CN115931655A - 一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构 - Google Patents

Abstract

本方案属于气溶胶电离技术领域，公开了一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构。该光路结构包括真空腔体、激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路；激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路相交于真空腔体中，形成正对进样口的识别电离区，其中连续波激光光路由能够同时发射两束相同波长连续波激光的连续波激光器提供激光，加上连续波激光光路在连续波激光器与识别电离区之间被配置为直射路径，大大简化了连续波激光光路，减少了能量损失，保证了对颗粒照射的光斑能量密度。此外，该连续波激光器的使用，使得气溶胶颗粒的粒径的检测仅需一条散射光检测光路，脉冲激光光路与连续波激光光路重合也仅需一个二向色镜，有利于光路结构的小型化。

Description

一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构

技术领域

本方案属于气溶胶电离技术领域，具体涉及一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构。

背景技术

现有技术中，气溶胶的识别与电离是通过荧光技术在颗粒流中区分出生物气溶胶颗粒，随后使选择的生物气溶胶颗粒被电离，以便对气溶胶颗粒进行检测。生物大分子气溶胶颗粒的区分原理是利用生物大分子本身的特性，即当用特定波长的激光照射时，生物大分子物质会被激发产生特有的荧光。例如，通过波长266nm的UV激光照射色氨酸会呈现出300nm至400nm的波长范围的荧光。而无机和大多数有机物质则不表现出这一特性。

在公开号CN1481575A为的发明专利中，便利用这一特性，通过第一激光装置产生的激光辐射进行生物气溶胶颗粒的选择，特定波长的激光在生物气溶胶颗粒中的特定物质中产生荧光，然后，通过检测荧光辐射的检测器判断出是否生物气溶胶颗粒，若是则触发第二激光装置发射激光，使仅由荧光检测器选择的生物气溶胶颗粒电离。对于第一激光装置，采用的是连续波激光装置，而对于第二激光装置，使用脉冲激光装置，由荧光检测器触发开启。

然而，上述发明专利存在诸多缺陷。首先，波长532nm的连续波激光本身能量低，加上连续波激光路径曲折复杂，会造成能量衰减，使照射颗粒所产生的散射光强较弱，而检测散射光的检测器灵敏度存在局限性，对于较小的颗粒将检测不到散射光信号，从而影响整个装置的性能。其次，荧光检测器内部光路复杂，会造成光强的衰减，而生物气溶胶颗粒受激发产生的荧光强度本身强度不高，同样会使小颗粒或荧光激发较弱的颗粒无法被探测到，这又限制了装置的性能。最后，两个激光装置的激光末端只有一个光阱结构用于消光，除此之外没有可以对激光强度进行检测校准的传感器，由于激光器存在光衰减的特性，会随之使用时间不断衰弱，必须对激光器进行调节以保证光强能量密度，保证装置的运行性能，而缺乏传感器就无法调节到标准强度。

鉴于此，有必要对单颗粒气溶胶的识别与电离光路进行改进。

发明内容

本方案旨在克服现有技术中的至少一种缺陷(不足)，提供一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，用于解决激光照射气溶胶颗粒时能量密度不足的问题。

为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，包括真空腔体、激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路；真空腔体具有进样口；激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路相交于真空腔体中，形成正对进样口的识别电离区；激光光路包括连续波激光光路和脉冲激光光路；连续波激光光路的起点设有连续波激光器，连续波激光器同时发射两束波长相同的连续波激光；脉冲激光光路的起点设有脉冲激光器，脉冲激光器发射波长不同于连续波激光的脉冲激光；连续波激光光路和脉冲激光光路上设有共用的第一二向色镜，第一二向色镜位于连续波激光器与识别电离区之间且位于脉冲激光器与识别电离区之间；连续波激光光路穿过第一二向色镜，且在连续波激光器与识别电离区之间为直射路径；脉冲激光光路被第一二向色镜反射后与连续波激光光路重合。

