CN113588502A - 水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置和方法，该装置包括照明光路和接收光路，照明光路包括多波长光源、偏振调节器和第一透镜，接收光路包括第二透镜、针孔、第三透镜及偏振‑荧光同步测量模块，其中，第一透镜在悬浮颗粒物测量位置形成的焦点大小、针孔的大小以及第二透镜与针孔的相对位置经过设置，使得接收光路产生的探测区与照明光束的交叉体积即测量的散射体积中仅有单个悬浮颗粒物，以便通过偏振‑荧光同步测量模块实现对单个悬浮颗粒物的散射光偏振数据与激发的荧光发射谱的同步测量。本发明可同步获得同一个颗粒的大小、结构、色素等多维度的信息，适用的样品多样，应用范围广。

Description

水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及水体悬浮颗粒物探测，特别是涉及一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置和方法。

背景技术

水体中充满了颗粒物，对它们的检测对于生态学研究、环境安全监测具有重要意义。水中悬浮颗粒物比如海洋微藻，是初级生产力的主要贡献者，是地球氧气的重要来源，是海洋生态系统的支柱；对海洋微藻的探测是海洋生态、环境相关领域的必要环节。所以对于水体悬浮颗粒物的检测非常必要。

光学方法因为分辨率高、易于原位测量、非接触等优点在颗粒物探测领域广受关注，人们已经发展了多种方法来探测悬浮颗粒物，主要有光学成像法、荧光法、激发发射谱法、光散射法、流式细胞术等。光学成像法因为受制于景深、分辨率、视野之间的冲突难以发挥技术优点。荧光法以及更全面的激发发射谱法利用颗粒物内色素的特异性来探测颗粒物，但是受制于信号比较弱，需要整体测量，对颗粒物的细致分类能力有限。光散射法测量颗粒物的强度以及角分布来反演颗粒物大小、形态、结构等，但分辨率稍差。流式细胞术利用流体动力学聚焦方法将颗粒物分成一个一个的，测量它的散射、荧光或图像，获得大小、结构和色素信息，但它的样品准备繁琐，对于粒径分布大的样品，效果不总是让人满意。因此，悬浮颗粒物探测依然需要发展新的探测方法。

偏振是光的基本属性，与传统光强测量相比，它数据量更大、包含更丰富结构信息。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置，包括照明光路和接收光路，所述照明光路包括多波长光源、偏振调节器和第一透镜，所述接收光路包括第二透镜、针孔、第三透镜以及偏振-荧光同步测量模块，其中，所述多波长光源发出的光束经过所述偏振调节器后，产生指定的照射偏振光，经过所述第一透镜聚焦照射水体中的悬浮颗粒物，所述第二透镜接收所述悬浮颗粒物的散射光，所述针孔对透过所述第二透镜的光进行空间滤波，所述第三透镜将通过所述针孔的发散光变成平行光并送至所述偏振-荧光同步测量模块，其中，所述第一透镜在悬浮颗粒物测量位置形成的焦点大小、所述针孔的大小以及所述第二透镜与所述针孔的相对位置经过设置，使得所述接收光路产生的探测区与照明光束的交叉体积即测量的散射体积中仅有单个悬浮颗粒物，以便通过所述偏振-荧光同步测量模块实现对单个悬浮颗粒物的散射光偏振数据与激发的荧光发射谱的同步测量。

进一步地：

所述多波长光源通过增加空间或时间的区隔以使光源的波长与激发的荧光发射谱不重叠。

所述偏振-荧光同步测量模块包括多个检偏器和多个荧光测量通道，所述多个检偏器分别用于同步测量多个偏振分量，所述多个荧光测量通道分别用于测量多个荧光发射波段的荧光强度，其中，经过多个荧光发射波段的荧光强度的测量，获得荧光发射谱，经过多个偏振分量的测量，实现对相应波长的散射光偏振态的测量。

