CN110132907A - 光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学物质检测技术领域，可用于对物质的化学成分进行高灵敏度探测鉴别。本发明利用光纤或光纤束对脉冲激光进行引导以及对激发荧光进行传输，可让操作者手持光纤探头灵活地对待测物质进行检测；同时，本发明使用多个探测器同时探测不同波长下的荧光寿命及光谱信息，能对微弱的自发荧光光谱及荧光寿命进行高灵敏度的探测，具有探测精度高，探测速度快的特点。因此，本发明的提出为待测物质荧光寿命及荧光光谱的高灵敏度便捷测量提供了可行途径，将在生物学、医学、材料科学等研究领域及临床医学诊断方面具有重要应用。
Description
技术领域
本发明属于化学物质检测技术领域，可用于对物质的化学成分进行高灵敏度探测鉴别，将在生物学、医学、材料科学等研究领域及临床医学诊断方面具有重要应用。
背景技术
在生物、物理、化学和材料等学科领域，光谱检测及分析由于其非常高的灵敏度、分子特异性和非接触测量特性已经成为基础研究的一项基本的测量手段。在工业界，光谱检测和分析已广泛应用于各种污染物的成分检测、食品成分检测、工业原料成分检测、石油原油成分检测等等。在医学领域，荧光光谱技术和荧光显微成像技术为肿瘤和癌症的实时成像和检测提供了全新的方向，并且有望发展成为适用于临床诊断的医疗技术。由此可见，光谱检测技术是一种非常实用而且有前景的光学检测手段。
通常荧光测量或成像技术多数通过荧光强度的测量，容易受激发光强度、样品猝灭和荧光染料的分布和浓度等许多因素的影响，因此难以做到定量测量。而荧光寿命测量一般来说是绝对的，不受激发光强度、荧光团的浓度和光漂白等因素的影响，且不受其他限制强度测量因素的制约，仅与荧光团所处的微环境密切相关。因此，通过对样品进行荧光寿命测量可对被测物质所处的微环境的很多生化参数如pH值、离子浓度、温度等分布进行定量测量。另外，荧光寿命探测可与共聚焦显微、多光子荧光激发显微等多种成熟技术相结合，为生物医学及临床诊断提供全新的研究手段。由于荧光寿命和荧光光谱分别对荧光分子所处的微环境和荧光团分子的种类敏感。如果二者可以结合能够为生物医学检测和分析提供互补的功能信息，将在生物学、医学、材料科学等研究领域以及临床医学诊断方面产生重要的影响。
然而，目前市场上的荧光检测类仪器大多采用相机来对不同波长的荧光信息进行检测，存在灵敏度不高，使用不方便等问题。特别是对待测物质的自发荧光寿命进行测量时，其每个脉冲激发出来的荧光信号极其微弱，荧光寿命也极其短暂，因此基于相机测量荧光信息的光谱检测类仪器完全无法捕捉到如此微弱且短暂的荧光信息。而且在检测过程中，通常需要将待测物质取下来放到仪器中进行检测，不方便原位检测，检测过程也十分复杂。
发明内容
为了解决荧光寿命及光谱的高灵敏度探测，本发明提出了“光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法及传感器”。本发明利用光纤或光纤束对脉冲激光进行引导以及对激发荧光进行传输，可让操作者手持光纤探头灵活地对待测物质进行检测；同时，本发明使用多个探测器同时探测不同波长下的荧光寿命及光谱信息，不会因为使用光束延时技术造成信噪比降低，也不会因为多波长多次探测及滤波片的旋转影响探测的时间分辨率，为高精度实时检测奠定了基础。因此，本发明的提出为物质自发荧光的高灵敏度便捷测量提供了可行途径。
一方面，本发明提供一种光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法，其步骤为：
(a)通过激发光纤将脉冲激光传输并照射在待测物质上，所述激发光纤的一端接收由脉冲激光光源耦合进来的脉冲激光，另一端将脉冲激光导出并照射在所述待测物质上；
(b)将从所述待测物质激发出来的荧光通过收集光纤传输后利用分光系统分成N路，并对所分出来的每一路荧光用不同中心波长的带通滤光片对其进行滤光，各带通滤光片对应的中心波长为λ n ，带通宽度为δλ n ，其中，n=1, 2, …, N；
(c)使用N个光强探测器分别测量由所述各带通滤光片滤得的对应波长下随时间变化的荧光光强信息，数据分析后得到对应波长下的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱；