优选地，连续波激光光路和所述脉冲激光光路上设有共用的聚焦调节器，所述聚焦调节器位于所述第一二向色镜与所述识别电离区之间。

优选地，真空腔体具有激光进口，激光进口设有光阑，光阑位于聚焦调节器与识别电离区之间。

优选地，真空腔体的一侧设有激光调节腔，激光调节腔与激光进口对接，第一二向色镜、聚焦调节器设置于激光调节腔中。

优选地，连续波激光光路和脉冲激光光路的终点设有激光能量计。

优选地，真空腔体具有激光出口，激光出口位于识别电离区与激光能量计之间。

优选地，荧光检测光路为直射路径，其起点位于识别电离区，其终点设有荧光检测器，荧光检测器埋设于真空腔体的壁中，真空腔体的壁开设有荧光检测通道，荧光检测通道供荧光检测光路穿过以抵达荧光检测器。

优选地，荧光检测通道中设有聚焦器和第二二向色镜，荧光检测光路依次穿过聚焦器和第二二向色镜抵达荧光检测器。

优选地，散射光检测光路为直射路径，其起点位于识别电离区，其终点设有散射光检测器，散射光检测器埋设于真空腔体的壁中，真空腔体的壁开设有散射光检测通道，散射光检测通道供散射光检测光路穿过以抵达散射光检测器。

优选地，散射光检测通道中设有准直器，散射光检测光路穿过准直器抵达散射光检测器。

本方案与现有技术相比较有如下有益效果：采用能够同时发射两束相同波长连续波激光的连续波激光器，使得光路结构配置一条散射光检测光路即可检测气溶胶颗粒的粒径大小，减少了光学元件数量，节省了成本，有利于光路结构的小型化。更重要的是，能够同时发射两束相同波长连续波激光的连续波激光器的使用，加上连续波激光光路在连续波激光器与识别电离区之间被配置为直射路径，大大简化了连续波激光光路，减少了能量损失，保证了对颗粒照射的光斑能量密度。此外，仅用一个二向色镜即可将脉冲激光光路与连续波激光光路重合，使得整个激光光路进一步简化，更有利于光路结构的小型化。

附图说明

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本方案的限制；为了更好说明本方案，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

图1是识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构示意图一。

图2是识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构示意图二。

图3是识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构示意图三。

图4是识别与电离单颗粒气溶胶装置的俯视图。

图5是识别与电离单颗粒气溶胶装置的剖视图。

附图标记说明：连续波激光光路001，脉冲激光光路002，散射光检测光路003，荧光检测光路004，脉冲激光器1，激光调节腔2，分子泵3，进样口4，真空腔体5，连续波激光器6，反射镜7、15，第一二向色镜8，柱面镜9，窗口镜10、16，光阑11，进样管12，极片13，激光能量计14，荧光检测器17，准直器18，聚焦镜19，识别电离区20，第二二向色镜21，散射光检测器22，聚焦调节器23，激光进口24，激光出口25。

具体实施方式

请参加图1，其示出了识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构。该光路结构利用连续波激光照射生物气溶胶颗粒时会产生荧光的特点识别气溶胶颗粒，并在识别到气溶胶颗粒后发射脉冲激光，对该气溶胶颗粒进行电离，从而产生用于检测气溶胶成分的离子。上述光路结构包括真空腔体5、激光光路、散射光检测光路003和荧光检测光路004。

真空腔体5设有进样口4，进样口4可以与气动力部分连接，气溶胶颗粒通过该进样口4可以被快速吸入真空腔体5中。真空腔体5的外侧连接有分子泵，分子泵保证真空腔体5内部维持高真空状态，为气溶胶颗粒的识别与电离、甚至检测提供条件。真空腔体5中可以配置极片，用于使被脉冲激光电离而产生的离子进入高速运动状态。

