CN109100021A - 一种时间分辨的光谱和寿命测量模块及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量模块，该模块使用电机驱动受激发的样本在空间旋转，使不同延迟时间的发光信号在空间上分离，再通过透镜对微小空间进行放大，并选择特定的空间域进行观测，可以实现时间分辨的检测。将该模块和图像传感器结合使用，可以实现激发态寿命的测量；将该模块和光谱仪结合使用，可以用于时间分辨的光谱检测。根据光学成像的分辨率和现有电机的转速，该装置的时间分辨率可以达到纳秒级，可以满足大多数荧光寿命的测量。该方法可以使用各任意波长的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，具有较低的成本。

Description

一种时间分辨的光谱和寿命测量模块及装置

技术领域

本发明涉及时间分辨的光致发光的光谱和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

在光致发光现象中，分子受光照激发跃迁到激发态，激发态的分子可通过释放光子回到基态，即分子的荧光或磷光。分子的激发态存在寿命，即激发态的分子要在过一段时间之后才释放光子回到基态，且不同分子的激发态寿命各不不同，分子激发态寿命越长，其发光持续时间越长。通常情况下，分子的荧光寿命在纳秒级，磷光寿命可以达到微秒级以上。延迟荧光分子，其寿命也可以达到微秒级甚至毫秒级。

在荧光和磷光的测量中，一般需要构建两个光路：光路一是激发光路，即激发光照射样品的光路，其目的是使样品中的分子受光照激发；光路二是探测光路，即样品发光到达探测器的光路，其目的是探测样品发光的光谱、强度等信息。在稳态的测量过程中，光路一和光路二同时打开，即激发光一直照射样品的条件下测量，这种方式可以获得样品发光光谱和强度的信息，但是不能得到样品激发态寿命的信息。

随着科学的发展，分子的激发态研究在基础科学和检测应用中越来约重要。为了获得分子激发态寿命的信息和时间分辨的光谱，人们发展了瞬态光谱仪。瞬态光谱仪，包括瞬态吸收和瞬态荧光光谱仪，在光物理光化学的研究中有重要应用。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）为了实现时间分辨的测量，通常需要在关闭激发光路之后打开探测光路，即在停止激发后，测量样品的发光。基于这样的思路，人们发展了许多测量延迟发光的方法和仪器。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）其中比较常用的方法是采用脉冲光源激发，一个周期中，光照时间很短，其余时间的发光信号即为延迟发光信号；利用时间相关的单光子计数器可探测样品发光强度随时间变化的曲线。另外一种常用的方法也是采用脉冲光源，用具有门控功能的高速相机（ICCD）、条纹相机等探测延迟发光信号。这些超快光源和高速相机的价格非常昂贵（参考中国专利CN201410353200.5、CN201310694918.6、CN201310027775.3），很难普及。

为此，人们发展了一些检测方法以降低时间分辨检测的成本。例如，专利US6839134B2、CN205080051U和CN106066317A公开了使用一个斩波器同时控制激发光路和探测光路的方法，不使用激光器、高速相机、TTL控制也可以实现延迟发光的探测。

然而就公开的技术中，现有的机械斩波器的转速在200转/秒以下，尽管一些研究中的电机转速可以达到2000转/秒以上，但是其负载有限，限制了基于电机旋转的时间分辨检测方法的时间分辨率，对于激发态寿命在微秒级以下的材料还难以检测。

专利（CN201710042628.1）公开了一种用于流体延迟发光的探测方法，借助流体的运动以转移样本的位置，实现时间分辨的检测，然而流体的流速有限，需要很大的压力和很细的管道实现流体的高速流动，这种方法还难以实现微秒延迟的探测。

专利（CN201711110647.X）公开了一种使用图像传感器测量寿命的方法，不需要脉冲和锁相控制，具有超低的成本，然而在现有电机技术情况下，其时间分辨率很难达到微秒以下。

发明内容

本专利为专利（CN201711110647.X）的一种重要改进，都使用电机驱动受激发的样本在空间旋转，使不同延迟时间的发光信号在空间上分离，将时域信息转换为空间域信息进行探测。本专利的改进之处在于采用光学放大系统对微小区域的空间进行放大观测，在相同的电机转速下，本专利公开的技术可以将时间分辨率提高几十倍以上，实现纳秒的级的时间分辨率。