(d)通过对所述不同波长下待测物质的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱信息鉴别所述待测物质的化学成分。
另一方面，本发明还提供了光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，包括脉冲激光光源，以及激发光纤、收集光纤、分光系统、N个带通滤光片、N个光强探测器，信号采集器，计算机；其中激发光纤将脉冲激光传输并照射在待测物质上，收集光纤及分光系统将从所述待测物质激发出来的荧光收集并分成N路，N个带通滤光片分别将所述分成的N路荧光进行滤光，N个光强探测器分别探测由所述各带通滤光片滤得的对应中心波长下的随时间变化的荧光光强信息，所述信号采集器将所述各光强探测器测得的荧光光强信息转化后传输给所述计算机，由所述计算机分析得到荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱。
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1. 使用多个光强探测器同时探测不同波长下荧光的寿命，并基于此鉴别待测物质化学成分，显著提高了系统的鉴别速度及鉴别准确度；
2. 本发明同时探测待测物质在不同波长下的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱信息，信息量大，可显著提高鉴别准确度；
3. 利用光纤和光纤束对脉冲激光进行引导以及对激发荧光进行传输，提高了探测系统的灵活性，方便了该传感器在不同应用场景进行手持式操作；
4.本发明可用于自发荧光的高灵敏度测量，利用待测物质的自发荧光来检测其化学成分，在检测过程中无需使用荧光标记物，因此检测过程非常方便。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1. 本发明使用多个探测器同时探测不同波长下待测物质的荧光寿命及相对荧光强度谱信息，具有探测速度快、探测精度高的优势；
2. 多探测器同时测量可以消除各激光脉冲强度不稳定因素造成的测量精度受限问题；
3. 相比于空间自由光束传输的荧光探测系统，本发明采用光纤引导的方式来进行物质成分鉴别，使用灵活。
附图说明
图1为本发明光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法的示意图；
图2为本发明用光纤束替代激发光纤和收集光纤的示意图；
图3为本发明用光纤束替代激发光纤、收集光纤和分光系统的示意图；
图4为本发明用多光强探测器组替代N个光强探测器的示意图；
图5为本发明光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器的示意图；
图6为本发明利用准直透镜、分光镜和反射镜组成的分光系统的示意图；
图7为本发明利用准直透镜和光栅组成的分光系统的示意图；
图8为本发明光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测实施例的示意图；
其中：1-脉冲激光光源、2-激发光纤、3-待测物质、4-收集光纤、5-分光系统、6-第一滤光片、7-第二滤光片、8-第N滤光片、9-第一光强传感器、10-第二光强传感器、11-第N光强传感器、12-光纤束、13-多光强探测器组、14-信号采集器、15-计算机、16-准直透镜、17-第一分光镜、18-第二分光镜、19-反射镜、20-光栅、21-一号二向色分光镜、22-二号二向色分光镜、23-三号二向色分光镜、24-第三滤光片、25-第四滤光片、26-第一光电倍增管、27-第二光电倍增管、28-第三光电倍增管、29-第四光电倍增管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明利用从待测物质中激发出来的不同波长荧光的寿命来判断待测物质的化学成分，其基本思想是利用多个探测器对不同波长的荧光信息进行同时探测，显著提高系统的鉴别速度和精度；利用光纤引导激光和收集荧光，显著增强系统的灵活性，进而实现操作者手持光纤探测器对被测物质进行快速检测。
实施例1
