CN112577983A - 一种x射线发光光谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X射线发光光谱分析系统，包括：光源模块、收光模块、光谱分析模块和控制模块；光源模块用于为待测样品提供激发光；收光模块用于收集待测样品受激发后发出的荧光；光谱分析模块用于采集收光模块收集到的荧光信号并将其转化为数字信号；控制模块用于接收由光谱分析模块转换得到的数字信号并进行处理。在本方案中，分别通过收光模块、光谱分析模块和控制模块的作用，以分别实现了荧光信号的收集、采集和信号转换、以及接收和信号处理，进而实现了闪烁体材料的发光光谱的表征测试，本方案相较于现有技术，能够有助于提高闪烁体材料的发光探测效率，从而对推动闪烁体材料的开发及发光机制研究产生重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种X射线发光光谱分析系统。
背景技术
恶性肿瘤严重危害人类的健康与生存，与发达国家相比，我国的癌症形势不容乐观，癌症死亡率高于全球平均水平。有80-90％以上的早期癌症病人是可以治愈的，因此如何提高癌症早期诊断技术，是降低癌症死亡率的关键。近年来，基于X射线发光闪烁体纳米粒子的X射线免疫分析、高灵敏发光成像、放射性增敏治疗和X射线光动力治疗等技术在肿瘤等疾病的早期诊断和高效治疗研究中显示了诸多应用优势，X射线发光生物分析技术为复杂样品体外诊断与深层活体成像等生物医学研究开辟了一条新道路，并具有巨大的临床转化潜力。
X射线发光是闪烁体材料吸收高能X射线后，将其转换为低能光子(如可见光、近红外光等)的现象。闪烁体材料作为X射线探测器的核心功能材料，其优异的X射线发光效率是提升X射线探测器性能的关键基础。由于X射线发光光谱表征手段的空白，严重制约了闪烁体材料发光机制的基础科学研究以及高效X射线发光闪烁体的设计与合成，存在闪烁体材料开发缓慢、闪烁体X射线发光效率低、X射线发光成像性能不佳等亟需解决的关键技术瓶颈。
目前国内外暂无可进行X射线发光光谱表征的商品化X射线发光光谱仪，只能依靠部分实验室自行搭建的光谱系统，一般只能进行室温X射线激发的稳态发光光谱测试，存在发光探测效率低、测试项目有限和安全性低等问题，导致无法深入理解闪烁体材料发光机制及其设计思路，使得X射线发光闪烁体纳米材料的开发困难重重。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种X射线发光光谱分析系统，能够实现闪烁体材料的发光光谱的表征测试，本方案相较于现有技术，能够有助于提高闪烁体材料的发光探测效率，从而对推动闪烁体材料的开发及发光机制研究产生重要意义。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种X射线发光光谱分析系统，包括：光源模块、收光模块、光谱分析模块和控制模块；
所述光源模块用于为待测样品提供激发光，所述收光模块用于收集所述待测样品受激发后发出的荧光，所述光谱分析模块用于采集所述收光模块收集到的荧光信号并将其转化为数字信号，所述控制模块用于接收由所述光谱分析模块转换得到的数字信号并进行处理。
优选地，所述光源模块包括：用于为所述待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
所述X射线光源组件包括：X射线光源和射线整形锥；所述X射线光源的出光口与所述射线整形锥的小口连接。
优选地，所述光源模块还包括：用于为所述待测样品提供拓展激发光束的激发光源组件。
优选地，所述激发光源组件包括：激发光源、扩束器和二向色镜；
所述激发光源与所述扩束器通讯连接，所述二向色镜用于将经所述扩束器输出的拓展激发光束反射至所述待测样品的表面。
优选地，所述收光模块包括：透镜组；
所述透镜组与所述光谱分析模块通讯连接。
优选地，所述收光模块还包括：设置在所述光源模块与所述透镜组之间，用于过滤所述待测样品受激发后发出的荧光的电动滤光片转轮；
所述电动滤光片转轮与所述控制模块通讯连接。
优选地，还包括：防护箱；
所述光源模块包括：用于为所述待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
所述X射线光源组件、所述收光模块和所述光谱分析模块均设置于所述防护箱内。
优选地，所述防护箱包括：箱体、第一隔板和第二隔板；
所述第一隔板和所述第二隔板由下往上依次设置于所述箱体内，以使得所述箱体由下往上被依次分隔形成射线源仓、样品仓和光路仓，所述第一隔板开设有第一通光孔，所述第二隔板开设有第二通光孔；