为达到上述目标，本专利公开一种测量模块，该模块可以结合图像传感器、光电探测器、光谱仪等现有的光学测量仪器使用，用于时间分辨的光谱检测和寿命检测。

该模块包括电机、转盘、物镜、二向色镜、针孔、光源；

其中光源射出的光经过针孔，被二向色镜反射，再经过物镜聚焦于转盘上；

转盘由电机驱动转动；

待测样本置于转盘上，其发出的荧光或磷光经过物镜后，透过二向色镜，可以被探测。

一种优选的测量模块，其特征在于：光源选自准直光源。

一种优选的测量模块，其特征在于：物镜选自显微镜物镜。

一种优选的测量模块，其特征在于：转盘由电机轴连驱动转动。

另外一种优选的测量模块，其特征在于：转盘与齿轮轴连，电机与另一个齿轮轴连，并且电机上的齿轮与转盘上的齿轮啮合。这种方案的优势在于，在电机负载足够大的前提下，可以通过不同齿数的齿轮啮合，以获得更高的转盘转速。

将上述模块用于寿命测量的方法为：使用透镜将透过二向色镜的样本发光聚焦于图像传感器上，拍摄样本发光的像，对样本发光的照片进行分析，建立发光随时间的衰减曲线，拟合可以获得寿命。

具体的原理同专利（CN201711110647.X）一致：

激发光聚焦于转盘上一点，该点为激发点，当样本在该点上时，可以被激发，

又由于转盘的转动，使得样本被激发后转离激发点，并持续发光，

即通过转盘转动，使样本的延迟发光在激发点之外的空间释放，

随转盘的转动，样本的发光轨迹成弧形，

通过物镜，将样本的弧形发光轨迹成像于图像传感器上，即可以得到发光轨迹的照片；

该照片中，某一点的发光强度与该点的灰度值正相关，其延迟时间与该点距离激发点的弧长相关，电机是匀速转动，因而，知道了电机转速和样本的旋转半径，即可以计算出各个发光点的延迟时间。从而可以建立发光随时间的衰减曲线，进而拟合得到寿命。

为了能够实时确定电机转速，本专利公开另外一种优选的测量模块，其特征在于：

在前面公开的模块基础上，模块中的转盘上有通光孔，

此外，模块还包括一个小型光源和光探测器，

小型光源选自LED或激光光源，

光探测器选自光电二极管、光电三极管、雪崩二极管；

并且，上述小型光源和探测器以及转盘的的位置关系为：光源发出的光可以通过转盘的通光孔进入光探测器，即探测器用于检测通过通光孔的光。

该模块测量电机转速的原理为：如果小型光源的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探测器的中间，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、示波器等设备测得该光电流的频率即可以知道电机的转速。

根据前面论述的原理，本专利公开一种寿命测量装置，其特征在于，包括前面的模块，并包括图像传感器和相应的透镜；并且，样本的发光经过物镜、透过二向色镜、经过透镜聚焦于图像传感器中。

从测量的原理可知，该方法本质上是将时域的发光衰减信息转换为空间域的发光强度信息，弧长与延迟时间成正比，因而，要获得尽可能高的时间分辨率，就得尽可能提高样本的运动速度和成像的空间分辨率。在上述模块中，物镜具有聚光作用，因而可以将图像放大，此外，图像传感器的透镜也可以使图像进一步放大。这种由2个透镜构成的光学放大系统在显微镜中广泛使用，可以使图像放大几百至上千倍。经过放大的图像具有更高的空间分辨率，空间分辨率的提高直接提高了时间分辨率，相对于没有物镜的测量装置，时间分辨率可以提高成百上千倍。理论上，这种方法的时间分辨率可以达到光学显微镜的空间分辨率极限。

光学显微成像的空间分辨率决定着可以区分出两个发光点的最小距离d，该距离可以认为是光学成像的衍射极限。

由于延时时间与距离成正比，因而时间分辨率的计算公式为：d/v；其中v为样本的运动速度。

假设转盘转速为k，样本的旋转半径为r，根据圆周长计算公式，样本的运动速度v=2πkr，

因而时间分辨率的计算公式为：d/(2πkr)。

如果转盘转速为500转/秒，旋转半径为4/π cm，d=400 nm，则时间分辨率为10ns，即10ns发生的光强变化可以被图像传感器所记录，足以用于测量寿命在几个纳秒以上的发光。这样的时间精度远远超过了一般的机械斩波器所能达到的时间分辨率，甚至超过一些光电二极管和高速相机的时间精度。如果使用转速超过2000转/秒的电机，旋转半径超过10/π cm，则时间分辨率可以达到1 ns，实现亚纳秒级的寿命测量，可测量大多数的荧光寿命。

