CN106353294A - 一种微型毛细管荧光仪 - Google Patents
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Abstract
一种微型毛细管荧光仪，包含光源、毛细管固定架、色散元件和探测器；其中，毛细管固定架上含有平行于毛细管的狭缝；毛细管内样本受光照激发发出的荧光经过狭缝和色散元件后，探测器可以检测样本的荧光光谱。该荧光仪充分利用了毛细管细长的外形特点，减少了样本发光散射损失，并节省了仪器空间。该荧光仪可以与手机连接，适用于即时检测。该荧光仪各零部件的位置相对固定，避免了不同型号手机的差异和人为操作的不确定性，适用于定量分析。本发明的荧光仪可以用于荧光物质的直接测量，也可以用于组合物的荧光测量，并用于相关的荧光分析。结合荧光探针技术，本发明的荧光仪可以用于探针靶标的检测。
Description
技术领域
本发明属于光学仪器领域，涉及光谱仪器的制造、荧光检测。
背景技术
荧光仪是测量荧光光谱的一种仪器，光谱测试的原理大致是，利用色散元件将样本的发光色散为谱线，收集各个谱线的光强，即可获得样本的发光光谱。该原理在紫外吸收光谱、拉曼光谱的测试中有较多的应用。
在传统的大型荧光仪中，通常在样本和色散元件之间放置狭缝，将发散的光源变成细长的一列平行光，这样可以减少不同位置射出的光导致的色散谱线重叠，从而提高光谱分辨率。在这种方式中，为了获得尽可能高的分辨率，需要尽可能窄的狭缝宽度，现有光谱仪使用的狭缝宽度一般在几十到几百微米之间。然而，狭缝越窄，透光的光越少，检测信号越弱，导致灵敏度的下降，同时，大量的样本发光被挡在狭缝之外，造成了样本的浪费，不便于微量样本的即时检测（Point-of-care testing）。
随着光谱仪微型化的发展，一些便携式光谱仪的出现让即时检测成为可能（《光学技术》第29卷第1期，光谱仪的微型化及其应用）。然而现有的微型光谱仪，大多通过光线耦合将外界光信号导入，许多没有固定的样品室或样品架，这会导致不同的操作产生不同的结果，例如，样品的位置、与光源或探测器的距离变化都会引起信号强弱的变化，不利于结果的定量分析。
为了实现微量样本的定量分析，人们发展了基于微芯片分析方法（专利CN1285902C、CN101441177B、CN103604784B），固定了光源和探测器的相对位置，通过设计微型的进样通道以控制进样量，从而获得可重复的荧光检测结果。然而这种微芯片的制作成本较高，多次测试存在芯片污染的问题。因此，发展适用于微型光谱仪的廉价一次性耗材可解决上述问题。
毛细管在分析检测领域有广泛的应用，其成本低廉，生产工艺成熟。毛细管可以通过液体的表面张力自动吸取样本，无需额外的进样装置，而且用样量少，适用于微量样本的分析。为此，人们发展了一些测量毛细管样本荧光的方法（专利CN100543460C、CN101271070B、CN101464411A、CN103134780B、CN104048918B）。然而一些方法依赖于大型的光纤光谱仪或激光器，不便于便携式检测，而另外一些仪器虽然实现了小型化（专利CN102279173B、CN103134780B），但是仅能够检测荧光强度，而不能获得样本的光谱信息。
发明内容
为了实现微量样本的即时检测，本发明充分利用毛细管作为样本容器的优势，设计相关的微型荧光光谱仪。
本发明的微型毛细管荧光仪，包含光源、毛细管固定架、色散元件和探测器；其中，毛细管固定架上含有平行于毛细管的狭缝；将毛细管固定于毛细管架上，可以测量毛细管内样本的荧光光谱。
测量光路为：光源发出的光照射毛细管，毛细管内样本受激发发出的荧光经过狭缝，再经过色散元件，使荧光沿毛细管平行方向展开成不同颜色的光，最后到达探测器。
其中，色散元件选自棱镜或光栅，探测器选自硅光电管阵列、CCD、CMOS传感器。
优选的，色散元件选自透射光栅或反射光栅；优选的，光栅选自反射光栅，选自平面光栅、凹面光栅或全息光栅。
优选的，光源为LED光源，探测器选自线阵CCD或CMOS传感器。