采用分波前、分振幅、或多角度的方式实现所述多个检偏器和多个荧光测量通道。

所述偏振-荧光同步测量模块还包括第一分光镜、窄带滤光片、第二分光镜以及第一二色镜，所述平行光经过所述第一分光镜分为两部分光，第一部分光经过所述窄带滤光片获得一个波段的光后再由所述第二分光镜分光，所分的光束分别进入所述多个检偏器，而第二部分光经过所述第一二色镜，使其中不同荧光波段的光分别进入到所述多个荧光测量通道。

优选地，还包括分别与所述第二分光镜和所述第一二色镜并排设置的更多个分光镜和二色镜，各自对应于不同的检偏器和荧光测量通道。

所述多波长光源的多波长耦合方式为波长耦合或偏振耦合。

所述多波长光源为分时设计的光源，即每个时间点只有一个波长的光照射悬浮颗粒物，不同波长的光按照时间顺序轮番照射。

所述多波长光源为同光束设计的光源，即不同波长的光以共享一个光轴和一套光学系统的方式照射同一个悬浮颗粒物。

所述偏振调节器包括依次设置的线偏振片、第一可变波片和第二可变波片，以实现照明光束的偏振态调节。

一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的方法，使用所述的装置进行水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱的同步测量。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种实现同步测量悬浮颗粒物的偏振光散射数据和激发发射谱数据的装置，可以同时获得悬浮颗粒物的结构、色素等信息，有利于颗粒物的分类、识别和属性检测等。本发明提供了一种将偏振光技术与激发发射谱法结合在一起的新方法，其优势在于同步获得同一个颗粒的大小、结构、色素等多维度的信息，并且无需样品准备，适用的样品多样，应用范围广。

附图说明

图1为本发明一种实施例的水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量装置的结构示意图。

图2为本发明一种实施例采用的脉冲组合光源的波长示意图。

图3为本发明一种实施例中的偏振调节器的结构示意图。

图4为本发明一种实施例中的偏振-荧光同步测量模块实现单光束测量的示意图。

图5为本发明一种实施例中的偏振-荧光同步测量模块实现多角度测量的示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1，本发明实施例提供一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置，包括照明光路1和接收光路2，所述照明光路1包括多波长光源3、偏振调节器4和第一透镜6，所述接收光路2包括第二透镜8、针孔9、第三透镜10以及偏振-荧光同步测量模块11，其中，所述多波长光源3发出的光束经过所述偏振调节器4后，产生指定的照射偏振光，经过所述第一透镜6聚焦照射水体中的悬浮颗粒物7，所述第二透镜8接收所述悬浮颗粒物7的散射光，所述针孔9对透过所述第二透镜8的光进行空间滤波，所述第三透镜10将通过所述针孔9的发散光变成平行光并送至所述偏振-荧光同步测量模块11，其中，所述第一透镜6在悬浮颗粒物7测量位置形成的焦点大小、所述针孔9的大小以及所述第二透镜8与所述针孔9的相对位置经过设置，使得所述接收光路2产生的探测区与照明光束的交叉体积即测量的散射体积中仅有单个悬浮颗粒物7，以便通过所述偏振-荧光同步测量模块11实现对单个悬浮颗粒物7的散射光偏振数据与激发的荧光发射谱的同步测量。

在优选的实施例中，所述多波长光源3通过增加空间或时间的区隔以使光源的波长与激发的荧光发射谱不重叠。

在优选的实施例中，所述多波长光源3的多波长耦合方式为波长耦合或偏振耦合。

参阅图2，在优选的实施例中，所述多波长光源3为分时设计的光源，即每个时间点只有一个波长的光照射悬浮颗粒物7，不同波长的光按照时间顺序轮番照射。

在优选的实施例中，所述多波长光源3为同光束设计的光源，即不同波长的光以共享一个光轴和一套光学系统的方式照射同一个悬浮颗粒物7。

参阅图3，在优选的实施例中，所述偏振调节器4包括依次设置的线偏振片12、第一可变波片13和第二可变波片14，以实现照明光束的偏振态调节。

参阅图4，在优选的实施例中，所述偏振-荧光同步测量模块11包括多个检偏器和多个荧光测量通道，所述多个检偏器分别用于同步测量多个偏振分量，所述多个荧光测量通道分别用于测量多个荧光发射波段的荧光强度，其中，经过多个荧光发射波段的荧光强度的测量，获得荧光发射谱，经过多个偏振分量的测量，实现对相应波长的散射光偏振态的测量。

