CN111122540A - 基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统 - Google Patents

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刘厚权
陈明
杨宏艳
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徐荣辉
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苑立波
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Abstract

本发明提供的是一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统。其特征是：它由脉冲激光器1、单模传输光纤2、光耦合器3、多通道结构光纤探针4、长波通滤波片6、色散分光器件7、单光子探测器系统8、时间相关单光子计数系统9和数据处理系统10组成。本发明可用于微量样品、活体组织、毛细血管以及细胞的连续测量和分析，可广泛用于食品，医药以及生物等领域。

Description

基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统，可用于微量样品、活体组织、毛细血管以及细胞的连续测量和分析，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
随着社会和科技的发展以及人类对微观世界的认识和改造日益深入，对于微量物质的探测和分析越来越受到关注。而光纤探针结合光学探测系统的使用为样品的快速、无损以及微量的检测提供了有效的途径。
在光学探测系统中引入光纤探针后,可以通过光纤将激发光从光源引出并与被测物质相互作用产生被激发的、携带物质信息的光信号(如拉曼光信号以及荧光信号等),这些被激发的光信号又可经光纤的收集和传输,输出至光电检测和数据分析系统。这极大地简化了传统光电检测仪器的光学系统,使得在线、实时和活体分析、现场监测以及多点分布测量成为可能。光纤探针抗干扰、抗化学腐蚀能力强，可在恶劣环境中使用，同时在使用时可不必考虑测量仪器与被测物的相对位置，使用灵活。此外，光纤探针体积小巧、成本低，能直接插入微量样品、活体组织、毛细血管和细胞，可对微小物质或样品进行连续的测量和分析。结合光纤探针的使用，传统的光电探测方法产生了多种应用场景，被广泛应用于化学、生物、医学、环保等领域。因此，对于高性能光纤探针探测系统的研究和设计，获得具有自主知识产权的新型光纤探针设计及其探测方法，对促进新型光电检测手段的发展及其在食品，医药以及生物等领域的应用具有十分重要的意义。
光纤探针有着易于小型化、使用灵活、抗电磁干扰强、成本低等优点，然而在使用过程中，光纤探针及其系统也存在着困难和挑战。由于光纤探针用于传输光信号的纤芯非常小，且在光纤端面不易对光路进行聚焦，这导致探针对所测物质的光激发和收集效率受到限制；此外，当光纤探针被用于微量物质，或者是极小颗粒(如细胞)的测量时，被激发的探测光信号受到被测物尺寸的影响，极为微弱，给探测造成了很大的困难。同时，由于光纤探针的探测光信号中会有多种类型光信号互相干扰(包括光纤本身的散射光信号，以及测量物质与其环境被激发的光信号)，使得光纤探针后向激发的探测光的收集和处理成为设计光纤探针探测系统的最大挑战之一。
为了增强光纤探针(特别是无标记光纤探针)及其系统的探测能力，研究人员提出并验证了多种方法，包括：在数据测定开始前用激光或试剂对样品进行处理，漂白/降低被测区域表面的荧光影响，但是这种方法复杂，人力成本高，且无法适用于体内探测；使用多根光纤对激发以及探测光信号进行分离以缓解光纤内部散射光信号的影响，然而多根光纤的使用使得探针的体积成倍增加；使用相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-StokesRaman Scattering,CARS)或者受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)方法增强拉曼信号的探测，然而这些方法只能测量单一的振动频率，虽然可高效的对特定分子进行检测，但这也使得其在检测多个拉曼位移谱线时相当复杂；使用克尔门控件，但是这种方法要求较高的激光脉冲能量，易造成样品的破坏，此外，由于偏振旋转不完全以及光学器件的制作缺陷，克尔门的光透射率在打开和关闭状态下的差别较大，容易引起测量误差；在光纤端面镀上金属颗粒以获得表面增强拉曼散射(Surface EnhancedRaman Scattering,SERS)，然而金属颗粒的使用增加了光纤探针的制造复杂程度，增加了成本，同时其也可能改变被测物的性质，对药品，细胞以及生物组织的探测造成影响。