所述X射线光源组件设置于所述射线源仓内，所述收光模块和所述光谱分析模块均设置于所述光路仓内。
优选地，还包括：用于调节所述待测样品的温度的变温模块。
优选地，所述变温模块包括：
变温样品台；
和用于控制所述变温样品台的温度的温度控制器。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的X射线发光光谱分析系统中，首先通过光源模块实现了激发光的供应，然后再分别通过收光模块、光谱分析模块和控制模块的作用，以分别实现了荧光信号的收集、采集和信号转换、以及接收和信号处理，进而以便于实现了闪烁体材料的发光光谱的表征测试，本方案相较于现有技术，能够有助于提高闪烁体材料的发光探测效率，从而对推动闪烁体材料的开发及发光机制研究产生重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统的工作示意图；
图3为本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统的X射线发光测试光路示意图；
图4为本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统的外接激发光源发光测试光路示意图；
图5为本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统的稳态发光光谱测试流程图。
其中，1为防护箱，1-1为箱体，1-2为第一隔板，1-3为第二隔板；2为光源模块，2-1为X射线光源，2-2为射线整形锥，2-3为激发光源，2-4为第一光纤，2-5为扩束器，2-6为二向色镜；3为变温模块，3-1为变温样品台，3-2为温度控制器；4为收光模块，4-1为电动滤光片转轮，4-1-1为滤光片，4-2为透镜组；5为光谱分析模块，5-1为光谱仪，5-2为第二光纤；6为控制模块，6-1为微机处理系统，6-2为第一数据线，6-3为第二数据线。
具体实施方式
本发明公开了一种X射线发光光谱分析系统，可进行闪烁体材料的X射线发光光谱表征测试，可实现变温测量，以揭示闪烁体材料的发光机制，推动闪烁体材料研发及其在各前沿科学领域中的应用。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统，如图2所示，包括：光源模块2、收光模块4、光谱分析模块5和控制模块6；
光源模块2用于为待测样品提供激发光，收光模块4用于收集待测样品受激发后发出的荧光，光谱分析模块5用于采集收光模块4收集到的荧光信号并将其转化为数字信号，控制模块6用于接收由光谱分析模块5转换得到的数字信号并进行处理。
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统中，首先通过光源模块2实现了激发光的供应，然后再分别通过收光模块4、光谱分析模块5和控制模块6的作用，以分别实现了荧光信号的收集、采集和信号转换、以及接收和信号处理，进而以便于实现了闪烁体材料的发光光谱的表征测试，本方案相较于现有技术，能够有助于提高闪烁体材料的发光探测效率，从而对推动闪烁体材料的开发及发光机制研究产生重要意义。
在本方案中，为了实现闪烁体材料的X射线发光光谱表征测试；相应地，如图2所示，光源模块2包括：用于为待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
如图1所示，X射线光源组件包括：X射线光源2-1和射线整形锥2-2；X射线光源2-1的出光口与射线整形锥2-2的小口连接。本方案如此设计，以便于增强X射线的发光强度，以使得待测样品获得较好的激发效果。
进一步地，为了实现闪烁体材料的拓展激发光光谱表征测试；相应地，如图2所示，光源模块2还包括：用于为待测样品提供拓展激发光的激发光源组件。本方案如此设计，以便于满足闪烁体材料多模式的发光光谱表征测试的需求。
再进一步地，如图1所示，激发光源组件包括：激发光源2-3、扩束器2-5和二向色镜2-6；
激发光源2-3与扩束器2-5通讯连接，二向色镜2-6用于将经扩束器2-5输出的拓展激发光束反射至待测样品的表面。具体地，如图1所示，先由激发光源2-3发出的激发光束通过第一光纤2-4传输到扩束器2-5，再经扩束器2-5扩大后输出平行激发光束至二向色镜2-6，然后再被二向色镜2-6反射至待测样品的表面，即为激发光源组件采用反射式的方式提供拓展激发光束，如此一来，使得本方案具有拓展激发光通量高、激发效果好等特点。
在本方案中，如图1所示，收光模块4包括：透镜组4-2；
透镜组4-2与光谱分析模块5通讯连接。本方案如此设计，以便于实现了X射线发光和光致发光的高通量收集，从而有助于提高待测样品的发光探测效率。