激光光路、散射光检测光路003和荧光检测光路004相交于真空腔体5中，形成识别电离区20。该识别电离区20正对进样口4，即位于气溶胶颗粒的经过路径上，以便对经过的气溶胶颗粒进行识别和电离。其中，激光光路包括连续波激光光路001和脉冲激光光路002。

连续波激光光路001是连续波激光的传播路径，其起点设有一连续波激光器6。该连续波激光器6能够同时发射两束波长相同的连续波激光，例如波长均为532nm的连续波激光；具体地，连续波激光器6可以使用固态激光器或者惰性气体激光器。该两束连续波激光均沿连续波激光光路001传播，气溶胶颗粒被两束连续波激光照射时会一前一后产生散射光，还会产生荧光；如果该气溶胶颗粒是生物大分子，会产生特定波长范围的荧光。

脉冲激光光路002是脉冲激光的传播路径，其起点设有一脉冲激光器1。被触发后，该脉冲激光器1能够发射波长不同于上述连续波激光的脉冲激光，例如波长为266nm的脉冲激光；具体地，脉冲激光器1可以使用固态激光器或者惰性气体激光器。脉冲激光沿脉冲激光光路002传播，能够对被荧光识别到的气溶胶颗粒进行电离。该脉冲激光和上述连续波激光统称为激光。

连续波激光光路001和脉冲激光光路002上设有共用的第一二向色镜8，该第一二向色镜8位于连续波激光器6与识别电离区20之间，且位于脉冲激光器1与识别电离区20之间。二向色镜对不同波长的光具有选择通过性，上述连续波激光可以通过该第一二向色镜8，而上述脉冲激光无法通过而被反射。连续波激光光路001穿过第一二向色镜8，且在连续波激光器6与识别电离区20之间被配置为直射路径。脉冲激光光路002被第一二向色镜8反射后与连续波激光光路001重合。由于连续波激光器6能够同时发射两束波长相同的连续波激光，加上连续波激光光路001在连续波激光器6与识别电离区20之间被配置为直射路径，大大简化了连续波激光光路001，减少了能量损失，保证了对颗粒照射的光斑能量密度。由于脉冲激光光路002与连续波激光光路001重合，使得整个激光光路进一步简化，减少了光学元件数量，节省了成本，更重要的是，有利于光路结构的小型化。

如图2所示，连续波激光光路001和脉冲激光光路002上可以配置共用的聚焦调节器23，该聚焦调节器23位于第一二向色镜8与识别电离区20之间，以便改变激光的焦距，使连续波激光和脉冲激光可以对准气溶胶颗粒的经过路径。该聚焦调节器23可以是两个柱面镜，调节该两个柱面镜的间距和距离，便可改变连续波激光和脉冲激光的焦距。除了柱面镜，聚焦调节器23也可以采用其它凸透镜或平凸透镜等实现。

连续波激光光路001和脉冲激光光路002的终点可以配置共用的激光能量计14。激光能量计14可以随时监测激光光斑的能量密度，以便判断其是否符合激光强度要求，如果发生能量衰减，可以及时调节激光器功率，提高其能量密度到标准值，如此可保证装置性能稳定高效。

此外，激光光路还可以采用光纤传播方式，以达到更小型化的目的。

如图3所示，上述连续波激光器6、脉冲激光器1、第一二向色镜8、聚焦调节器23和激光能量计14最好设置在上述真空腔体5外。真空腔体5设有激光进口24和激光出口25，以便连续波激光和脉冲激光进出真空腔体5。激光进口24位于聚焦调节器23与识别电离区20之间，激光出口25位于识别电离区20与激光能量计14之间，两者均配置有窗口镜，用于隔绝真空腔体5与外部环境，保证真空腔体5的真空状态。

