CN111665198A - 一种便携荧光光纤光谱仪 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种便携荧光光纤光谱仪，设有机壳，所述机壳内包括：激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头、检测激发装置和光谱仪主体；所述Y型荧光光纤探头包括激发光接收端、荧光读取端，以及由激发光通道光纤和荧光发射光通道光纤在另一端汇合形成的测量端探头，所述激发光接收端与激发光光源连接，所述荧光读取端与光谱仪检测入口连接；所述滤光部包括第一滤光部和第二滤光部，所述第一滤光部设置在激发光光源出口，所述第二滤光部设置在光谱仪检测器的检测入口。本发明便携荧光光纤光谱仪最大特点是便携一体化，即使在复杂背景光和环境条件下也能进行快速可靠测量，不需做光路配置和环境设定。

Description

一种便携荧光光纤光谱仪

技术领域

本发明涉及光学仪器，尤其是涉及一种便携荧光光纤光谱仪。

背景技术

荧光光谱仪主要应用于食品、环境、化学分析领域，通过对样品的荧光信号进行快速测量，从而获得样品中特定成分的信息。目前的荧光光谱仪主要为依赖于实验室环境的大型桌面一起，特别是测量时，无论是采用垂直配置还是反射配置光路，都需要保持光路配置的专门样品室和样品台，并要严格避光，无法实现便携化，更不能再室外环境现场使用。

虽然小巧便携的普通光纤光谱仪（如海洋光学的USB2000）早已面世，但只适用于普通透射或反射光的测量，无法直接用于荧光光谱信号的采集，需要额外搭配激发光源、滤光镜、弱荧光信号的高信噪比检测以及便捷稳定的分光光路等一整套方案，使用便捷性差，且检测时受干扰的外界因素多，导致检测结果准确性低。

发明内容

本发明创造的目的在于提供一种结构一体化便携，检测灵敏度高，操作简单，可用于现场检测用的便携荧光光纤光谱仪。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种便携荧光光纤光谱仪，设有机壳，所述机壳内包括：激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头光谱仪检测器；

所述Y型荧光光纤探头包括激发光接收端、荧光读取端和测量端探头，所述激发光接收端连接有激发光通道光纤，所述荧光读取端连接有荧光发射光通道光纤，所述激发光通道光纤的另一端和荧光发射光通道光纤的另一端汇合形成测量端探头；所述激发光接收端与激发光光源连接；所述荧光读取端与光谱仪检测器的检测入口连接；

所述滤光部包括第一滤光部和 第二滤光部，所述第一滤光部设置在激发光光源出口，所述第二滤光部设置在光谱仪检测器的检测入口。

本发明通过将激发光接收端、荧光读取端和测量端探头集成Y型荧光光纤探头，方便安装，可即插即用，可室外即时做现场检测；并且将激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头和光谱仪检测器集成一体，首次实现荧光光谱测量一体化，有效避免各种复杂光路设置，使设备检测更可靠，合理的整体结构设置使设备整体微型化，方便携带至室外环境使用，提高使用便捷度；且通过在激发光光源出口和光谱仪检测器的检测入口分别设置第一滤光部和第二滤光部，可有效阻止绝大部分激发光进入荧光读取端，而不影响荧光信号，有效提高信噪比，增强检测灵敏度，同时本发明的整体结构设计紧凑，有效降低生产成本。

进一步地，所述光纤探头内设有激发光通道和荧光通道，所述激发光通道环绕荧光通道设置，或所述荧光通道环绕激发光通道设置。通过在测试端探头内设置激发光通道和荧光通道，激发光光源直接通过激发光通道照射在待测样品上，且由于激发光通道环绕荧光通道设置，使激发光光源照射面积与荧光通道接收面积重叠，保证待测样品被激发后放射的荧光被荧光通道接收，保证检测的灵敏度；或将荧光通道环绕激发光通道设置，通过激发光通道将激发光光源集中照射在待测样品上，充分激发样品反射出二次荧光并通过荧光通道传输至光谱仪检测器，有效提高检测信号强度，提高检测结果的准确度。

进一步地，所述激发光通道至少设有1个，所述荧光通道至少设有1个。激发光通道优选设置6个，荧光通道优选设置1个，6个激发光通道环绕荧光通道设置，当激发光光源通过激发光通道照射在待测样品上，充分激发待测样品使其放射出二次荧光射线，从而使所放射的二次荧光射线被荧光通道捕获从而传输至光谱仪主体进行检测。

进一步地，所述荧光发射光通道光纤的出口贴附有长通光学滤镜。通过在荧光发射光通道光纤的出口设置长通光学滤镜，只允许荧光通过，有效增加荧光信号信噪比，例如系列激光光源中最短的波长是420nm，可采用一块截断在420nm波长处的长通滤光片，可增加荧光信号信噪比。