以上现有的提升光纤探针探测能力的设计，除了所述的局限外，只能对一种类型的光信号进行收集和优化，无法实现测量物质的多功能探测和分析。
本发明公开了一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统，可用于微量样品、活体组织、毛细血管以及细胞的连续测量和分析，可广泛用于食品，医药以及生物等领域。该发明结合时间相关单光子计数(Time-correlated Single Photon Counting,TCSPC)技术，利用不同类型探测光信号在发射时间上的特性差异，将混杂的后向激发的探测光信号(主要为瑞利、拉曼散射和荧光信号)进行探测、分离和处理，以进一步提高弱后向激发的探测光信号的信噪比，同时实现对所测物质的多功能分析(拉曼光谱，荧光光谱和荧光寿命分析)。此外，它采用多通道结构光纤在单根光纤中实现激发和探测通道相分离以解决光纤本身的散射光信号对探测信号的干扰问题。该系统在不改变光纤探针体积的情况下，很大程度上避免了光纤内部的散射对探测的影响，同时可有效将混杂的探测光信号进行分离，从而实现更高的探测灵敏度和信噪比以及对被测物的多功能分析，使其具有更加广泛的应用前景。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统。
本发明的目的是这样实现的：
该基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统。其特征是：它由脉冲激光器1、单模传输光纤2、光耦合器3、多通道结构光纤探针4、长波通滤波片6、色散分光器件7、单光子探测器系统8、时间相关单光子计数系统9和数据处理系统10组成。当所述系统对物质进行检测时，脉冲激光器1产生脉冲光信号分别通过单模传输光纤2和光耦合器3输入多通道结构光纤探针4的外围纤芯传输，并在其光纤端面汇聚以对测试样品5进行高效激发。与此同时，脉冲激光器1输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数系统9进行计时。测试样品5被脉冲光信号激发并且发出包括弹性散射，拉曼散射以及荧光在内的混合探测光信号。混合探测光信号将通过多通道结构光纤探针4的中心纤芯进行传输并通过光耦合器3出射至长波通滤波片6。混合探测光信号经过长波通滤波片6去除弹性散射光信号后，入射至色散分光器件7进行波长选择，单光子探测器8在微位移电机的控制下分别对不同波长的光信号进行探测。在脉冲激光器1发出脉冲激光后，当吸收一个光子后，单光子探测器8会输出一个脉冲信号，使时间相关单光子计数器9停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和混合探测光信号之间的一个时间间隔并输出至数据处理系统10。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器9会记录到一系列的时间间隔，并输出至数据处理系统10进行数据处理。数据处理系统10将混合探测光信号中的拉曼散射信号和荧光信号进行分离，并分别进行拉曼光谱分析，同时也可以对荧光信号进行荧光寿命分析以实现对被测物质的多功能测量。
所述系统中的光耦合器3可以是以下光纤耦合系统中的一种：针对围绕中心纤芯的对称分布的多芯光纤，光纤中每个纤芯的输出或输入光波被透镜准直后被光纤准直器接收，然后输入与其相连接的单模光纤中，实现各通道的光注入或者光信号收集；针对具有同心圆环形纤芯的同轴双通道光纤，耦合方式为标准单模光纤和多芯光纤分别侧抛，然后将二者的侧抛面相贴合并固结在一起，从而可以实现标准单模光纤内传输的光向光纤的边芯的耦合。同时使用纤芯匹配的普通单模光纤与多芯光纤进行熔接，以实现探测光信号在多芯光纤的中心纤芯中的传输。