本实施例需要解决的问题是鉴别待测白色粉末状物质是海洛因毒品还是面粉。本实施例使用四个光电倍增管作为光强探测器分别对从待测物质激发出来的400nm，450nm，530nm和580nm这四个波长的荧光信号进行探测，并根据所测得的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱信息来鉴别待测物质的成分。在本实施例将如附图1和5所示的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法及传感器实施为如附图8所示的装置，其对待测物质成分鉴别的步骤如下。
(a) 由脉冲激光光源1发出脉冲激光，该脉冲激光的波长为355nm，脉冲宽度为2ns。所发出的脉冲激光经过耦合镜耦合后进入芯径为400µm的激发光纤2。由激发光纤2将脉冲激光传输后输出，照射在待测物质3上。
(b) 脉冲激光照射到待测物质3上后激发出荧光，所激发出来的荧光由芯径为400µm的收集光纤4接收并传输。在收集光纤4的另一端，荧光光束输出后进入分光系统5。进入分光系统5的荧光由准直透镜16准直成平行光束，该平行光束经过一号二向色分光镜21后分成两路，其中反射光束的波长范围为360nm~430nm，透过光束的波长范围为430nm~700nm；从一号二向色分光镜21透过的光束经过二号二向色分光镜22后又分成两路，其中反射光束的波长范围为430nm~480nm，透过光束的波长范围为480nm~700nm；从二号二向色分光镜22透过的光束经过三号二向色分光镜23后又分成两路，其中反射光束的波长范围为480nm~550nm，透过光束的波长范围为550nm~700nm；从三号二向色分光镜23透过的光束经由反射镜19反射。
(c) 由一号二向色分光镜21反射的光束透过第一滤光片6后照射在第一光电倍增管26上。第一滤光片6的中心波长为400nm，带通宽度为10nm。因此由第一光电倍增管26接收的荧光的中心波长为400nm。由二号二向色分光镜22反射的光束透过第二滤光片7后照射在第二光电倍增管27上。第二滤光片7的中心波长为450nm，带通宽度为10nm。因此由第二光电倍增管27接收的荧光的中心波长为450nm。由三号二向色分光镜23反射的光束透过第三滤光片24后照射在第三光电倍增管28上；第三滤光片24的中心波长为530nm，带通宽度为10nm。因此由第三光电倍增管28接收的荧光的中心波长为530nm。由反射镜19反射的光束透过第四滤光片25后照射在第三光电倍增管29上；第四滤光片25的中心波长为580nm，带通宽度为10nm；因此由第四光电倍增管29接收的荧光的中心波长为580nm。
(d) 将第一光电倍增管26探测得到的中心波长400nm下随时间变化的荧光信息，第二光电倍增管27探测得到的中心波长450nm下随时间变化的荧光信息，第三光电倍增管28探测得到的中心波长530nm下随时间变化的荧光信息，以及第四光电倍增管29探测得到的中心波长580nm下随时间变化的荧光信息同时通过信号采集器14采集后传输给计算机15。计算机通过对这些不同中心波长下随时间变化的荧光信号进行处理，得到各波长对应的荧光寿命以及荧光峰值强度信息。其中，中心波长400nm对应的荧光寿命为10.5ns，荧光峰值强度为5.6µW；中心波长450nm对应的荧光寿命为7.3ns，荧光峰值强度为8.4µW；中心波长530nm对应的荧光寿命为13.3ns，荧光峰值强度为4.5µW；中心波长580nm对应的荧光寿命为6.7ns，荧光峰值强度为9.8µW。进而可以得到该待测物质3在400nm、450nm、530nm和580nm下的相对荧光强度谱为0.57:0.86:0.46:1。
(e) 根据面粉在各波长下荧光的荧光寿命：波长400nm对应的荧光寿命为9ns~13ns之间，波长450nm对应的荧光寿命为10ns~14ns之间，波长530nm对应的荧光寿命为12ns~15ns之间，波长580nm对应的荧光寿命为11ns~14ns之间；海洛因在各波长下荧光的荧光寿命：波长400nm对应的荧光寿命为8ns~11ns之间，波长450nm对应的荧光寿命为6ns~8ns之间，波长530nm对应的荧光寿命为13ns~16ns之间，波长580nm对应的荧光寿命为5ns~7ns之间；可以得到从待测物质3激发出来的荧光寿命信息与海洛因的荧光寿命完全匹配，因而可以判断该待测物质3为海洛因。同时，根据面粉在这四个波长荧光信息中峰值荧光谱为530nm，而海洛因在这四个波长荧光信息中峰值荧光谱为580nm，也可以进一步判断该待测物质3为海洛因。