相对于单光子计数器、条纹相机测寿命的方法，上述方法不仅不需要高速探测器，还不需要超快光源，显著降低了成本。

由于激发态随时间成指数衰减，因而，样本的非延迟发光的强度可能远高于延迟发光，这会造成激发点的发光过强，并可能干扰延迟的发光的探测。为了降低样本非延迟发光的干扰，在上述装置中，调节光源和针孔的位置，或者调节二向色镜的反射角度，又或者调节图像传感器的位置以调节视野范围，使激发光聚焦于视野之外，并使延迟发光的轨迹落在视野范围中，这样可以显著降低激发光散射和样本的非延迟发光的信号，提高检测信噪比。

根据上述模块的工作原理，电机驱动受激发的样本在空间高速转动，使得不同延迟时间的辐射弛豫光信号在空间上得以分离，因而选测测量某个空间域中的光信号就可以实现时间分辨的光谱测量。具体方法为：选择性将样本发光轨迹中的某一段的光信号收集到光谱仪中，即是选择性对样本某个时域的发光信号进行测量；这段发光轨迹的光信号的一部分会先后透过模块中的物镜、二向色镜，将这个信号光收集到光谱仪中，即可以测得样本的发光光谱。

根据这个方法，本专利公开一种光谱测量装置，其特征在于，包括前面的模块，并包括光阑和光谱仪；

其中光谱仪用于探测透过二向色镜的样本发光，即光谱仪的进光口对着二向色镜和物镜的后方；光阑位于该光路上的二向色镜和光谱仪之间。

通过调节光阑的位置和光阑的大小，可以选择只让某一段发光轨迹的发光通过。根据前面论述的测量原理，空间域的发光信号跟延迟时间有必然联系，并且可以定量换算，因而通过空间域的选择可以实现延迟时间和积分时间的调节，从而实现时间分辨的光谱测量。所用的光谱仪使用现有的商业光谱仪即可，既可以是单色仪和光电探测器构成的光谱仪，也可以是线阵或面阵图像传感器构成的摄谱仪。

实际所用的光谱仪的体积可能较大，不便于位置的调节，因而本专利公开一种优选的光谱测量装置，其特征在于，除了包括前面的测量模块、光阑、光谱仪之外，还包括光纤和光纤准直透镜。

其中光纤准直透镜对准显微镜物镜的后面，用于将透过二向色镜的样本发光聚焦到光纤中，再通过光纤，将光信号导入到光谱仪的进光口；光阑位于该光路上的二向色镜和准直透镜之间。

根据上述所有装置，为了降低散射光干扰，一种优选的装置如下：二向色镜和探测器之间有带通滤光片，选择性使需要检测的波段的光透过。

为了能够同时测量发光的光谱和寿命，本专利公开如下优选装置：

包括前面所属的测量模块，还包括光阑、半反半透镜、光纤、光纤准直透镜、光谱仪、图像传感器、透镜；

其中，从测量模块射出的光经过光阑，照射在半反半透镜上，一部分反射，另外一部分透射，这两路光中，其中一路经过透镜聚焦于图像传感器上，用于成像和寿命测量，另外一路光经过光纤准直透镜耦合到光纤中，将该光纤另外一段连接光谱仪即可探测光谱。

为了实现多点同时测量，可以用针孔阵列代替模块中的针孔。

附图说明

图1为一种寿命测量装置，其中101为光源，102为针孔，103为二向色镜，104为物镜，105为电机，106为转盘，107为图像传感器，108为镜头。

图2为寿命测量的示意图，其中201为激发点，202为发光轨迹。

图3为发光衰减曲线示意图。

图4为一种寿命测量装置，其中101为光源，102为针孔，103为二向色镜，105为电机，106为转盘，107为图像传感器，108为镜头，109为显微镜物镜，110为滤光片。

