CN107860756A - 一种测量荧光寿命的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量荧光寿命的方法和装置：使用电机驱动受激发的样本在空间旋转；用图像传感器拍摄样本转动形成的发光弧形轨迹；以照片中像素点的灰度值代表光强，根据电机转速和弧长建立发光衰减曲线，进而分析得到样本的发光寿命。该方法实现了用稳态的光源测量激发态的寿命，不需要昂贵的脉冲光源和探测器、以及锁相控制；并可以同时检测多个样本的发光寿命，提高了检测的通量和效率。该装置可借助手机自带的摄像功能实现寿命检测，可用于上转换或下转换发光材料的寿命检测，具有低成本、小型化的优势，便于即时检测应用。

Description

一种测量荧光寿命的方法和装置

技术领域

本发明涉及光致发光的寿命测量方法及相关仪器装置的制造和应用。属于光学仪器制造和仪器分析领域。

背景技术

物质吸光性、光致发光、化学发光等特性在分析检测领域有非常多的应用。其原理大多是基于环境中某些因子的改变会导致物质吸光度、发光强度的改变，通过检测光强度的变化来判断某些因子的改变。然而在实际的测量中，不论是吸光度还是发光强度的测量，跟探测器的灵敏度有很大关系；在光致发光的检测中，激发光强度直接影响荧光和磷光的强度。除此之外，仪器对光的采集效率、环境光的干扰、杂质的发光等许多因素都会影响测量结果。因而，同一个样本，使用不同仪器测量得到的结果都会有差异。

为了排除上述各种误差，往往使用标准样本与待测样本在同样的测量条件下得到的结果进行比对，以排除仪器误差，或者制备工作曲线，以实现待测样本的定量分析。此外，由于仪器老化（如光源变弱）等因素，往往需要反复对仪器进行校正，这些都直接导致了操作过程繁琐，增加了人为误差，降低了测量结果的可重复性。在另外一方面，上述检测所依赖的仪器大多为大型仪器，不便于即时检测（POCT）。尽管近些年，发展出许多便携式的仪器设备，甚至许多检测可以在手机等智能硬件上实现，但是也没有改变检测光强的本质，因而依然存在仪器需要校正的问题。

时间分辨的发光检测在分析检测中也有很多应用（参考专利CN201210215872.0、CN201610166288.9、CN201610416029.7）。其中时间门控的检测在激发结束后经过一个延时再检测发光强度，这种方法可以去除短寿命的背景荧光干扰，具有很高的信噪比。然而其本质还是检测光强，仍然需要校正仪器。

另外一种时间分辨的检测是测量荧光或磷光的发光寿命，即激发态的寿命，通过检测发光的寿命来判断环境中某种因子的变化。检测发光寿命的一种方法是：使用脉冲光源激发样本，通过探测器检测样本的发光强度随时间的变化；对光强随时间衰减的曲线进行分析，获得寿命的长度。在单指数的衰减曲线中，寿命的长度定义为衰减为原先的1/e所需要的时间（参考文献Anal. Chem., 1990, 62, 270A–277A；Pure Appl. Chem. 2014,86, 1969–1998.）。

激发态的寿命是分子的固有性质，在大多数情况下，激发态寿命与激发光的强度无关，因而，同一个样本在不同仪器中测得的寿命值基本一致，就不需要单独对仪器进行校正。相对于检测光强，以激发态寿命作为检测依据可以排除仪器差异导致的误差，具有非常高的可靠性。

现有的寿命检测已经应用在荧光寿命成像中（参考文献Anal. Chem., 2017, 89,8104–8111），可以用于区分细胞、组织的结构。然而基于寿命检测还没有广泛应用到物质的分析检测中，最主要的原因是，现有检测寿命的仪器的价格昂贵，例如脉冲光源、时间相关的单光子计数器、条纹相机等探测器（参考中国专利CN201410353200.5、CN201310694918.6、CN201310027775.3）。另外一方面，上述各种测量寿命的设备很难做到小型、便携化，这都限制了寿命检测的应用和发展。

发明内容

为了降低测量寿命的仪器的成本，并使仪器小型化，以便于应用到及时检测中，本专利公开一种测量荧光寿命的方法，包括以下过程：

将样本固定于转盘上；

将激发光照射在转盘上的局部区域，用于激发样本；

用电机驱动转盘匀速转动，在转盘转动时，样本周期性经过激发光照射的区域，

与此同时，使用图像传感器对转盘进行拍照；

根据得到的照片，以像素点的灰度值代表光强，以像素点距离激发区域的弧度代表延迟时间，建立发光衰减曲线；根据现有的寿命计算方法对该衰减曲线进行分析，得到样本的发光寿命。