进一步地，所述激发光光源和光谱仪检测器分别与同步信号发生器连接，所述同步信号发生器控制激发光光源和光谱仪检测器同步启动或关闭。同步信号发生器通过发出时间同步电子信号，同步调制激发光光源与光谱仪检测器开启和关闭，即以一定频率时钟，从几个赫兹到数千个赫兹范围，同步激发光光源与光谱仪检测器开启，实现只有荧光被激发的瞬间光谱仪检测器才打开提取时间同步范围内的光信号进行累加积分，显著降低背景杂散光，提高检测灵敏度，保证检测结果的准确度。

进一步地，所述第一滤光部和第二滤光部为一对偏振方向互相垂直的线性偏振滤光片。通过设置偏振方向互相垂直的线性偏振滤光片阻断激发光直接进入光谱仪检测器的检测入口，而荧光是非偏振光，为弱光信号，要在激发光或背景光信号中筛选出强度不到万分之一甚至亿分之一的微弱荧光信号，通常需要联合多种增强信噪比的方法，否则特别弱的荧光信号有可能难以检出，本发明利用荧光可以透过线性偏振滤光片的性质，通过设置线性偏振滤光片过滤激发光和背景光信号，减少信号干扰从而提高最弱信号检测阈值，提高检测的灵敏度，且使用时无需切换线性偏振滤光片即可实现各种激发光条件下的荧光光谱检测，使用更加便捷。

进一步地，所述激发光光源设有多个LED光源，所述LED光源对应设有光纤，所述光纤在激发光光源的总出口处汇合成总光纤。选用不同颜色波长的LED灯作为光源，将其安装在圆盘上使激发光光源所占内部空间更小，同时通过在每个LED光源对应设置光纤，并在激发光光源的总出口处汇合成总光纤，使激发光源与激发光接收端连接的出口处即可发出不同的激发光。

进一步地，所述机壳外设有触摸屏，所述触摸屏分别与激发光光源、同步信号发生器和光谱仪检测器连接。为了使荧光光谱仪不依赖任何外接电脑控制软件情况下可单独工作，本发明通过设置触摸屏，以触摸屏搭载Raspberry Pi操作系统，以触摸屏设置同步信号发生器的启动参数，以同步信号发生器控制激发光光源和光谱仪检测器同步启动或关闭，且以触摸屏操作界面控制可实现即时操作和检测，无需额外外界电脑再通过电脑上的专门软件才能控制和实用，提高使用的便捷性，也方便外带。

与现有技术相比，本发明创造具有如下有益技术效果：

第一、荧光光谱仪结构一体化，检测可靠；本发明通过将多个LED激发光光源与光谱仪检测器集成并通过自动控制，避免复杂的光路设置，检测时只需将检测探头贴近被测样品表面，即可完成测定，无需样品准备及光路校准等繁琐操作，使设备检测结果更可靠；

第二、检测灵敏度高，抗干扰能力强；本发明将激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头和光谱仪检测器集成一体，有效避免传统荧光光谱仪在户外使用时需要额外搭配激发光源、滤光镜、弱荧光信号的高信噪比检测以及便捷稳定的分光光路等各种复杂光路设置，使设备检测更可靠，同时通过在激发光光源出口和光谱仪检测器的检测入口分别设置第一滤光部和第二滤光部，有效阻止绝大部分激发光进入荧光接收端口，而不影响荧光信号，有效提高信噪比，增强检测灵敏度；还在荧光发射光通道光纤的出口贴附长通光学滤镜，以增加荧光信号的信噪比；并且通过在内部设置同步信号发生器，通过同步信号发生器发出时间同步电子信号，控制激发光光源和光谱仪检测器同步开启或关闭，实现只有荧光被激发的瞬间光谱仪检测器才打开提取时间同步范围内的光信号进行累加积分，显著降低背景杂散光，有效提高检测明敏度，保证检测结果的准确度；

第三、微型化，方便携带使用；本发明通过将激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头和光谱仪检测器集成一体，首次实现荧光光谱测量一体化，合理的整体结构设置使设备整体微型化方便携带至不同工作环境使用，且通过在机壳外设置触摸屏，以触摸屏搭载Raspberry Pi操作系统控制可实现即时操作和检测，无需额外连接外界电脑再通过电脑上的专门软件才能控制和实用，提高外带使用的便捷性；且Y型荧光光纤探头可即插即用，直接在室外做现场检测，提高仪器对外部使用环境的适应性，使用更加方便。