图5为一种寿命和时间分辨光谱测量装置，其中101为光源，102为针孔，103为二向色镜，105为电机，106为转盘，107为图像传感器，108为镜头，109为显微镜物镜，111为光阑，112为半反半透镜，113为光纤准直透镜，114为光纤，115为光谱仪。

图6为一种测量模块，其中101为光源，102为针孔，103为二向色镜，105为电机，109为显微镜物镜，116为转盘，117为通光孔，118为小型光源，119为光探测器。

图7为一种测量模块，其中101为光源，102为针孔，103为二向色镜，105为电机，109为显微镜物镜，120为转盘，121为大齿轮，122为小齿轮。

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1，一种寿命测量模块和装置

如附图1所示，光源101输出的光经过针孔102，再被二向色镜103反射，经过物镜104聚焦于转盘106上一点，转盘上覆盖有样本，当电机105驱动转盘转动时，样本的延迟发光会在激发点之外的区域释放，一部分发光会经过物镜104、二向色镜103，再被镜头108聚焦于图像传感器107中。

其中光源101、针孔102、二向色镜103、物镜104、电机105、转盘106构成测量模块，在本实施实例中该模块与图像传感器107和镜头108配合使用。

在寿命测量的过程中：

电机驱动转盘匀速转动，如附图2所示；

转盘上固定有样本，因而样本会随转盘转动；

从针孔透过的光聚焦与转盘上一个点，如附图2所示，称该点为激发点201；

样本经过激发点被激发，然后辐射弛豫释放光子，其中延迟辐射的光子会在激发点之外释放，这样就形成如附图2所示的发光轨迹202，该发光轨迹为弧形，在匀速转动条件下，轨迹的弧长与延迟时间成正比；

电机的转速可以通过电路控制，知道电机转速，就可以计算轨迹202上各个发光点的延迟时间；

通过图像传感器对轨迹进行拍照，即可以得到各个发光点的相对亮度；

以发光亮度对延迟时间作图即可以得到发光衰减曲线，如附图3所示，根据本领域已知的公式和方法对曲线拟合即可以得到发光的寿命值。

该方法的基本原理与先前的专利（CN201711110647.X）一致。

由于图像传感器的像素是有限的，即一张图像上只能容纳有限个数的发光点，因而物镜放大倍数越高，则视野越小，则时间分辨率越高。相对于之前的专利（CN201711110647.X），使用物镜可以将视野放大几十倍以上，甚至达到光学成像的衍射极限，因而时间分辨率可以提高几十倍以上。结合高速电机的使用，可以测量纳秒级的发光寿命，具有显著的优势。

此外，调节图像传感器107和镜头108的水平位置，可以选择合适的视野区域进行观测，可以避开散射光和非延迟发光的干扰。如附图2所示，在转盘上圈了2个区域，代表图像传感器在不同水平位置下观察到的视野。

其中视野1包含激发点，激发点的光会散射在周围，可能会使背景增高，不利于观察弱光的样本。通过调节图像传感器的水平位置，可以使观测区域移到视野2处，视野2中避开了激发点，因而具有较低的背景。

附图3代表了样本的发光强度随延迟时间的变化，其中A时间段的亮度变化代表视野1中的发光轨迹，B时间段的亮度变化代表视野2中的发光轨迹。

根据类似的原理，可以调节二向色镜103的倾斜角度，或者调整光源101和针孔102的位置，使激发点聚焦到观测视野之外，也可以降低散射光和非延迟发光的干扰。

实施实例2，一种寿命测量装置

如附图4所示，光源101输出的光经过针孔102，再被二向色镜103反射，经过显微镜物镜109聚焦于转盘106上一点，转盘上覆盖有样本，当电机105驱动转盘转动时，样本的延迟发光会在激发点之外的区域释放，一部分发光会经过显微镜物镜109、二向色镜103和滤光片110，再被镜头108聚焦于图像传感器107中。

根据具体样本的发光波长，可以选择合适的滤光片110，如带通、长波通、短波通等以降低散射光干扰。

该装置测量寿命的原理与实施实例1一致。

实施实例3，一种寿命和时间分辨光谱测量装置

如附图5所示，光源101输出的光经过针孔102，再被二向色镜103反射，经过显微镜物镜109聚焦于转盘106上一点，转盘上覆盖有样本，当电机105驱动转盘转动时，样本的延迟发光会在激发点之外的区域释放，一部分发光会经过显微镜物镜109、二向色镜103，从光阑111射出，然后，半反半透镜112使这一束光的一部分透过，一部分反射，其中透过的光被镜头108聚焦于图像传感器107中，反射的光经过光纤准直镜113和光纤114进入到光谱仪115中。