上述方法的原理如下：

激发光照射在转盘上的局部区域，使该区域处于激发区，即处于该区域的物质可以被激发光；

转盘在转动过程中，当样本转到激发区时，样本被激发；

随着转盘继续转动，样本转移到激发区外，此时的样本不受光照，但是持续发光，并且随着转盘持续转动，样本的持续发光在转盘的平面上形成一条发光的弧形轨迹，该弧形轨迹上的点的发光本质上是样本的延迟发光，并且，其延迟时间等于转盘转过相应的弧度所需要的时间；

在转盘匀速转动的情况下，上述延迟时间与发光点到激发点的弧长成正比；

通过对转盘进行拍照，可以得到发光的弧形轨迹的图像，在不过曝的条件下，图像中像素点的灰度值与光强成正比；

并且，各个发光点距离激发点的弧度值通过测量图像或软件分析获知；

电机的转速可以通过其它仪器预先测得，知道了转速，就可以确定弧度与延迟时间的关系，因而，根据弧形发光轨迹的图像可以建立发光衰减曲线，进一步拟合便可以得到发光寿命。

从上述原理可知，弧形发光轨迹位于激发区域外，是建立发光衰减曲线的关键。为了便于图像的处理，将激发光照射在转盘上的局部区域，该局部区域的形态优先选自单点、点阵、线型、扇形。根据现有的光学技术，可以构建这些不同形态的激发区域，例如：采用透镜聚焦的方法，可以将准直光聚焦于单点；采用柱面镜聚焦，可以将光聚焦成线；采用掩模板衍射的方法，可以使准直光束转变为点阵光；采用图案模版，可以使平行光束转变为图案型光束。

以上各种形态的激发区，单点激发可以用于单个样本的寿命测量，其它形态的激发区可以用于多个样本点寿命的同时测量。

其中多点寿命的测量中，每个样本点距旋转轴的距离不同，因而旋转半径不同，在旋转过程中，发光轨迹不会重叠；根据得到的弧形发光轨迹的照片，区分出不同样本点的旋转半径范围，以像素点的灰度值代表光强，以像素点距离激发点的弧度代表延迟时间，建立各个样本的发光衰减曲线；根据现有的寿命计算方法对该衰减曲线进行分析，可以得到各个样本的发光寿命。

根据同样的原理，本专利公开一种测量荧光寿命的方法，可以用于多个样本点的发光寿命测量，包括以下过程：

将多个样本点固定于转盘上，各个点距转轴的距离不同，因而旋转半径不同，在旋转过程中，发光轨迹不会重叠；

将激发光照射在转盘上的局部区域，该局部区域的形态优先选自点阵、线型、扇形；

用电机驱动转盘匀速转动，在转盘转动时，使用图像传感器对转盘进行拍照；

根据得到的照片，区分出不同样本点的旋转半径范围，以像素点的灰度值代表光强，以像素点距离激发点的弧度代表延迟时间，建立各个样本的发光衰减曲线；

根据现有的寿命计算方法对该衰减曲线进行分析，得到各个样本的发光寿命。

在上述的测量方法中，需要知道电机的转速，才能换算出弧度与时间的关系。电机转速可以通过现有的电机转速测量方法测得。在测量不同样本的时候，只要保持电机的驱动电压和负载不改变，就可以用这个恒定的转速换算出弧度与时间的关系。

然而在实际的即时检测中，很可能使用电池对马达进行供电，电池的电压会因为贮电量的消耗而下降，从而导致电机的转速与预测的转速不符，会降低测量的准确性。此外，转盘的质量不同，导致电机的负载不同，也会对电机转速产生影响。

针对这些问题，在前面的测量方法基础上，本专利公开一种优选的方法，其特征在于：

在多个样本点的寿命测量中，在转盘上选取一个点，标记上已知寿命的物质，作为参考样本点，根据该点的发光衰减曲线确定弧度与时间的关系。由于参考样本点的激发态寿命已知，因而其发光衰减曲线的时间维度可以推算出来；并由于同一转盘上的点在一次测量中共用一个时间维度，因而其它样本点的弧形发光轨迹上的延迟时间可以确定下来。