所述系统中的多通道结构光纤探针4可以是围绕中心纤芯的对称分布的多芯光纤或者具有同心圆环形纤芯的同轴双通道光纤中的一种。多通道结构光纤探针4中的外围纤芯(或者是环形纤芯)用于传输脉冲光源1发出的脉冲光信号，其中心纤芯则用于传输测试样品5被脉冲光信号激发并且发出的混合探测光信号。通过这个方式使得激发光信号与探测光信号的传输通道分离，缓解相互干扰。此外，多通道结构光纤探针4的光纤端面被进行研磨等微加工，形成圆锥体形状，使得外围纤芯中所传输的激发光信号经过锥体圆台的反射后交汇在光纤端面，从而形成强聚焦光场用于高效激发测试样品5。
所述系统中的单光子探测器系统8可以是微位移电机结合光电倍增管、超导单光子探测器或者半导体单光子探测器中的一种探测器组成的单光子探测器系统。
所述系统中的数据处理系统10将时间相关单光子计数器9会记录到一系列的时间间隔进行处理，得到与混合探测光信号发射时间相关的光子计数(光强)分布直方图。数据处理系统10将对所探测到的混合光信号中通过对这个直方图数据进行处理和分析，利用混合探测光信号中的拉曼散射光发射、弛豫时间和荧光的发射时间的差异，在时域上进行分离和处理，分别进行拉曼光谱、荧光光谱以及荧光寿命的多功能测量和分析。
(四)附图说明
图1是基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统的结构示意图。由脉冲光源1、单模传输光纤2、光耦合器3、多通道结构光纤探针4、长波通滤波片6、色散分光器件7、单光子探测器系统8、时间相关单光子计数系统9和数据处理系统10组成。
图2是基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统的实施例示意图。由脉冲光源21、单模传输光纤22、光耦合器23、多通道结构光纤探针24、长波通滤波片26、色散分光器件27、单光子探测器系统28、时间相关单光子计数系统29和数据处理系统210组成。
图3是经过多个激光脉冲周期后，时间相关单光子计数器9记录的一系列时间间隔，通过数据处理系统10进行处理后，得到的与混合探测光信号发射时间相关的光子计数(光强)分布直方图的示意图。
图4(a)是经过多个激光脉冲周期后，数据处理系统10将数据处理后，得到的混杂的探测光信号的光强在时域上的分布情况，而图4(b)是混合探测光信号中的拉曼散射信号和荧光信号的分布情况示意图。
图5是将混杂的探测光信号在时域上进行分离并且分别进行拉曼光谱，荧光光谱以及荧光寿命的多功能测量的示意图。选区合适的时间窗口对相关信号进行分离，可以有效避免或缓解拉曼和荧光光信号之间的相互干扰，同时提升各自的信噪比。时间窗口的选取将根据所测量物质的拉曼弛豫时间以及荧光发射时间的估算以及激发光的脉冲宽度来确定。拉曼光信号的时间窗口的选取应为激光脉冲宽度加上拉曼弛豫时间，而荧光光信号的时间窗口则为拉曼时间窗口之后的时间。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2是基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统的实施例。系统是由脉冲光源21、单模传输光纤22、光耦合器23、多通道结构光纤探针24、长波通滤波片26、色散分光器件27、单光子探测器系统28、时间相关单光子计数系统29和数据处理系统210组成。
当系统对物质进行测量时，脉冲激光器21产生脉冲光信号通过单模传输光纤22和光耦合器23输入多通道结构光纤探针24的外围纤芯传输，并在其光纤端面汇聚以对测试样品25进行高效激发。与此同时，脉冲激光器21输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数系统29进行计时。测试样品25被脉冲光信号激发并且发出包括弹性散射，拉曼散射以及荧光在内的混合探测光信号。混合探测光信号将通过多通道结构多通道结构光纤探针24的中心纤芯进行传输并通过光耦合器23出射至长波通滤波片26。混合探测光信号经过长波通滤波片26去除弹性散射光信号后，入射至色散分光器件27进行波长选择，单光子探测器28在微位移电机的控制下分别对不同波长的光信号进行探测。在脉冲激光器21发出脉冲激光后，当吸收一个光子后，单光子探测器28会输出一个脉冲信号，使时间相关单光子计数器29停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和混合探测光信号之间的一个时间间隔并输出至数据处理系统210。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器29会记录到一系列时间间隔，并输出至数据处理系统210进行数据处理。数据处理系统210将数据处理后，可以得到与混合探测光信号发射时间相关的光子计数(光强)分布直方图，如图3所示。