优选的，LED光源选自单色LED或者单色LED的组合。其中，当光源为单色LED组合时，可以根据样本的最适激发波长，通过电路控制选择其中一种颜色的LED发光，以满足不同样本的测试需要。
这种将夹缝集成于毛细管架的方式，充分利用了毛细管细长的外形特点，节省了仪器空间，同时狭缝紧靠毛细管，增强了毛细管的出射光强，有利于增强检测信号。
在具体的实施中，可分别采用两种方式激发毛细管内样本发光：
第一种方式为，光源的激发光透过毛细管壁照射毛细管内部的样本，毛细管固定架上含有两条平行于毛细管的狭缝，分别用于限制激发光和出射荧光的光路和宽度。
优选的，光源紧贴毛细管的激发光狭缝。
优选的，光源为线型的光源，平行于毛细管放置。
优选的，光源一侧有线性聚光元件，将光源的光会聚到狭缝处，优选的，线性聚光元件选自线性菲涅尔透镜。
第二种方式为，光源的激发光照射毛细管末端，通过波导原理沿着毛细管壁传播至样本处，激发样本发荧光。相对于第一种方式，第二种方式降低了背景杂散光的干扰。
优选的，光源一侧有聚光元件，将光源的光会聚到毛细管末端。
在一些优选方案中，可以增加线性聚光元件，将毛细管轴向的散射荧光会聚到一起集中测量，以增强检测信号。该线性聚光元件可以位于色散元件和探测器之间，或者位于荧光出射狭缝和色散元件之间。
其中，将线性聚光元件置于色散元件和探测器之间，可以将色散后的荧光谱线按各自的波长会聚于探测器上；将线性聚光元件置于荧光出射狭缝和色散元件之间，可以将射出狭缝的荧光沿着毛细管轴向压缩后，再色散成谱线，这样还可以减小色散元件的体积。
在一些优选方案中，可以在狭缝和色散元件之间增加准直元件，将透过狭缝的荧光转为平行光，以增加光谱分辨率。准直元件选自凸透镜或凹面反光镜。
在一些优选方案中，可以增加反光元件，以增强荧光信号。
在毛细管荧光向狭缝出射的反方向，含有反光元件，可将与狭缝相反方向的荧光反射至狭缝处，所用的反光元件选自反光镜、直角棱镜、直角椎棱镜。
在光源照射毛细管的透光方向，含有反光元件，可将透过毛细管的激发光反射至毛细管处，所用的反光元件选自反光镜、直角棱镜、直角椎棱镜。
为了减少外界对仪器内部零部件的污染，可以用一层透明介质将毛细管架的空间与仪器内部隔离，所采用的透明介质选自石英、玻璃或塑料。
在上述发明的基础上，可以根据具体的实际需要，在光路上添加其它的光学元件，这些光学元件选自聚光透镜、反光聚光镜、反光镜、狭缝、滤光膜、滤光片、棱镜、光栅、透镜等。这些光学元件的添加不改变本发明的实质内涵，可达到可以预料的检测效果。
本发明的荧光仪的毛细管架可以根据需要设计成可以放置不同形状的毛细管，包括圆形毛细管、方形毛细管等。毛细管的材料可选自玻璃、石英、塑料或有机无机复合材料等。
本发明充分发挥了毛细管以下一些优势：
（1）成本低，体积小，取样量少，可以自动吸取液体，操作方便，可作为一次性使用，便于即时检测；
（2）毛细管内径可以做到0.1毫米以下，与光谱仪所用的狭缝宽度相当，样本在毛细管中呈柱状，将色散元件的狭缝紧贴毛细管，既减少了样本发光散射损失，又可节省仪器体积；
（3）在毛细管内径一致的条件下，增加取样量，即增加毛细管内样本的长度，扩大狭缝长度，在不降低光谱分辨率的条件下，可以增加光的透过量，从而成倍提高检测的信号强度；
（4）毛细管壁可以用于波导，利用波导将光源的激发光传递至毛细管内的样本处，可以降低光源散色光的干扰，提高检测的信噪比。
本发明的荧光仪体积小，便于携带，结合现有的计算机、智能手机技术，可以通过数据线、wifi、蓝牙等方式与手机连接，适用于即时检测。相对于现有的手机测光谱的方法和其它微型光谱仪，本发明的荧光仪，对样本需求量少，可以同时测量荧光强度和荧光光谱。此外，由于具有固定的毛细管架，并集成了光源和探测器，并且各零部件的位置相对固定，因而，减少了人为操作的不确定性，避免了不同型号手机的差异，使检测结果易于重复，并可实现定量分析。
相对于基于微流控芯片的微型荧光仪，本发明的荧光仪采用毛细管取样，廉价易得，无需复杂的加工，由于毛细管是一次性使用，因而降低了仪器污染。
