CN106568747A - 光波导荧光增强检测仪 - Google Patents

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陈凡
曹庄琪
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6402—Atomic fluorescence; Laser induced fluorescence

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Abstract

荧光是物体经过较短波长的光照后缓慢放出较长波长的光，荧光检测技术属于物理测量领域。本发明提供一种光波导荧光增强检测仪，包括空芯金属包覆波导、激光器、光谱仪，用作样品进出和冲洗的蠕动泵，其特征在于：采用自由空间耦合技术激发空芯金属包覆波导中的超高阶导模，由于大部分光能耦合进入波导，使作为导波层的样品内光功率密度大大增加，从而增强了激发荧光的效率。本仪器具有下属优点：(1)超高阶导模的激发引起的衰减全反射效应使反射光谱中激发波长的强度大为削弱；(2)由于荧光信号的增强效应，可探测浓度极低的溶液和气体样品；(3)荧光信号因波长差别以不同于激发光的反射角辐射；(4)结构简单，操作方便，成本低廉。

Description

光波导荧光增强检测仪
技术领域
荧光光谱分析具有灵敏度高，选择性好，检测速度快等优点，能够提供样品分子结构与电子状态的许多信息，已经成为一种重要的痕量分析技术，属于物理测量领域。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，人口的不断增加，环境污染已成为严重损害人民健康的重大问题，越来越多的人们开始关注大气中有毒有害气体，以及江河、湖泊和海洋中有机物和重金属离子的水污染。对大气和水中有毒物质的定性和定量的精细检测已成为一项有重要意义的课题。
生物分子的相互作用以及溶液中的化学反应引起的分子结构变化、癌细胞和非癌细胞、各种病毒细菌都可以利用荧光光谱的某种特性参数(如荧光的波长、强度偏振和寿命等)鉴别。近年来，随着科学技术的不断进步，推动了荧光光谱技术的发展，促进了诸如同步荧光测定、时间分辨荧光光测定、荧光免疫测定和三维荧光光谱检测等新方法和新技术的发展。但这些技术有的灵敏度不高、检出限低；有的光路调整复杂，测量过程时间长，不利于实时测量；或需要大型昂贵的设备，检测成本高，难以推广应用。上世纪末，提出了一种液芯光纤荧光
检测方法。这种液芯光纤要求包层材料的折射率低于液芯中样品的折射率，进入芯层的光线可沿液芯的轴向传播，不仅损耗小，而且极大地增加了光与样品相互作用的时间和距离，为提高仪器的灵敏度创造了有利条件。但在此类液芯波导技术尚存在以下缺点：首先，激发光和荧光信号从同一端面输出，未能较好的实现激发光和荧光的分离，对检测结果存在较大的干扰；其次，由于溶液的折射率接近于水的折射率，制作低于水折射率的固体薄层材料成本较高；第三，此类液芯光纤无法实现气体样品荧光的检测。因此，发明一个能较好实现激发光和荧光分离，而且既能检测液体又能检测气体样品荧光的波导检测装置具有重要的意义。
发明内容
本专利针对以上技术中存在的缺陷，提出了一种以平面波导为样品室的方案，该方案采用一种毫米尺度空芯金属包覆波导结构。这种厚波导可容纳具有高功率密度、高品质因子(Q值)和高灵敏度特征的超高阶导模。实验时，激光以小角度入射于波导的表面(自由空间耦合技术)激发这种波导中的超高阶导模。由于该导模的激发，反射光中将出现因衰减全反射(ATR)而出现的吸收黑线，表明激发光已耦合进样品层，致使反射光中激发光的成分已降到最低，而波长较长的荧光以偏离反射方向出射。
由于这种波导以金属作为包覆层，空芯金属包覆波导可以容纳有效折射率N→0的超高阶导模。意味着样品既可以是水溶液，也可以是折射率接近于1.0的气体。
由于样品处于波导的芯层，导模激发时具有很高的功率密度；另外，由于超高阶导模是一种慢波，光与待测物质相互作用的时间较长，导致超高阶导模的高灵敏度。
本专利是通过以下技术方案实现的，光波导荧光增强检测仪装置包括：超厚空芯金属包覆波导组件、光电发射与信号探测模块、用于样品输入、输出以及样品室清洗所需的蠕动泵组件，所有元件的相对位置都固定不动。
空芯金属包覆波导包括：上层金属膜、平板玻璃、样品室、玻璃垫圈、下层金属膜、玻璃衬底、进样通道和出样通道等部件。上层金属膜沉积在平板玻璃的表面，下层金属膜沉积在玻璃衬底的底面。为保证波导腔的平行度，首先，玻璃垫圈要求有较高的平行度；其次，平板玻璃、玻璃垫圈、和玻璃衬底必须用光胶技术组装在一起。上下平板玻璃和玻璃垫圈的厚度之和即为波导层的厚度，而玻璃垫圈的厚度即为样品室的厚度。玻璃衬底上开两个通孔，分别是空芯金属包覆波导结构A的进样通道和出样通道，待测样品通过进样通道进入样品池，而废弃样品通过出样通道排出。
光电发射与信号探测模块包括：激光器和光谱仪及探头组件。激光器发射的平行光以一定角度入射于空芯金属包覆波导的表面，反射光及荧光信号由光谱仪探头接收。
用于样品输入、输出以及样品室清洗所需的蠕动泵组件包括：软管和蠕动泵。
本发明具有以下优点：(1)反射部分的激发光因导模共振而衰减，波长较长的荧光信号偏离于反射角输出；(2)用空芯金属包覆波导作为样品室和共振腔，具有高功率密度、高品质因子和高灵敏度；(3)以有效折射率N→0的导模作为探针，样品既可是液体也可是气体；(4)结构简单，操作方便，成本低廉。
附图说明
图1光波导荧光增强检测仪示意图，图2.空芯金属包覆波导结构示意图，1.上层金属膜、2.平板玻璃、3.样品室、4.玻璃垫圈、5.玻璃衬底、6.下层金属膜、7.进样通道、8.出样通道
具体实施方式
如图1所示，本专利是一种用于液体和气体荧光检测仪器。该测量仪器包括两个模块：空芯金属包覆波导A和光电发射与信号探测模块B。空芯金属包覆波导结构由上层金属膜1、平板玻璃2、样品室3、玻璃垫圈4、玻璃衬底5、下层金属膜6、进样通道7和出样通道8等部件组成。上层金属膜1沉积在平板玻璃2的表面，下层金属膜6沉积在玻璃衬底5的底面。为保证波导腔的平行度，首先，玻璃垫圈4要求有较高的平行度；其次，平板玻璃2、玻璃垫圈4、和玻璃衬底5必须用光胶技术组装在一起。平板玻璃2、玻璃垫圈4和玻璃衬底5的厚度之和即为波导层的厚度，而玻璃垫圈4的厚度即为样品室3的厚度。玻璃衬底5上开两个通孔，分别是超厚空芯金属包覆波导结构A的进样通道7和出样通道8，待测样品通过进样通道7进入样品池，而废弃样品通过出样通道8排出。光电发射与信号探测模块B由激光器9和光谱仪及探头组件10等部件组成。激光器9发射的平行光以一定角度入射于空芯金属包覆波导结构A的表面。由于激光具有一定的线宽和发散角，通过预先设计，在入射角附近能确保激发一个超高阶导模，即反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，因此反射光中激发波长的光强大为减弱，而波长较长的荧光以不同于反射角方向输出，用光谱仪及探头组件10检测，可得到样品增强的荧光光谱。