在优选的实施例中，采用分波前、分振幅、或多角度的方式实现所述多个检偏器和多个荧光测量通道。

参阅图4，在优选的实施例中，所述偏振-荧光同步测量模块11还包括第一分光镜15、窄带滤光片16、第二分光镜17以及第一二色镜18，所述平行光经过所述第一分光镜15分为两部分光，第一部分光经过所述窄带滤光片16获得一个波段的光后再由所述第二分光镜17分光，所分的光束分别进入所述多个检偏器19，而第二部分光经过所述第一二色镜18，使其中不同荧光波段的光分别进入到所述多个荧光测量通道。更优选地，还包括分别与所述第二分光镜17和所述第一二色镜18并排设置的更多个分光镜和二色镜，各自对应于不同的检偏器19和荧光测量通道。

参阅图4，在一个优选的实施例中，从第一分光镜15分出的第二部分经由反射镜20的反射进入第一二色镜18。由此，第一二色镜18与第二分光镜17可以平行设置。

本发明实施例还提供一种水体悬浮颗粒物7偏振与激发发射谱同步测量的方法，使用前述任一实施例的装置进行水体悬浮颗粒物7偏振与激发发射谱的同步测量。

以下进一步描述本发明的具体实施例。

如图1所示，水体悬浮颗粒物7偏振与激发发射谱同步测量的装置包括照明光路1和接收光路2。照明光路1包括多波长光源3、偏振调节器4、光阑5、第一透镜6等；接收光路2包括第二透镜8、针孔9、第三透镜10、偏振-荧光同步测量模块11。

多波长光源3发出的光束经过偏振调节器4后，能够产生指定的照射偏振光，经过第一透镜6聚焦照射悬浮颗粒物7样品。悬浮颗粒物7发生散射后，在后向散射角度θ处设有接收光路，接收悬浮颗粒物7的散射光信号，被第二透镜8收集。针孔9与样品中的探测区因为第二透镜8而呈物像关系，即样品中的探测区通过第二透镜8后的像点位置放一个针孔9，进行空间滤波。散射体积是照明光束与探测区的交叉体积。图1所示的光路可以调整散射体积的大小，以便实现单个悬浮颗粒物7的测量。

在针孔之后，通过第三透镜10，将发散光变成平行光。偏振-荧光同步测量模块11同时测量散射光偏振数据以及荧光发射谱数据。经过多波长光源3的发光方式、与测量方式的协调，可以实现对悬浮颗粒物7的偏振-激发发射谱的测量。

为了实现对偏振-激发发射谱的同时测量，在一些实施例中，第一透镜6、第二透镜8和针孔9的配合实现对单个悬浮颗粒物7的测量，而与周围环境和颗粒物浓度无关。在一些实施例中，通过增加空间或时间的区隔，避免某个波长激发下荧光发射谱与多波长光源3中某个波长雷同。在一些实施例中，通过对光束的细分，或者在不同角度同时测量，对运动的悬浮颗粒物7的散射光偏振和激发发射谱进行瞬态测量。