所得到的直方图是混杂的探测光信号的光强在时域上的分布情况(图4(a))，直方图中主要包含了混合探测光信号中的拉曼散射信号和荧光信号，如图4(b)所示。
由于拉曼光信号产生和消失要快于荧光信号，因此，选区合适的时间窗口对相关信号进行分离，可以有效避免或缓解拉曼和荧光光信号之间的相互干扰，提升各自的信噪比。时间窗口的选取将根据所测量物质的拉曼弛豫时间以及荧光发射时间的估算以及激发光的脉冲宽度来确定。拉曼光信号的时间窗口的选取应为激光脉冲宽度加上拉曼弛豫时间，而荧光光信号的时间窗口则为拉曼时间窗口之后的时间，如图5所示。
在对拉曼和荧光信号有效分离后，我们可对所测物质进行拉曼和荧光光谱分析，此外，由于获得了荧光信号在时域上的分布，我们也可以对荧光信号寿命进行分析。

Claims (4)

1.一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统。其特征是：它由脉冲激光器1、单模传输光纤2、光耦合器3、多通道结构光纤探针4、长波通滤波片6、色散分光器件7、单光子探测器系统8、时间相关单光子计数系统9和数据处理系统10组成。当所述系统对物质进行测量时，脉冲激光器1产生脉冲光信号分别通过单模传输光纤2和光耦合器3后输入至多通道结构光纤探针4的外围纤芯中传输，并在其光纤端面汇聚以对测试样品5进行高效激发。与此同时，脉冲激光器1输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数系统9进行计时。测试样品5被脉冲光信号激发并且发出包括弹性散射，拉曼散射以及荧光在内的混合探测光信号。混合探测光信号将通过多通道结构光纤探针4的中心纤芯进行传输并通过光耦合器3出射至长波通滤波片6。混合探测光信号经过长波通滤波片6去除弹性散射光信号后，入射至色散分光器件7进行波长选择，单光子探测器8在微位移电机的控制下分别对不同波长的光信号进行探测。在脉冲激光器1发出脉冲激光后，当吸收一个光子后，单光子探测器8会输出一个脉冲信号，使时间相关单光子计数器9停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和混合探测光信号之间的一个时间间隔并输出至数据处理系统10。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器9会记录到一系列时间间隔并输出至数据处理系统10进行数据处理。数据处理系统10将混合探测光信号中的拉曼散射信号和荧光信号进行分离，并分别进行拉曼光谱分析，同时也可以对荧光信号进行荧光寿命分析以实现对测试样品的多功能测量。
2.根据权利要求1所述的多通道结构光纤探针4可以是围绕中心纤芯的对称分布的多芯光纤或者具有同心圆环形纤芯的同轴双通道光纤中的一种。多通道结构光纤探针4中的外围纤芯(或者是环形纤芯)用于传输脉冲激光器1发出的脉冲光信号，其中心纤芯则用于传输测试样品5被脉冲光信号激发并且发出的混合探测光信号。在其光纤端面进行研磨等微加工，形成圆锥体形状，使得外围纤芯中所传输的激发光信号经过锥体圆台的反射后交汇在光纤端面，从而形成强聚焦光场用于高效激发测试样品5。
3.根据权利要求1所述的单光子探测器系统8可以是微位移电机结合光电倍增管、超导单光子探测器或者半导体单光子探测器中的一种组成的单光子探测器系统。
4.根据权利要求1所述的数据处理系统10，其特征是：数据处理系统10将时间相关单光子计数器9记录到一系列的时间间隔进行处理，从而得到与混合探测光信号发射时间相关的光子计数(光强)分布直方图。数据处理系统10将对所探测到的混合光信号中通过对这个直方图数据进行处理和分析，利用混合探测光信号中的拉曼散射光发射、弛豫时间和荧光的发射时间的差异，在时域上进行分离和处理，分别进行拉曼光谱、荧光光谱以及荧光寿命的多功能测量和分析。
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