Claims (9)

1.光波导荧光增强检测仪的结构如图1所示，该结构由三部分组成：空芯金属包覆波导组件A、光电发射与信号探测模块B、用于样品输入、输出以及样品室清洗所需的蠕动泵组件C。
2.根据权利1要求的空芯金属包覆波导组件由上层金属膜1、平板玻璃2、样品室3、玻璃垫圈4、玻璃衬底5、下层金属膜6、进样通道7和出样通道8等部件组成，其特征为：上层金属膜1沉积在平板玻璃2的表面，下层金属膜6沉积在玻璃衬底5的底面；平板玻璃2、玻璃垫圈4、和玻璃衬底5用光胶技术组装在一起，玻璃衬底5上开两个通孔，分别是空芯金属包覆波导结构A的进样通道7和出样通道8，待测样品通过进样通道7进入样品池，而废弃样品通过出样通道8排出。
3.根据权利1要求的光电发射与信号探测模块B由激光器9和光谱仪及探头10等部件组成，其特征在于：(1)激光器9发射的平行光以预先设定的角度入射于空芯金属包覆波导结构A的表面，(2)光谱仪探头10置于偏离反射角附近，因激光具有纳米量级的线宽和发散角，通过预先设计，在入射角0度时能确保激发一个超高阶导模，即反射光中包含一个导模的衰减全反射吸收峰，光谱仪探头置于偏离反射角附近，即可探测到荧光信号。
4.根据权利1要求的用于样品输入、输出以及样品室清洗所需的蠕动泵组件C由软管11和蠕动泵12组成，其特征在于：样品或清洗液经过软管11和蠕动泵12输入或输出样品室。
5.根据权利1要求的结构上层金属膜1的材料为银，上层金属膜1的厚度为35nm、波导结构平板玻璃2的材料为光学玻璃，其厚度为300um、玻璃垫圈4的材料为光学玻璃，其厚度约为500um、下层金属膜6的材料为银，其厚度约为200nm、玻璃衬底5的材料为光学玻璃，其厚度为100um，玻璃衬底5上面制备了进样通道7和出样通道8。
6.根据权利1要求的空芯金属包覆波导结构A具有如下特征：上层金属膜1沉积在平板玻璃2的表面，下层金属膜6沉积在玻璃衬底5的底面，为保证平行度，平板玻璃2、玻璃垫圈4、和玻璃衬底5用光胶技术组装在一起，玻璃衬底5上开两个通孔，分别是空芯金属包覆波导结构A的进样通道7和出样通道8，待测样品通过进样通道7进入样品室，而废弃样品通过出样通道8排出。
7.根据权利1要求的光电发射与信号探测模块B中的光源为经准直的半导体激光器9，其输出波长为473nm，发散角要求小于0.3mrad。
8.根据权利1要求的上下两层银膜的介电系数为ε1＝ε6＝-8.0+i0.8。
9.根据权利1要求的光电发射与信号探测模块B的信号探测器为光谱仪探头10。
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