具体地，为了减少背景激发光对待测样品发光光谱的干扰，以便于提高待测样品的发光探测效率；如图1所示，收光模块4还包括：设置在光源模块2与透镜组4-2之间，用于过滤待测样品受激发后发出的荧光的电动滤光片转轮4-1；
电动滤光片转轮4-1与控制模块6通讯连接。其中，电动滤光片转轮4-1位于样品台(变温样品台3-1)的上方，透镜组4-2位于电动滤光片转轮4-1的上方，以保证在工作时，待测样品受激发发射的荧光先通过电动滤光片转轮4-1过滤掉背景干扰光后，再由透镜组4-2汇聚收集。此外，电动滤光片转轮4-1带有多个滤光片4-1-1。具体地，在工作时，由控制模块6通过第一数据线6-2传输指令控制电动滤光片转轮4-1旋转进行滤光片4-1-1的选取。
进一步地，如图2所示，本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统还包括：防护箱1；
光源模块2包括：用于为待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
X射线光源组件、收光模块4和光谱分析模块5均设置于防护箱1内。本方案如此设计，以使得整个测试过程在防护箱1中进行，不仅隔绝X射线能量的辐射，而且还减少外部光源的干扰，使得测试过程更安全、测试结果更准确。
具体地，如图1所示，防护箱1包括：箱体1-1、第一隔板1-2和第二隔板1-3；
第一隔1-2和第二隔板1-3由下往上依次设置于箱体1-1内，以使得箱体1-1由下往上被依次分隔形成射线源仓、样品仓和光路仓，第一隔板1-2开设有第一通光孔，用于实现X射线激发光的通行；第二隔板1-3开设有第二通光孔，用于实现待测样品受激发后发出的荧光的通行；
X射线光源组件设置于射线源仓内，收光模块4和光谱分析模块5均设置于光路仓内。其中，样品仓用于设置样品台(变温样品台3-1)；本方案如此设计，具有结构功能分区明显、结构布局合理等特点。此外，X射线光源2-1设置于射线源仓的底部，X射线光源2-1的出光口连接于射线整形锥2-2的小口，射线整形锥2-2的大口安装在第一隔板1-2的第一通光孔上。
进一步地，为了实现闪烁体材料在变温条件下的发光光谱表征测试，以便于揭示闪烁体材料在不同温度下的发光机制，以适应闪烁体材料更广泛的应用研究；相应地，如图2所示，本发明实施例提供的X射线发光光谱分析系统还包括：用于调节待测样品的温度的变温模块3。
具体地，如图1所示，变温模块3包括：
变温样品台3-1，用于承载待测样品并对待测样品进行温度调节；
和用于控制变温样品台3-1的温度的温度控制器3-2。本方案如此设计，具有结构简单，变温可控性好等特点。
下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：
本发明提出的一种X射线发光光谱分析系统，如图2所示，包括：防护箱1、光源模块2、变温模块3、收光模块4、光谱分析模块5以及控制模块6；本系统可实现闪烁体材料在变温条件下的发光光谱表征测试，为闪烁体材料的开发及发光机制研究提供了仪器和数据支撑。本发明相比于现有技术，可进行X射线和不同激发光源的发光光谱测试，能满足更多材料的测试需求；样品发射光的高通量收集，以及激发光与样品发射光同轴，提高样品发光探测效率；同时结合变温模块3，实现样品在不同温度下的发光机制研究，以适应闪烁体材料更广泛的应用研究；整个测试过程在防护箱1中进行，隔绝X射线能量辐射，并减少外部光源干扰，测试过程更安全，测试结果更准确。
其中，由变温模块3调节待测样品的测试温度；由光源模块2为待测样品提供激发光；待测样品受激发后发射的荧光经收光模块4过滤收集后，被光谱分析模块5采集并进行信号转换，最后由光谱分析模块5转换得到的数字信号进入控制模块6进行数据处理并输出；待测样品的发光光谱测试过程在防护箱1中进行。
如图1所示，防护箱1包括：箱体1-1、第一隔板1-2和第二隔板1-3，箱体1-1用于隔绝X射线能量辐射，并防止外部光源进入箱体1-1内部；第一隔板1-2和第二隔板1-3由下往上依次将箱体1-1分隔形成射线源仓、样品仓和光路仓；第一隔板1-2和第二隔板1-3上均开设有通光孔；
光源模块2由X射线光源组件和激发光源组件组成，其中，激发光源组件用于满足多模式发光光谱表征测试；X射线光源组件和激发光源组件分别采用透射式和反射式的方式进行发光光谱采集；X射线光源组件位于防护箱1的射线源仓内；X射线光源组件包括：X射线光源2-1和射线整形锥2-2。射线整形锥2-2的小口与X射线光源2-1连接，射线整形锥2-2的大口安装在第一隔板1-2的第一通光孔上；工作时，X射线光源2-1发出的X射线由射线整形锥2-2整形后通过第一隔板1-2上的第一通光孔到达防护箱1的样品仓；激发光源组件包括：激发光源2-3、第一光纤2-4、扩束器2-5和二向色镜2-6；激发光源2-3位于防护箱1外，通过第一光纤2-4与位于防护箱1的光路仓内的扩束器2-5连接；工作时，由激发光源2-3发出的激发光束通过第一光纤2-4传输到扩束器2-5，经扩束器2-5扩大后输出平行激发光束至二向色镜2-6后，被二向色镜2-6反射至样品表面。