附图说明

图1为本发明便携荧光光纤光谱仪的整体结构示意图；

图2为本发明便携荧光光纤光谱仪的A部分结构示意图；

图3为本发明便携荧光光纤光谱仪的激发光光源结构示意图1；

图4为本发明便携荧光光纤光谱仪的激发光光源结构示意图2；

图5为本发明便携荧光光纤光谱仪的外部结构示意图。

如附图所示：1、激发光光源；11、LED光源；12、光纤；13、总光纤；14、圆盘；2、滤光部；21、第一滤光部；22、第二滤光部；3、Y型荧光光纤探头；31、激发光接收端；32、荧光读取端；33、测量端探头；331、激发光通道；332、荧光通道；333、遮光罩；34、激发光通道光纤；35、荧光发射光通道光纤； 36、长通光学滤镜；4、光谱仪检测器；5、同步信号发生器；6、触摸屏；7机壳；8、测试仓门。

具体实施方式

为便于本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，现结合具体实施方式对本发明作进一步说明。如图1所示，一种便携荧光光纤光谱仪，设有机壳7，所述机壳7内包括：激发光光源1、滤光部2、Y型荧光光纤探头3和光谱仪检测器4；

所述Y型荧光光纤探头3包括激发光接收端31、荧光读取端32和测量端探头33，所述激发光接收端31连接有激发光通道光纤34，所述荧光读取端32连接有荧光发射光通道光纤35，所述激发光通道光纤34的另一端和荧光发射光通道光纤35的另一端汇合形成测量端探头33；所述激发光接收端31与激发光光源连接1；所述荧光读取端32与光谱仪检测器4的检测入口连接；

所述滤光部2包括第一滤光部21和第二滤光部22，所述第一滤光部21设置在激发光光源1出口，所述第二滤光部22设置在光谱仪检测器4的检测入口。

通过将激发光接收端31、荧光读取端32和测量端探头33集成Y型荧光光纤探头3，方便安装，可即插即用，可室外即时做现场检测；并且将激发光光源1、滤光部2、Y型荧光光纤探头3和光谱仪检测器4集成一体，首次实现荧光光谱测量一体化，有效避免各种复杂光路设置，使设备检测更可靠，合理的整体结构设置使设备整体微型化，方便携带至室外环境使用，提高使用便捷度；且通过在激发光光源1出口和光谱仪检测器4的检测入口分别设置第一滤光部21和第二滤光部22，可有效阻止绝大部分激发光进入荧光读取端32，而不影响荧光信号，有效提高信噪比，增强检测灵敏度，同时本发明的整体结构设计紧凑，有效降低生产成本。

如图2所示，所述测量端探头33内设有激发光通道331和荧光通道332，所述激发光通道331环绕荧光通道332设置，或所述荧光通道332环绕激发光通道331设置。通过在测试端探头内设置激发光通道331和荧光通道332，激发光光源直接通过激发光通道331照射在待测样品上，且由于激发光通道331环绕荧光通道设置332，使激发光光源照射面积与荧光通道接收面积重叠，保证待测样品被激发后放射的荧光被荧光通道接收，保证检测的灵敏度；或将荧光通道332环绕激发光通道331设置，通过激发光通道将激发光光源集中照射在待测样品上，充分激发样品反射出二次荧光并通过荧光通道传输至光谱仪检测器，有效提高检测信号强度，提高检测结果的准确度。

进一步，如图2所示，所述激发光通331道至少设有1个，所述荧光通道332至少设有1个。激发光通道331优选设置6个，荧光通道332优选设置1个，6个激发光通道环绕荧光通道设置，当激发光光源1通过激发光通道331照射在待测样品上，充分激发待测样品使其放射出二次荧光射线，从而使所放射的二次荧光射线被荧光通道捕获从而传输至光谱仪主体进行检测。

进一步优选地，如图2所示，所述测量端探头33的测量端头部最外侧设有一圈遮光罩333，所述遮光罩333比测量端头部高1～2mm。通过设置遮光罩333可有效保护测量端探头在使用过程中不容易磨损，同时起遮挡环境周围杂散光作用，提高检测信噪比。

进一步优化，如图1所示，所述荧光发射光通道光纤35的出口端贴附有长通光学滤镜36。通过在荧光发射光通道光纤35的出口设置长通光学滤镜36，只允许荧光通过，有效增加荧光信号信噪比，例如系列激光光源中最短的波长是420nm，可采用一块截断在420nm波长处的长通滤光片，可增加荧光信号信噪比。

