧光波长间隔较大，采用具有常规包层的空心布拉格光纤，直接利用其光子带隙效应滤除少量虽然进入纤芯21但并未被荧光物质吸收的激发光。以罗丹明6G荧光物质为例，其激发光和荧光波长分别为530nm和590nm。采用的具有常规包层的空心布拉格光纤的结构参数为：纤芯21的直径为200μm，高折射率层221和低折射率层222的折射率分别为2.74和1.62，厚度分别为56.64nm和113.36nm，包层所含有的电介质层为31层，保护层厚度为150μm。为了显示该结构空心布拉格光纤在沿不同角度入射光波下的光子带隙以及全向光子带隙结构，图5给出了采用传输矩阵法计算得到的其包层对各角度入射的横磁（TM）波的反射谱，其中两条竖线之间的波长范围即表示全向光子带隙（反射率大于99%的光谱范围），由该图可以看出，其全向光子带隙范围为582-653nm，正入射时的光子带隙范围为582-811nm。可见，荧光波长处于全向光子带隙范围以内，而激发光波长不仅处于正入射光子带隙范围以外，而且位于掠入射光子带隙边缘，从而使其传输损耗远大于荧光的传输损耗。图6给出了采用射线光学法计算得到的该结构空心布拉格光纤中基模（HE₁₁模）的传输损耗，可以看出，激发光和荧光对应的传输损耗分别为2.24×10^-3dB/m和2.83×10^-5dB/m，相差近两个数量级。因此，相较于荧光，激发光往往在到达空心布拉格光纤的输出端P2端之前就因较大传输损耗而消耗，几乎不会进入光谱采集模块3。

如果激发光和荧光波长间隔较小，采用包层中含有缺陷层的空心布拉格光纤，利用其中缺陷模的横向谐振效应滤除少量虽然进入纤芯21但并未被荧光物质吸收的激发光。以罗丹明B荧光物质为例，其激发光和荧光波长分别为555nm和580nm。采用的包层含有缺陷层的空心布拉格光纤的结构参数为：纤芯直径为200μm，高折射率层221和低折射率层222的折射率分别为2.74和1.62，厚度分别为54.97nm和110.03nm，缺陷层223折射率同为1.62，厚度为211.25nm，包层所含有的电介质层为31，缺陷层223位于第10层，保护层厚度为150μm。采用与图5同样的方法，可以计算得到全向光子带隙范围为565-633nm，正入射时的光子带隙范围为565-787nm，可见，荧光波长处于全向光子带隙范围以内，而激发光波长处于正入射光子带隙范围以外。为了滤除纤芯中未被荧光物质吸收的激发光，需利用由缺陷模的横向谐振效应而导致的带阻滤波特性。图7给出了采用射线光学法计算得到的含有缺陷层的空心布拉格光纤中基模（HE₁₁模）的传输损耗，可以看出，由于缺陷模的存在，在基模低损耗传输带内产生了损耗较大的谐振峰，对应中心波长恰好为555nm，此时，激发光和荧光对应的传输损耗分别为1.28dB/m和1.63×10^-4dB/m，因此可以极其有效地使激发光因巨大的传输损耗而消耗，从而不会进入光谱采集模块。

实施例2、

除了采用实施例1中如图3（或图4）所示的6个激发光源和空心布拉格光纤的线形排布结构外，还可以采用如图8所示的环形排布结构。具体采用何种排布结构，应当根据激发光源尺寸、空心布拉格通道数目和荧光检测环境等多种因素综合考虑。实施例1和本实施例2中所提出的两种激发光诱导荧光光谱检测装置结构均属于多通道结构，并且是多通道激发和多通道荧光采集，每个通道内的被测样品溶液可以相同，也可以不同，可以视检测需求而定。由于各通道之间互不影响，这两种结构设计都便于多波长激发光源和检测通道的灵活增减。与现有的多波长LD或LED诱导荧光光谱检测装置中采用安装在电动轮盘上的激发光源阵列相比，采用本发明所述的多通道结构，无需设置机械转动装置和控制电路，简化了整个系统结构，提高了系统检测的稳定性，尤其适合于利用多波长扫描技术进行多组分检测，采集多组分三维荧光光谱数据。

实施例3、

为了进一步简化装置结构，可采用多个不同波长的LD或LED光源共用同1根空心布拉格光纤2作为激发和荧光采集通道。如图9所示，给出了3个不同波长的LD或LED光源共用一个光纤通道的情况。

以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述作出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于空心布拉格光纤的小型化荧光光谱检测装置，其特征在于：包括激发光源（1）、n根空心布拉格光纤（2）、光谱采集模块（3）以及数据处理与显示模块（4），所述n为正整数，每根空心布拉格光纤（2）内一端存放有待测样品溶液，设空心布拉格光纤存放待测样品溶液的一端为P1端、与P1端相对的一端为P2端，激发光源（1）设置于与待测样品溶液对应的区域且垂直照射空心布拉格光纤（2）的侧表面使待测样品产生荧光，光谱采集模块（3）设置于空心布拉格光纤（2）的P2端以采集荧光信号并将其转化为电信号，数据处理与显示模块（4）与光谱采集模块（3）的输出端相连接；所述空心布拉格光纤（2）的横截面为圆形，沿半径方向从内到外依次包括中空纤芯（21）、包层（22）和保护层（23），所述包层（22）由高折射率层（221）和低折射率层（222）共21-61层电介质层交替组成，其中电介质层的总层数为奇数；所述包层（22）内某一低折射率层（222）的位置上设置有缺陷层（223）；所述缺陷层（223）的材料与低折射率层（222）的材料相同或不同，且缺陷层（223）的折射率低于高折射率层（221）的折射率。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述每根空心布拉格光纤（2）的P1端设置有紧贴P1端光纤端面的平面反射镜（5）。

3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于：所述空心布拉格光纤（2）被照射区域的背面设置有与激发光源（1）的光束相对的平面反射镜（5）。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：最内层的电介质层和最外层的电介质层是高折射率层且该最内层的高折射率层和最外层的高折射率层的厚度为其他高折射率层厚度的一半。

5.根据权利要求1或4所述的检测装置，其特征在于：所述空心布拉格光纤（2）对应激发光照射部分在存放待测样品溶液之前将保护层（23）去除。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述每根空心布拉格光纤（2）代表一个通道，当只有1个通道时，通道由1个固定波长或多个不同波长的激发光源（1）同时激发；当有1个以上通道时，每个通道均由1个固定波长的激发光源（1）激发，且各通道之间互不影响、各通道使用的激发光波长互不相同。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述激发光源（1）包括光源（11）和光源固定装置（12），所述光源（11）为LD或LED；所述空心布拉格光纤（2）为具有不同光子带隙范围的空心布拉格光纤。