单个悬浮颗粒物测量

为实现单个悬浮颗粒物的测量，限制散射体积，即限制照明光束与探测区交叉体积的大小。第一透镜6将照明光束聚焦在焦点，通过选择第一透镜6的焦距、光束宽度等就可以改变焦点的大小。同时由于针孔和探测区关于第二透镜8呈物象关系，通过调整针孔大小、第二透镜8和针孔9的相对位置，就可以调整探测区的大小。如此，可以让散射体积足够小。另一方面，若悬浮颗粒物浓度低，使得在概率上在散射体积内只有1个悬浮颗粒物或者没有悬浮颗粒物，就可以实现单个悬浮颗粒物的测量。同时，照明光源的光功率、波长、脉冲或连续照明等，可根据需要选择，以保证偏振、荧光信号的信噪比。

同时测量悬浮颗粒物的偏振分量和荧光发射谱

经设置，使同一个颗粒物的散射光同时被多个探测器接收，同时测量散射光的偏振分量以及多个荧光发射波段的强度。这种同时测量可以保证是同一个颗粒物、同一个位置、多个维度光学信息的采集，适应于悬浮颗粒物瞬态测量的需要。这种同时性的测量可以用分波前、分振幅、多角度等多种方式实现。

多种波长激发光源照明

采用多种波长的光照射样品，并且当一个波长照射悬浮颗粒物时，其他波长光都不照射悬浮颗粒物，不影响荧光发射谱和偏振参数的探测。为此，可采用多波长、分时、同光束的设计。多波长耦合的方式很多，包括波长耦合、偏振耦合等。分时设计即每个时间点只有一个波长的光照射样品，不同波长光按照时间顺序轮番照射。同光束设计即不同波长的照明光共享一个光轴、一套光学系统，以类似的方式照射同一个悬浮颗粒物。多波长光源3的分时设计考虑悬浮颗粒物在散射体积中存在的时间长度。

多波长光源的实现方式

如图2所示是多波长光源3发出的时间脉冲，不同波长的光以时间顺序形成脉冲序列，该序列以一定周期轮番出现。当时间上某个波长光照射悬浮颗粒物时，偏振-荧光同步测量模块11记录偏振数据和荧光发射谱(离散的、多个波段的)数据。当不同波长照射之后，就可以获得同一个颗粒物的偏振数据和激发发射谱数据。考虑到颗粒物的吸收-发射与颗粒物位置、形态、取向关系很小，所以不同时间段的激发光照射，不影响对悬浮颗粒物的激发发射谱测量。

多波长光源3的脉冲实现方式包括电流调制、空间滤波器调制、斩波器等。多波长合束成同一光轴光的方式包括波长合束、偏振合束等。重复周期T考虑悬浮颗粒物在散射体积中存留的时间。若以200转每分的磁力搅拌器搅拌，0.01微升的散射体积，颗粒物存留时间大约为1毫秒，此时重复周期最大为1毫秒。

偏振调节器的实现方式

偏振调节器4用于实现对照明光偏振态的调节。可以只关心某一个波长光的偏振态，也可以同时调节多个波长光的偏振态。如图3所示的偏振调节器4，入射光经过固定方向(可以水平或竖直线偏振)的线偏振片12，然后经过一个可变波片13和可变波片14，实现照明光束的偏振态调节。可变波片是一种可以改变波片快轴角度或者相位延迟的波片，可采用电机旋转来改变快轴角度，采用液晶、电光晶体、弹光晶体等方式改变相位延迟；可变波片13和可变波片14之间的快轴夹角经过设置，以使得其组合以及它们的变化范围可以覆盖邦加球(一种表示所有偏振态的球体)的大部分区域。

偏振-荧光同步测量模块的实现方式

1)单束光的实现方式

单束光的实现方式可采用分振幅法，如图4种所示为一种分振幅的结构设计。平行光被无差别地分成2束光，之后每束光可以按照需要进行测量。比如，经过某个或多个荧光波段的滤光片后，被光电转换器转换为电信号，测量该波段的荧光信号强度；或者经过某个波段(与照明光某波长相同)的窄带滤光片16后，经过指定角度的线偏振片12(或波片与特定角度的线偏振片12组合)，被光电转换器转换为电信号，测量该波长下的散射光的偏振分量。经过多个荧光波段的荧光强度测量，可以获得荧光发射谱。经过多个偏振分量检测，可以实现对某波长下散射光偏振态的测量。