变温模块3包括：变温样品台3-1和温度控制器3-2，变温样品台3-1位于防护箱1的样品仓内；温度控制器3-2位于防护箱外，通过导线与变温样品台3-1连接；工作时，由温度控制器3-2调控变温样品台3-1的温度，变温样品台3-1用于承载样品并对样品进行调节温度；
收光模块4位于防护箱1的光路仓内，收光模块4包括：电动滤光片转轮4-1和透镜组4-2，电动滤光片转轮4-1位于二向色镜2-6上方，电动滤光片转轮4-1带有多个滤光片4-1-1，用于过滤掉背景干扰光；透镜组4-2位于电动滤光片转轮4-1上方，用于汇聚收集样品发射光束；工作时，样品受激发发射的荧光通过二向色镜2-6和滤光片4-1-1过滤掉背景干扰光后，由透镜组4-2汇聚收集；
光谱分析模块5位于防护箱1的光路仓内，光谱分析模块5包括：光谱仪5-1和第二光纤5-2，光谱仪5-1通过第二光纤5-2与收光模块4连接；工作时，样品受激发后发射的荧光信号由收光模块4过滤收集后，通过第二光纤5-2传输给光谱仪5-1。
控制模块6包括：微机处理系统6-1、第一数据线6-2和第二数据线6-3，微机处理系统6-1位于防护箱1外，微机处理系统6-1通过第一数据线6-2与电动滤光片转轮4-1连接；工作时，由微机处理系统6-1通过第一数据线6-2传输指令控制电动滤光片转轮4-1旋转进行滤光片4-1-1的选取；微机处理系统6-1通过第二数据线6-3与光谱仪5-1连接；工作时，微机处理系统6-1通过第二数据线6-3接收光谱仪5-1输出的信号，再进行数据处理并输出。
在本发明提供的第一实施例中，本系统可进行闪烁体材料的常温X射线发光光谱表征测试。如图3和图5所示，将待测样品置于变温样品台3-1上，由微机处理系统6-1通过第一数据线6-2传输指令控制电动滤光片转轮4-1旋转至所需带宽的滤光片4-1-1，打开X射线光源2-1，由X射线光源2-1发射的X射线经射线整形锥2-2整形后，通过第一隔板1-2上的第一通光孔到达防护箱1的样品仓中，X射线穿透变温样品台3-1照射待测样品，待测样品受到X射线激发后发射的荧光通过第二隔板1-3上的第二通光孔，经二向色镜2-6和滤光片4-1-1过滤掉背景干扰光后，再经透镜组4-2汇聚进入第二光纤5-2传输给光谱仪5-1，光谱仪5-1采集由待测样品发射的荧光信号并转换为数字信号，再通过第二数据线6-3传输给微机处理系统6-1进行数据处理并输出。
在本发明提供的第二实施例中，本系统可进行闪烁体材料的常温光致发光光谱表征测试。如图4和图5所示，将待测样品置于变温样品台3-1上，由微机处理系统6-1通过第一数据线6-2传输指令控制电动滤光片转轮4-1旋转至所需带宽的滤光片4-1-1，打开激发光源2-3，由激发光源2-3发射的激发光束经第一光纤2-4传输到扩束器2-5后输出的平行激发光束被二向色镜2-6反射通过第二隔板1-3上的第二通光孔照射在待测样品表面，待测样品受到激发光激发后发射的荧光通过第二隔板1-3上的第二通光孔，经二向色镜2-6和滤光片4-1-1过滤掉背景干扰光后，再经透镜组4-2汇聚进入第二光纤5-2传输给光谱仪5-1，光谱仪5-1采集由待测样品发射的荧光信号并转换为数字信号，通过第二数据线6-3传输给微机处理系统6-1进行数据处理并输出。
在本发明提供的第三实施例中，本系统可进行闪烁体材料的变温发光光谱表征测试。如图3至图5所示，将待测样品置于变温样品台3-1上，由温度控制器3-2设定温度并通过导线对变温样品台3-1施加电流，变温样品台3-1对待测样品进行加热，当变温样品台3-1温度达到温度控制器3-2设定温度时，反馈信号给温度控制器3-2，温度控制器3-2控制变温样品台3-1进行保温；接着再由微机处理系统6-1通过第一数据线6-2传输指令控制电动滤光片转轮4-1旋转至所需带宽的滤光片4-1-1，开启光源模块2进行待测样品的变温发光光谱表征测试。
本发明的优点在于：
(1)通过调整第二光纤5-2、电动滤光片转轮4-1和透镜组4-2，可实现X射线发光和光致发光的高通量收集，提高样品发光探测效率；
(2)激发光与样品发射光同轴，样品发射光均匀地被收光模块4接收，减少背景激发光对样品发光光谱的干扰，提高样品发光探测效率；
(3)可进行X射线发光以及光致发光的原位共定位多模式光谱采集；