针对电机转速可能发生变化的问题，本专利公开另外一种优选的方法，其特征在于：

在前面的测量寿命方法基础上，使用声波探测器（如麦克风），将电机转动过程中产生的声波转化为电信号，对该电信号进行频率分析，即可测得电机转速。

使用声波检测电机转速的原理为：电机在旋转过程中，电机的转子会与空气产生摩擦，由于电机旋转是周期性的，因而摩擦也是周期性的；这种周期性摩擦会产生声波，并且声波的频率与电机转速成正比；声波中可能存在多个频率，其中基频和谐频占据很大的能量比重，基频等于电机转子转动的频率，因而通过测量声波的基频就可以得到电机的转速。

这种方法可以在复杂的情况下，实时确定电机转速，即使电机转速漂移，驱动电压或负载发生变化，也可以及时确定电机的转速，用于确定时间和弧度的关系。这种方法省去了参考样本的寿命测量，并且便于实现。现有的许多手机都有麦克风，并且有很多app都可以实现声波的傅立叶变换和频率分析，一些调音app可以直接测得声波的基频。

根据上述方法的类似原理，本专利公开一种等效的方法，其特征在于：

在前面的测量寿命方法基础上，

使用带有通光孔的转盘，并且照射在转盘上的一束光可以通过该通光孔，

使用光探测器检测通过该通光孔的激发光，将周期性通过的光转化为电信号，对该电信号进行频率分析，即可测得电机转速。

该方法原理为：如果激发光照射到光探测器上，就会使探测器产生光电流，然而光路被转盘隔断，只有通光孔转到激发光和探测器中间，才会使激发光通过；随着电机的转动，通光孔会周期性转到激发光和传感器的中间，因而探测器产生的光电流也是周期性的，并且其频率与电机转速成正比，因而通过计时计数器或者频率计测得该光电流的频率即可以知道电机的转速。

根据上述各种方法，本专利公开一种测量激发态寿命的装置，其特征在于：

包括光源、电机、转盘、图像传感器，

其中转盘通过电机轴连驱动，

光源选自单点光源、多点光源、线光源、准直光束光源，光源的光照射于转盘上，

图像传感器选自CMOS或CCD传感器，用于对转盘拍照。

为了能够实时确定电机转速，本专利公开一种优选的装置，其特征在于：还包括麦克风，用于检测电机转动产生的声波频率。

为了能够实时确定电机转速，本专利公开另外一种优选的装置，其特征在于：

转盘上有通光孔，

整个装置还包括光探测器，光探测器选自光电二极管、光电三极管、雪崩二极管；

并且，光源发出的一束光可以通过通光孔进入光探测器。

为了减少散射光干扰，在上述测量装置中，本专利公开一种优选的装置，其特征在于：图像传感器的镜头前还包括滤光片，以阻止光源的散射光进入传感器，增强信噪比。

为了降低样本非延迟发光的干扰，在上述测量装置中，本专利公开一种优选的装置，其特征在于：使用挡板挡住激发区域的像，以阻止激发区域的非延迟发光进入传感器。

为了使仪器小型化，在上述测量装置中，本专利公开一种优选的装置，其特征在于：图像传感器为手机内置的图像传感器。

上述公开的方法和装置实现了用稳态的光源测量激发态的寿命，具有显著的优势：

不需要昂贵的脉冲光源和探测器，不需要锁相控制，极大降低了寿命测量的成本；

所有零部件均可以小型化，可以做成便携的微型设备，便于即时检测应用；

可以同时检测多个样本的发光寿命，提高了检测的通量和效率，并有利于降低系统误差。

此外，对于发光较弱的样本，可以通过增加曝光时间以获得更长的发光轨迹，以增加测量的准确性。即使图像的背景因为曝光时间增加而显著增强，也不干扰寿命的测量，相对于检测光强具有显著的优势。