2)多角度的实现方式

如图5所示，可将偏振或荧光探测器放在不同的散射角度，这些角度的散射体积有一个共同体积。在共同体积中的悬浮颗粒物发出的散射光，被某个散射角度的偏振探测器接收，实现其偏振数据的测量；同一个颗粒物发出的荧光，被多个不同角度的荧光探测器接收，每个荧光探测器的波段是固定的，并且彼此不同，多个荧光探测器组合能够覆盖所需要的荧光发射谱段。

考虑到共同体积对每个角度下散射体积的占比，每个角度探测到的颗粒物，只有一部分颗粒物是多个角度共享的。通过进行脉冲的同时性检验，保证信号来源于同一个悬浮颗粒物，从而获得该颗粒物的偏振-激发发射谱数据。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的装置，其特征在于，包括照明光路和接收光路，所述照明光路包括多波长光源、偏振调节器和第一透镜，所述接收光路包括第二透镜、针孔、第三透镜以及偏振-荧光同步测量模块，其中，所述多波长光源发出的光束经过所述偏振调节器后，产生指定的照射偏振光，经过所述第一透镜聚焦照射水体中的悬浮颗粒物，所述第二透镜接收所述悬浮颗粒物的散射光，所述针孔对透过所述第二透镜的光进行空间滤波，所述第三透镜将通过所述针孔的发散光变成平行光并送至所述偏振-荧光同步测量模块，其中，所述第一透镜在悬浮颗粒物测量位置形成的焦点大小、所述针孔的大小以及所述第二透镜与所述针孔的相对位置经过设置，使得所述接收光路产生的探测区与照明光束的交叉体积即所测量的散射体积中仅有单个悬浮颗粒物，以便通过所述偏振-荧光同步测量模块实现对单个悬浮颗粒物的散射光偏振数据与激发的荧光发射谱的同步测量。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多波长光源通过增加空间或时间的区隔以使光源的波长与激发的荧光发射谱不重叠。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振-荧光同步测量模块包括多个检偏器和多个荧光测量通道，所述多个检偏器分别用于同步测量多个偏振分量，所述多个荧光测量通道分别用于测量多个荧光发射波段的荧光强度，其中，经过多个荧光发射波段的荧光强度的测量，获得荧光发射谱，经过多个偏振分量的测量，实现对相应波长的散射光偏振态的测量。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，采用分波前、分振幅、或多角度的方式实现所述多个检偏器和多个荧光测量通道。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述偏振-荧光同步测量模块还包括第一分光镜、窄带滤光片、第二分光镜以及第一二色镜，所述平行光经过所述第一分光镜分为两部分光，第一部分光经过所述窄带滤光片获得一个波段的光后再由所述第二分光镜分光，所分的光束分别进入所述多个检偏器，而第二部分光经过所述第一二色镜，使其中不同荧光波段的光分别进入到所述多个荧光测量通道；优选地，还包括分别与所述第二分光镜和所述第一二色镜并排设置的更多个分光镜和二色镜，各自对应于不同的检偏器和荧光测量通道。

6.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述多波长光源的多波长耦合方式为波长耦合或偏振耦合。

7.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述多波长光源为分时设计的光源，即每个时间点只有一个波长的光照射悬浮颗粒物，不同波长的光按照时间顺序轮番照射。

8.如权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述多波长光源为同光束设计的光源，即不同波长的光以共享一个光轴和一套光学系统的方式照射同一个悬浮颗粒物。

9.如权利要求1至8任一项所述的装置，其特征在于，所述偏振调节器包括依次设置的线偏振片、第一可变波片和第二可变波片，以实现照明光束的偏振态调节。

10.一种水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱同步测量的方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的装置进行水体悬浮颗粒物偏振与激发发射谱的同步测量。

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