如图1所示，所述激发光光源1和光谱仪检测器4分别与同步信号发生器5连接，所述同步信号发生器5控制激发光光源1和光谱仪检测器4同步启动或关闭。同步信号发生器通5过发出时间同步电子信号，同步调制激发光光源1与光谱仪检测器4开启和关闭，即以一定频率时钟，从几个赫兹到数千个赫兹范围，同步激发光光源与光谱仪检测器开启，实现只有荧光被激发的瞬间光谱仪检测器4才打开提取时间同步范围内的光信号进行累加积分，显著降低背景杂散光，提高检测灵敏度，保证检测结果的准确度。还可优选使用TTL时钟信号发生电路，设置时钟信号发出频率，如发出10Hz的TTL震荡信号，占空比为50:50，则1秒内激发光光源启动了500毫秒，光谱仪检测器4也对应获取了5份曝光各100毫秒的荧光信号，另外在激发光光源1为开启的另一半时间内，光谱仪检测器4获取同样5份数据，作为没有荧光的空白背景参照，则计算实际荧光信号等于激发光光源开启时的光谱仪检测器获取的平均信号强度扣除激发光光源关闭时光谱仪检测器获取的平均信号强度，最终得到的检测结果准确度更高。

如图1所示，所述第一滤光部21和第二滤光部22为一对偏振方向互相垂直的线性偏振滤光片。通过设置偏振方向互相垂直的线性偏振滤光片阻断激发光直接进入光谱仪检测器4的检测入口，而荧光是非偏振光，为弱光信号，要在激发光或背景光信号中筛选出强度不到万分之一甚至亿分之一的微弱荧光信号，通常需要联合多种增强信噪比的方法，否则特别弱的荧光信号有可能难以检出，利用荧光可以透过线性偏振滤光片的性质，通过设置线性偏振滤光片过滤激发光和背景光信号，减少信号干扰从而提高最弱信号检测阈值，提高检测的灵敏度，且使用时无需切换线性偏振滤光片即可实现各种激发光条件下的荧光光谱检测，使用更加便捷。

如图3和图4所示，所述激发光光源1设有多个LED光源11，所述LED光源11对应设有光纤12，所述光纤12在激发光光源1的总出口处汇合成总光纤13。选用不同颜色波长的LED灯作为光源，将其安装在圆盘14上使激发光光源所占内部空间更小，同时通过在每个LED光源11对应设置光纤12，并在激发光光源的总出口处汇合成总光纤13，使激发光源1与激发光接收端31连接的出口处即可发出不同的激发光。

如图5所示，所述机壳7外设有触摸屏6，所述触摸屏6分别与激发光光源1、同步信号发生器5和光谱仪检测器4连接。为了使荧光光谱仪不依赖任何外接电脑控制软件情况下可单独工作，通过设置触摸屏7，以触摸屏搭载Raspberry Pi操作系统，操作系统还可以是Linux、Android等，以触摸屏设置同步信号发生器的启动参数，以同步信号发生器控制激发光光源和光谱仪检测器同步启动或关闭，且以触摸屏操作界面控制可实现即时操作和检测，无需额外外界电脑再通过电脑上的专门软件才能控制和实用，提高使用的便捷性，也方便外带。

如图5所示，另外，机壳7外设有测试仓门8，测试时可打开测试仓门8将待测样品置于测试端探头下关闭测试仓门8即可通过触摸屏调整测试参数，控制设备启动测试。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携荧光光纤光谱仪，设有机壳，其特征在于，所述机壳内包括：激发光光源、滤光部、Y型荧光光纤探头和光谱仪检测器；

所述Y型荧光光纤探头包括激发光接收端、荧光读取端和测量端探头，所述激发光接收端连接有激发光通道光纤，所述荧光读取端连接有荧光发射光通道光纤，所述激发光通道光纤的另一端和荧光发射光通道光纤的另一端汇合形成测量端探头；所述激发光接收端与激发光光源连接；所述荧光读取端与光谱仪检测器的检测入口连接；

所述滤光部包括第一滤光部和 第二滤光部，所述第一滤光部设置在激发光光源出口，所述第二滤光部设置在光谱仪检测器的检测入口。

2.根据权利要求1所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述测量端探头内设有激发光通道和荧光通道，所述激发光通道环绕荧光通道设置，或所述荧光通道环绕激发光通道设置。

3.根据权利要求2所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述激发光通道至少设有1个，所述荧光通道至少设有1个。

4.根据权利要求1所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述荧光发射光通道光纤的出口端贴附有长通光学滤镜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述激发光光源和光谱仪检测器分别与同步信号发生器连接，所述同步信号发生器控制激发光光源和光谱仪检测器同步启动或关闭。

6.根据权利要求5所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述第一滤光部和第二滤光部为一对偏振方向互相垂直的线性偏振滤光片。

7.根据权利要求6所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述激发光光源设有多个LED光源，所述LED光源对应设有光纤，所述光纤在激发光光源的总出口处汇合成总光纤。

8.根据权利要求7所述的便携荧光光纤光谱仪，其特征在于，所述机壳外设有触摸屏，所述触摸屏分别与激发光光源、同步信号发生器和光谱仪检测器连接。

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