本发明的荧光仪可以用于荧光物质的直接测量，也可以用于组合物的荧光测量，并用于相关的荧光分析。
结合荧光探针技术，本发明的荧光仪可以用于探针靶标的检测。
检测方法和原理如下：通过物理吸附或共价修饰，使毛细管内壁附着一层荧光探针，当样本中含有靶标分子时，使用该毛细管吸取样本，样本的靶标分子与荧光探针结合或发生化学反应，从而通过荧光强弱或光谱来判断靶标分子的存在。
附图说明
图1为一种毛细管荧光仪的示意图；其中，101为线性光源，102为狭缝，103为毛细管，104为样本，105为直角三棱镜，106为狭缝，107为三棱镜，108为线性聚光透镜，109为探测器。
图2为一种毛细管荧光仪的示意图；其中，201为毛细管，202为样本，203为直角三棱镜，204为狭缝，205为线性聚光透镜，206为光栅，207为探测器。
图3为一种毛细管荧光仪的示意图；其中，301为线性光源，302为狭缝，303为毛细管，304为样本，305为狭缝，306为准直反射镜，307为凹面光栅，308为探测器。
图4为毛细管荧光仪连接手机的示意图；其中，01为毛细管，02为毛细管荧光仪，03为手机。
具体实施方式
为了说明本发明的原理以及其优势，下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，其目的在于帮助更好的理解本发明的内容，但这些具体实施方案不以任何方式限制本发明的保护范围。 在实际应用中，可以根据具体情况实施最合适的方案。
实施实例1 一种毛细管荧光仪的构造
线性光源101发出的激发光通过狭缝102照射毛细管103内的样本104，一部分激发光通过直角三棱镜反射至毛细管103处，样本104的荧光通过狭缝106，再经过三棱镜107散射后分成不同颜色的光，再经过线性聚光透镜108会聚到探测器109上。
其中毛细管103与狭缝102平行，便于入射光尽可能多的照到毛细管上；激发更多的样本发光，狭缝106与毛细管103平行，便于荧光尽可能多的射出。
其中，直角三棱镜105起增加激发光强度的作用，线性聚光透镜108使色散后的谱线沿着毛细管轴向集中到探测器上，可增强探测器收集的荧光信号。当样本荧光足够强的情况下，这两处的光学元件可以省去。
在上述方案的一种优选方案中，可以增加色散棱镜的数量，以增加色散效果，提高光谱分辨率。
在上述方案的一种优选方案中，可以在光源101和狭缝102之间，或狭缝106和棱镜107之间增加滤光元件，以降低光源光对背景的干扰，所用的滤光元件选自滤光膜、滤光片。
在光源101和狭缝102之间增加聚光元件，可以将光源的光会聚于狭缝处，即增加激发光强，优选的聚光元件选自线性聚光元件，如菲涅尔透镜。
实施实例2 一种毛细管荧光仪的构造
光源发出的激发光照射毛细管201的末端，激发光在毛细管壁内波导，传递至样本202处，样本202的荧光通过狭缝204，经过线性聚光透镜205会聚到反射光栅206处，色散后的光可以被探测器207检测。
其中狭缝204与毛细管201平行，便于荧光尽可能多的射出。
直角三棱镜203位于狭缝204相对于毛细管201的反方向，用于将一部分反方向射出的样本荧光反射至狭缝204处，可以增加狭缝的光通量。当样本荧光足够强的情况下，该棱镜可以省去。
在上述方案的一种优选方案中，可以在受光照的毛细管末端，或狭缝204和线性聚光透镜205之间增加滤光元件，以降低光源光对背景的干扰，所用的滤光元件选自滤光膜、滤光片。
在受光照的毛细管末端增加聚光透镜，可以将光源的光会聚于毛细管201末端，即增加激发光强。
实施实例3 一种毛细管荧光仪的构造
线性光源301发出的激发光通过狭缝302照射毛细管303内的样本304，样本304的荧光通过狭缝305，再经过准直反射镜306反射为平行光，照射到凹面光栅308上，凹面光栅将入射平行光色散成不同颜色的光，同时将光线延毛细管轴向会聚到探测器309上。