附图说明

图1为一种寿命测量装置，其中101为电机，102为转盘，103为光源，104为滤光片，105为手机。

图2为一种寿命测量装置，其中101为电机，102为转盘，105为手机，106为光源，107为麦克风。

图3为一种寿命测量装置，其中101为电机，102为转盘，105为手机，201为光源，202为透镜，203为反光镜。

图4为一种寿命测量装置，其中101为电机，102为转盘，103为光源，105为手机，301为二向色镜，302为光探测器。

图5为掺杂铒镱的纳米粒子的发光轨迹照片。

图6为掺杂铒镱的纳米粒子的发光轨迹照片的灰度分布图。

图7为各个旋转半径的灰度值随旋转角度的变化。本图根据掺杂铒镱的纳米粒子的发光轨迹照片统计。

图8为相同弧度的灰度总值随延迟时间的变化。本图根据掺杂铒镱的纳米粒子的发光轨迹照片统计。

图9为掺杂铥镱的纳米粒子的发光轨迹照片。

图10为掺杂铥镱的纳米粒子的发光轨迹照片。

图11为相同弧度的灰度总值随延迟时间的变化。本图根据掺杂铥镱的纳米粒子的发光轨迹照片统计。

图12为延迟荧光分子的发光轨迹照片。

图13为相同弧度的灰度总值随延迟时间的变化。本图根据延迟荧光分子的发光轨迹照片统计。

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。

实施实例1，一种寿命测量装置

如附图1所示，电机101驱动转盘102转动，光源103输出的光束照射在转盘102上，手机105的摄像头对转盘102进行拍照，滤光片104用于滤除激发光。

在该装置中，可以同时使用手机的麦克风对电机旋转产生的声波进行检测，以获得电机的转速。

实施实例2，一种寿命测量装置

如附图2所示，电机101驱动转盘102转动，光源106输出的线性光照射在转盘102上，线型光经过转盘中心，手机105的摄像头对转盘102进行拍照，麦克风107位于电机附近，通过导线与手机105的耳麦线插孔连接，用于将声波信号传到手机内部，用于信号分析。

相对于使用手机内置的麦克风，外置的麦克风可以更加贴近电机，更加有效的收集电机产生的声波。优选的，使用具有指向性的麦克风可以检测特定方向的声波，并减少外界声音的干扰。

实施实例3，一种寿命测量装置

如附图3所示，电机101驱动转盘102转动，光源201输出的光经过透镜202后，被反光镜203反射到转盘102上，线型光经过转盘中心，手机105的摄像头对转盘102进行拍照。其中反光镜在反射激发光的同时，也挡住了激发光和样本的非延迟发光，因而不需要额外滤光片也具有较低的成像背景。

本装置的光源201可以选自LED光源，与激光光源相比，LED光源成本更低，但是光的发射角较大，不易聚焦成点，通过反光镜将其集中照射一片区域，易于实现多样本点的寿命测量。

实施实例4，一种寿命测量装置

如附图4所示，电机101驱动转盘102转动，光源103输出的光被二向色镜301反射到转盘102上，转盘102上有一个通光孔，可以使激发光在某个时刻透过，并照射在光探测器302上，其中光探测器302选自硅光电二极管。转盘上样本的发光可以经过二向色镜301进入手机105的摄像头中。

该装置中，二向色镜可以降低激发光散射的干扰。光电二极管可以与计数器或示波器相连，用于探测电机的转速。

实施实例5，上转换发光寿命测量

使用实施实例1中的装置，其中光源选自功率约100mW的980 nm激光二极管，光源自带透镜，使出射的激光聚焦于转盘102上的一点，转盘为直径约25mm的滤纸片，通过双面胶粘到电机轴连的法兰盘上，滤光片104为400-700nm可透过的镀膜滤光片，用于滤除980 nm的散射光信号。电机101为新华通180PH-4225F直流电机。手机105为小米4手机。

使用滤纸做转盘的优势在于：滤纸轻薄，不需要太大的旋转力矩，有利于电机高速转动；滤纸还可以吸附各种发光样本，便于样本固定。

本实施实例分别测量了两种上转换纳米粒子的发光。其中一种粒子记作样本1，为掺杂铒镱的NaYF₄上转换纳米粒子，掺杂浓度：铒为2%，镱为18%；另外一种记作样本2，为掺杂铥镱的NaYF₄上转换纳米粒子，掺杂浓度：铥为2%，镱为18%。上述纳米粒子参考文献（Adv.Funct. Mater. 2006, 16, 2324–2329）的方法制备。

将样本固定于转盘上的过程为：用毛细管吸取粒子悬浮液，点样于滤纸转盘上一点，随着溶剂在滤纸中扩散，粒子沉积到一点上，再通过紫外胶固定。

样本1的测量：使用3v电压开启980nm激光，并使激光能够照射在样本1上；使用2v直流电驱动电机转动，用手机自带的拍照软件对转盘进行拍照，曝光时间设为1秒，感光度设为3200，得到的照片如附图5所示，可以明显看到粒子转动过程中的绿色发光轨迹，将照片导入到matlab软件中，选取照片的绿色通道，其灰度值分布如附图6所示，可以发现，随着发光轨迹的点远离激发点，灰度值显著下降。

以转盘中心为原点建立极坐标系，以像素点间距代表坐标轴的单位距离，统计同一个旋转半径上像素点的灰度值随旋转角度的分布，列举出其中一些统计结果如附图7所示，随着角度的增加，各个旋转半径上的点的灰度值呈指数衰减的趋势，符合发光衰减的规律。