该装置测量寿命的原理与实施实例1一致。

其中光阑111的大小和水平位置可以调节，以调节视野的大小和区域，以选取发光轨迹中的某一段，用于寿命和光谱测量。其中所得到的光谱代表着该段发光轨迹上所有发光点的总的光谱，即类似于时间门控的光谱，其延迟时间和门控时间均可以根据发光点距离激发点的弧长计算出来。

此外，半反半透镜112可以被其它透反比例的滤光片代替。

实施实例4，一种测量模块

如附图6所示，光源101输出的光经过针孔102，再被二向色镜103反射，经过显微镜物镜109聚焦于转盘116上一点，转盘116上有通光空117，小型的光源118射出的光经过通光孔117照射在光探测器119上。光探测器选自光电二极管，可与示波器连接，用于实时地准确测量电机转速，以便准确计算弧长和延迟时间的关系。

实施实例5，一种测量模块

如附图7所示，光源101输出的光经过针孔102，再被二向色镜103反射，经过显微镜物镜109聚焦于转盘120上一点，转盘120下面与一个小齿轮122轴连，小齿轮122与大齿轮121啮合，大齿轮121与电机105轴连。

在寿命测量的方法中，电机的作用是提供高的转速，使样本的线速度尽可能高，从仪器的结构上，转盘和微量的样本对电机的负载非常小，因而，可以通过齿轮组合成倍提高转速，使时间分辨率进一步提高。

该模块同样适用于寿命测量和时间分辨光谱的测量。

Claims (10)

1.一种测量模块，其特征在于：该模块包括电机、转盘、物镜、二向色镜、针孔、光源；

其中光源射出的光经过针孔，被二向色镜反射，再经过物镜聚焦于转盘上；转盘由电机驱动转动；待测样本置于转盘上，其发出的荧光或磷光经过物镜后，透过二向色镜，可以被探测。

2.如权利要求1所述的测量模块，其特征在于：光源选自准直光源。

3.如权利要求1所述的测量模块，其特征在于：物镜选自显微镜物镜。

4.如权利要求1所述的测量模块，其特征在于：转盘由电机轴连驱动转动。

5.如权利要求1所述的测量模块，其特征在于：转盘与齿轮轴连，电机与另一个齿轮轴连，并且电机上的齿轮与转盘上的齿轮啮合。

6.如权利要求1所述的测量模块，其特征在于：转盘上有通光孔，此外，模块还包括一个小型光源和光探测器；其中，小型光源选自LED或激光光源，光探测器选自光电二极管、光电三极管、雪崩二极管；

并且，上述小型光源和探测器以及转盘的的位置关系为：光源发出的光可以通过转盘的通光孔进入光探测器，即探测器用于检测通过通光孔的光。

7.一种寿命测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一种模块，并包括图像传感器和相应的透镜；并且，样本的发光经过物镜、透过二向色镜、经过透镜聚焦于图像传感器中。

8.一种光谱测量装置，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一种模块，并包括光阑和光谱仪；

其中光谱仪用于探测透过二向色镜的样本发光，即光谱仪的进光口对着二向色镜和物镜的后方；光阑位于该光路上的二向色镜和光谱仪之间。

9.如权利要求8所述的光谱测量装置，其特征在于，还包括光纤和光纤准直透镜；

其中光纤准直透镜对准显微镜物镜的后面，用于将透过二向色镜的样本发光聚焦到光纤中，再通过光纤，将光信号导入到光谱仪的进光口；光阑位于该光路上的二向色镜和准直透镜之间。

10.一种光谱和寿命测量装置，其特征在于：包括如权利要求1至6中任意一种模块，还包括光阑、半反半透镜、光纤、光纤准直透镜、光谱仪、图像传感器、透镜；

其中，从测量模块射出的光经过光阑，照射在半反半透镜上，一部分反射，另外一部分透射，这两路光中，其中一路经过透镜聚焦于图像传感器上，用于成像和寿命测量，另外一路光经过光纤准直透镜耦合到光纤中，将该光纤另外一段连接光谱仪即可探测光谱。