其中毛细管303与狭缝302平行，便于入射光尽可能多的照到毛细管上；激发更多的样本发光，狭缝305与毛细管303平行，便于荧光尽可能多的射出。
相对于实例1和实例2的实施方案，该方案中准直元件和凹面光栅的可以增加光谱仪的波长分辨率。
此外，实例1和实例2中的所有方案中，起色散作用的棱镜与光栅可以互相代替，可达到类似的技术效果。实例1到实例3中的所有方案中，还可以根据具体需要，在光路上添加聚光透镜、反光聚光镜、反光镜、狭缝、滤光膜、滤光片、棱镜、光栅、透镜等。
上述方案各有优势，适用于不同的检测需要。其中实例1和实例2的构造相对简单，如果采用棱镜或者平面光栅作为色散元件，其成本低，适用于不需要高波长分辨率的检测。实例3采用了准直元件和凹面光栅，可以消除一定的球差、彗差，达到较高的波长分辨率，适用于精度高的检测。
结合现有的计算机、智能手机技术，本发明的荧光仪可以通过数据线、wifi、蓝牙等方式与手机连接。其中，按实施实例1和实例3做出的毛细管荧光仪封装后，可以通过数据线与手机连接，如附图4所示，待测毛细管01插在荧光仪02的毛细管架上，荧光仪02测得的数据可以通过数据线传到手机03上，显示在手机显示屏上。手机还可以用于数据的存储和分析。毛细管可做一次性使用，不用清洗样本容器，减少了样本污染。同时，取样量少，这种实施方式适用于户外即时检测。
Claims (10)
1.一种微型毛细管荧光仪，其特征在于，包含光源、毛细管固定架、色散元件和探测器；其中，毛细管固定架上含有平行于毛细管的狭缝；
将毛细管固定于毛细管架上，可以测量毛细管内样本的荧光光谱，测量光路为：光源发出的光照射毛细管，毛细管内样本受激发发出的荧光经过狭缝，再经过色散元件，使荧光沿毛细管平行方向展开成不同颜色的光，最后到达探测器；
其中，色散元件选自棱镜或光栅，探测器选自硅光电管阵列、CCD、CMOS传感器。
2.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，光源的激发光透过毛细管壁照射毛细管内部的样本，毛细管固定架上含有两条平行于毛细管的狭缝，分别用于限制激发光和出射荧光的光路和宽度。
3.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，光源的激发光照射毛细管末端，通过波导原理沿着毛细管壁传播至样本处，激发样本发荧光。
4.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，荧光仪还含有线性聚光元件，将毛细管轴向的散射荧光会聚到一起集中测量，以增强检测信号，其中该线性聚光元件可以位于色散元件和探测器之间，或者位于荧光出射狭缝和色散元件之间。
5.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，在狭缝和色散元件之间有准直元件，将透过狭缝的荧光转为平行光，准直元件选自凸透镜或凹面反光镜。
6.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，在毛细管荧光向狭缝出射的反方向，含有反光元件，可将与狭缝相反方向的荧光反射至狭缝处，所用的反光元件选自反光镜、直角棱镜、直角椎棱镜。
7.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，在光源照射毛细管的透光方向，含有反光元件，可将透过毛细管的激发光反射至毛细管处，所用的反光元件选自反光镜、直角棱镜、直角椎棱镜。
8.如权利要求2所述的荧光仪，其特征在于，光源一侧有线性聚光元件，将光源的光会聚到狭缝处。
9.如权利要求3所述的荧光仪，其特征在于，光源一侧有聚光元件，将光源的光会聚到毛细管末端。
10.如权利要求1所述的荧光仪，其特征在于，荧光仪含有其它的光学元件，这些光学元件选自聚光透镜、反光聚光镜、反光镜、狭缝、滤光膜、滤光片、棱镜、光栅、透镜等。
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