如附图8所示，该实施例中的光纤传导型多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，包括脉冲激光光源1、激发光纤2、收集光纤4、分光系统5、第一滤光片6、第二滤光片7、第三滤光片24、第四滤光片25、第一光电倍增管26、第二光电倍增管27、第三光电倍增管28、第四光电倍增管29、信号采集器14和计算机15。在本实施例中，为提高光能利用率，用二向色分光镜作为附图6所述分光系统中的分光镜。因此，该分光系统5由准直透镜16、一号二向色分光镜21、二号二向色分光镜22、三号二向色分光镜23和反射镜19构成。由脉冲激光光源1发出脉冲激光，该脉冲激光经耦合镜耦合后进入激发光纤2。激发光纤2将脉冲激光传输后在另一端输出，照射在待测物质3上。从待测物质3中激发出来的荧光被收集光纤4接收并传输。在收集光纤4的另一端，荧光光束经输出后进入分光系统5进入分光系统的光束经准直透镜16准直后由一号二向色分光镜21、二号二向色分光镜22和三号二向色分光镜23分成不同波长带的四束。该四束荧光经过第一滤光片6、第二滤光片7、第三滤光片24和第四滤光片25滤光后得到四束中心波长不同的窄带光束，并分别被第一光电倍增管26、第二光电倍增管27、第三光电倍增管28和第四光电倍增管29探测接收。各光电倍增管将所探测得到的光强信息通过信号采集器14传输至计算机15。计算机15通过对不同波长下随时间变化的荧光信息进行处理得到各对应波长下的荧光寿命。将测得的各波长下的待测物质的荧光寿命和不同波长之间的相对荧光强度谱信息进行分析，鉴别出待测物质3的成分。
实施例2
与实施例1不同的是，如附图2所示，为提高荧光的收集效率，用光纤束12替代所用的激发光纤2和收集光纤4，利用光纤束12中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，利用光纤束中的其余六根光纤作为收集光纤收集从待测物质中激发出来的荧光。该六根光纤经过传输后在末端合并，将收集的荧光合到一起后进入分光系统5。
实施例3
与实施例1不同的是，如附图3所示，用光纤束12替代所述激发光纤2、收集光纤4和分光系统5，利用光纤束12中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，利用光纤束中的其余四根光纤作为收集光纤收集从待测物质中激发出来的荧光，经过传输后将这四根光纤分开。将这四根光纤传输出来的荧光分别通过四个滤波片得到四路不同波长的荧光。
实施例4
与实施例1不同的是，如附图4所示，用阵列光电倍增管探测器作为多光强探测器组替代所述使用的四个光电倍增管探测器，用阵列光电倍增管探测器中不同的探测单元分别探测得到不同波长的荧光信息。
实施例5
与实施例1不同的是，如附图7所示，分光系统由准直透镜16和光栅20组成，由准直透镜16将收集光纤4发出的光束准直，由光栅将准直后的光束进行分光，得到四路荧光光束。
所述实施例通过一系列的措施实现了对待测物质化学成分的鉴别，在鉴别过程中利用多个光强探测器对不同波长的荧光信息进行同时探测，显著提高鉴别速度和精度，并且方便在各种场合下操作者手持探头检测。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法，其特征在于：
(a)通过激发光纤将脉冲激光传输并照射在待测物质上，所述激发光纤的一端接收由脉冲激光光源耦合进来的脉冲激光，另一端将脉冲激光导出并照射在所述待测物质上；
(b)将从所述待测物质激发出来的荧光通过收集光纤传输后利用分光系统分成N路，并对所分出来的每一路荧光用不同中心波长的带通滤光片对其进行滤光，各带通滤光片对应的中心波长为λ n ，带通宽度为δλ n ，其中，n=1, 2, …, N；
(c)使用N个光强探测器分别测量由所述各带通滤光片滤得的对应波长下随时间变化的荧光光强信息，数据分析后得到对应波长下的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱；
(d)通过对所述不同波长下待测物质的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱信息鉴别所述待测物质的化学成分。