通过手机的调音软件Fine chromatic tuner测得电机转动产生的声波频率为210Hz，即电机的转速为210转/秒，转一圈的时间为1/210秒，据此将角度换算成时间。并对同一角度下的灰度值进行加和，可得到的一条衰减曲线，如附图8所示，用软件对该曲线进行拟合，得到样本1的绿光发光寿命约125微秒。该数值符合铒离子激发态的寿命。

按同样的方法对样本2进行测量：使用1v电压驱动电机转动，得到的照片如附图9所示，测得电机声波频率为93Hz；使用2v电压驱动电机转动，得到的照片如附图10所示，测得电机声波频率为210Hz。

根据图9和图10，选取蓝色通道（因为铥的上转换发光为蓝光）进行处理，所得到的发光衰减曲线及拟合结果如附图11所示，

在不同电机转速下，测得的衰减曲线类似，并且拟合的寿命值接近，说明了这种方法的可重复性和可靠性。

实施实例6，多点发光寿命的同时测量

在附图1装置的基础上，使用405nm的激光器，激光器前端有相位掩模板，使输出的激光为满天星的光斑，将光斑聚焦于转盘上；滤光片为450 nm以上透过的长波通滤光片。

按照实施实例5的方法进行拍照测量。其中，样本为一种红色的延迟荧光材料：BTZ-DMAC（参考文献J. Mater. Chem. C., 2017, 5, 1363-1368）。使用紫外胶将该材料的少许粉末粘在滤纸转盘上，电机由一节18650电池驱动，对转动的滤纸片拍照，得到的照片如附图12所示，可以看到多个点具有弧形的发光轨迹。根据声波测得电机转速为350转/秒，选取附图12中的A、B两点，根据实施实例5的方法作出衰减曲线，结果如附图13所示，两点的发光符合单指数衰减，并且拟合的寿命值接近。

本实例中，各个样本点的材料一样，因而寿命一样，在实际测量中，各个点可以固定不同的样本，以获得高通量的寿命测量。

此外激发光源也可以采用线光源、面光源，只照射转盘的局部区域，也可以取得类似的技术效果。

Claims (10)

1.一种测量荧光寿命的方法，包括以下过程：

将样本固定于转盘上；

将激发光照射在转盘上的局部区域，用于激发样本；

用电机驱动转盘匀速转动，在转盘转动时，样本周期性经过激发光照射的区域，

与此同时，使用图像传感器对转盘进行拍照；

根据得到的照片，以像素点的灰度值代表光强，以像素点距离激发区域的弧度代表延迟时间，建立发光衰减曲线；根据现有的寿命计算方法对该衰减曲线进行分析，得到样本的发光寿命。

2.一种测量荧光寿命的方法，可以用于多个样本点的发光寿命测量，包括以下过程：

将多个样本点固定于转盘上，各个点距转轴的距离不同，因而旋转半径不同；

将激发光照射在转盘上的局部区域，该局部区域的形态优先选自点阵、线型、扇形；

用电机驱动转盘匀速转动，在转盘转动时，使用图像传感器对转盘进行拍照；

根据得到的照片，区分出不同样本点的旋转半径范围，以像素点的灰度值代表光强，以像素点距离激发点的弧度代表延迟时间，建立各个样本的发光衰减曲线；

根据现有的寿命计算方法对该衰减曲线进行分析，得到各个样本的发光寿命。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于： 在转盘上选取一个点，标记上已知寿命的物质，作为参考样本点，根据该点的发光衰减曲线确定弧度与时间的关系。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：使用声波探测器，将电机转动过程中产生的声波转化为电信号，对该电信号进行频率分析，即可测得电机转速。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

使用带有通光孔的转盘，并且照射在转盘上的一束光可以通过该通光孔，

使用光探测器检测通过该通光孔的激发光，将周期性通过的光转化为电信号，对该电信号进行频率分析，即可测得电机转速。

6.一种测量荧光寿命的装置，其特征在于：包括光源、电机、转盘、图像传感器；

其中转盘通过电机轴连驱动；光源选自单点光源、多点光源、线光源、准直光束光源，光源的光照射于转盘上；图像传感器选自CMOS或CCD传感器，用于对转盘拍照。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括麦克风，用于检测电机转动产生的声波频率。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：转盘上有通光孔，整个装置还包括光探测器；其中光探测器选自光电二极管、光电三极管、雪崩二极管；并且，光源发出的一束光可以通过通光孔进入光探测器。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于：图像传感器的镜头前还包括滤光片。

10.如权利要求6所述的装置， 其特征在于：图像传感器为手机内置的图像传感器。