(4)可进行变温的发光光谱表征测试。
综上所述，本发明提供了一种X射线发光光谱分析系统，所述系统可用于闪烁体材料的变温X射线发光和光致发光光谱表征测试。其中，所述系统包括：防护箱1、光源模块2、变温模块3、收光模块4、光谱分析模块5以及控制模块6；样品的发光光谱表征测试过程在防护箱1中完成；变温模块3用于调节样品测试温度；光源模块2为样品提供激发光；样品受激发后发射的光经收光模块4过滤收集后，被光谱分析模块5采集并进行信号转换，最后由光谱分析模块5转换得到的信号进入控制模块6进行数据处理并输出。所述系统能满足更多材料的测试需求，提高样品发光探测效率，实现变温测量，对推动闪烁体材料的开发及发光机制研究具有重要意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种X射线发光光谱分析系统，其特征在于，包括：光源模块(2)、收光模块(4)、光谱分析模块(5)和控制模块(6)；
所述光源模块(2)用于为待测样品提供激发光，所述收光模块(4)用于收集所述待测样品受激发后发出的荧光，所述光谱分析模块(5)用于采集所述收光模块(4)收集到的荧光信号并将其转化为数字信号，所述控制模块(6)用于接收由所述光谱分析模块(5)转换得到的数字信号并进行处理。
2.根据权利要求1所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述光源模块(2)包括：用于为所述待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
所述X射线光源组件包括：X射线光源(2-1)和射线整形锥(2-2)；所述X射线光源(2-1)的出光口与所述射线整形锥(2-2)的小口连接。
3.根据权利要求1所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述光源模块(2)还包括：用于为所述待测样品提供拓展激发光束的激发光源组件。
4.根据权利要求3所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述激发光源组件包括：激发光源(2-3)、扩束器(2-5)和二向色镜(2-6)；
所述激发光源(2-3)与所述扩束器(2-5)通讯连接，所述二向色镜(2-6)用于将经所述扩束器(2-5)输出的拓展激发光束反射至所述待测样品的表面。
5.根据权利要求1所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述收光模块(4)包括：透镜组(4-2)；
所述透镜组(4-2)与所述光谱分析模块(5)通讯连接。
6.根据权利要求5所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述收光模块(4)还包括：设置在所述光源模块(2)与所述透镜组(4-2)之间，用于过滤所述待测样品受激发后发出的荧光的电动滤光片转轮(4-1)；
所述电动滤光片转轮(4-1)与所述控制模块(6)通讯连接。
7.根据权利要求1所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，还包括：防护箱(1)；
所述光源模块(2)包括：用于为所述待测样品提供X射线激发光的X射线光源组件；
所述X射线光源组件、所述收光模块(4)和所述光谱分析模块(5)均设置于所述防护箱(1)内。
8.根据权利要求7所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述防护箱(1)包括：箱体(1-1)、第一隔板(1-2)和第二隔板(1-3)；
所述第一隔板(1-2)和所述第二隔板(1-3)由下往上依次设置于所述箱体(1-1)内，以使得所述箱体(1-1)由下往上被依次分隔形成射线源仓、样品仓和光路仓，所述第一隔板(1-2)开设有第一通光孔，所述第二隔板(1-3)开设有第二通光孔；
所述X射线光源组件设置于所述射线源仓内，所述收光模块(4)和所述光谱分析模块(5)均设置于所述光路仓内。
9.根据权利要求1所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，还包括：用于调节所述待测样品的温度的变温模块(3)。
10.根据权利要求9所述的X射线发光光谱分析系统，其特征在于，所述变温模块(3)包括：
变温样品台(3-1)；
和用于控制所述变温样品台(3-1)的温度的温度控制器(3-2)。
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