2.根据权利要求1所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法，其特征在于：所述步骤(d)中鉴别待测物质的化学成分时：通过所述待测物质在不同波长下的荧光寿命对所述待测物质的化学成分进行鉴别。
3.根据权利要求1或2所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法，其特征在于：用光纤束替代所述激发光纤和收集光纤：将光纤束中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，将光纤束中的其余M根光纤作为收集光纤收集从所述待测物质中激发出来的荧光；所述M根光纤经过传输后在末端合并，将收集的荧光合束后传输到所述分光系统。
4.根据权利要求1或2所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测方法，其特征在于：用光纤束替代所述激发光纤、收集光纤和分光系统：将光纤束中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，将光纤束中的其余N根光纤作为收集光纤收集从待测物质中激发出来的荧光，经过传输后将N根光纤分开，得到N路收集的荧光，并在随后由N个不同中心波长的带通滤光片对各路收集的荧光进行滤光。
5.光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，包括脉冲激光光源，其特征在于：所述传感器包括激发光纤、收集光纤、分光系统、N个带通滤光片、N个光强探测器，信号采集器，计算机；其中激发光纤将脉冲激光传输并照射在待测物质上，收集光纤及分光系统将从所述待测物质激发出来的荧光收集并分成N路，N个带通滤光片分别将所述分成的N路荧光进行滤光，N个光强探测器分别探测由所述各带通滤光片滤得的对应中心波长下的随时间变化的荧光光强信息，所述信号采集器将所述各光强探测器测得的荧光光强信息转化后传输给所述计算机，由所述计算机分析得到荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱。
6.根据权利要求5所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，其特征在于：用光纤束替代所述激发光纤和收集光纤：将光纤束中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，将光纤束中的其余M根光纤作为收集光纤收集从待测物质中激发出来的荧光；该M根光纤经过传输后在末端合并，将收集的荧光合束后传输到所述分光系统。
7.根据权利要求5所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，其特征在于：用光纤束替代所述激发光纤、收集光纤和分光系统：将光纤束中的其中一根光纤作为激发光纤传输脉冲激光，将光纤束中的其余N根光纤作为收集光纤收集从待测物质中激发出来的荧光，经过传输后将N根光纤分开，得到N路收集的荧光，并在随后由N个不同中心波长的带通滤光片对各路收集的荧光进行滤光。
8.根据权利要求5所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，其特征在于：用多光强探测器组替代所述使用的N个光强探测器：多光强探测器组由N个光强探测器组成，用多光强探测器组中的各光强探测器分别探测得到对应的荧光强度信息。
9.根据权利要求5所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，其特征在于：所述分光系统包括准直透镜、分光镜和反射镜：由所述准直透镜将光纤发出的光束准直，由所述分光镜将准直后的光束进行N-1次分光，由所述反射镜对光进行折转，得到N路荧光光束。
10.根据权利要求5所述的光纤传导多探测器分立光谱及荧光寿命探测传感器，其特征在于：所述分光系统包括准直透镜和光栅：由所述准直透镜将收集光纤发出的光束准直，由所述光栅将准直后的光束进行分光，得到N路荧光光束。
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