激光进口24还可以配置光阑11，光阑11优选设置在真空腔体5内。理论上，激光光路与气溶胶颗粒的经过路径互相垂直于识别电离区20，并在此处的小区域内随机位置经过。光阑11配置在激光进口24内，可以对进入真空腔体5的激光的光斑大小和形状进行规整。气溶胶颗粒通过进样口4进入真空腔体5后，两束连续波激光在光阑11的作用下会形成细长的横向光斑，对气溶胶颗粒的经过路径进行区域性照射，防止漏过颗粒。同样地，被触发而发射的脉冲激光在光阑11的作用下也会形成细长的横向光斑，对气溶胶颗粒的经过路径进行区域性照射，防止漏过颗粒。

真空腔体5的一侧可以配置激光调节腔2，该激光调节腔2与上述激光进口24对接，第一二向色镜8、聚焦调节器23均设置在该激光调节腔2中，起到保护和防尘的作用。

散射光检测光路003用于传递连续波激光照射气溶胶颗粒后产生的散射光，是散射光的传播路径，其起点为上述识别电离区20，终点设有一散射光检测器22。具体地，散射光检测器22可以是包括CCD、光电倍增管或者是其它类型的光电传感器。由于连续波激光器6发射的两束连续波激光波长相同，配置一条散射光检测光路003即可实现两个散射光的传递和检测，有利于简化光路，减少光学元件数量，节省成本。散射光检测器22可以接收两束连续波激光照射气溶胶颗粒时产生散射光，在接收到前后两次散射光信号后，会将接收到的散射光信号转换成电信号并传递给计算机系统，计算机系统通过计算处理两个散射光信号的时间差，可以得出该气溶胶颗粒的粒径大小。散射光检测光路003上可以配置准直器18，通过该准直器18将散射光传递给散射光检测器22。散射光检测光路003优选配置为直射路径，以简化光路，减少能量损失。为此，散射光检测器22埋设于真空腔体5的壁中，真空腔体5的壁开设有散射光检测通道，以供散射光检测光路003穿过并抵达散射光检测器22。上述准直器18可以被配置在该散射光检测通道中。

荧光检测光路004用于传递连续波激光照射气溶胶颗粒后产生的荧光，是荧光的传播路径，其起点为上述识别电离区20，终点设有荧光检测器17。具体地，荧光检测器17可以是包括CCD、光电倍增管或者是其它类型的光电传感器。该荧光检测器17接收到荧光信号后，计算机系统会触发脉冲激光器1，使其发射脉冲激光。荧光检测光路004上可以配置聚焦器，荧光通过聚焦器聚焦后经第二二向色镜21传递到荧光检测器17。荧光检测光路004上还可以配置第二二向色镜21，第二二向色镜21设置在聚焦器与荧光检测器17之间，在荧光聚焦后传递到荧光检测器17的过程中，第二二向色镜21仅允许特定波长的荧光通过，其余波长的散射光则被过滤反射，使得荧光检测器17只接受到特定波长范围的荧光信号，从而实现生物大分子气溶胶颗粒的识别。荧光检测光路004优选配置为直射路径，以简化光路，减少能量损失。为此，荧光检测器17埋设于真空腔体5的壁中，真空腔体5的壁开设有荧光检测通道，以供荧光检测光路004穿过并抵达荧光检测器17，大大缩短光通路径，可以避免荧光光强损失，可以检测到更微弱荧光源发出的荧光信号，提高了装置的灵敏度，降低了检测下限值。上述聚焦器和第二二向色镜21可以被配置在该荧光检测通道中。

气溶胶颗粒被脉冲激光电离后产生的离子，可以采用质谱分析仪器对其成分进行检测，因而上述光路结构可以被应用于质谱分析仪中。在质谱分析仪中，离子需要通过飞行时间等质量分析器进行筛分，此过程通常需要在真空环境中进行。因此，上述真空腔体5可以被配置为管道结构，激光光路与管道结构的轴相互垂直，除了供激光识别与电离的区域，其他区域可以用于配置质量分析器。配置在真空腔体5外的连续波激光器6、脉冲激光器1、第一二向色镜8、聚焦调节器23以及分子泵可以配置在管道结构的同一侧，散射光检测通道和荧光检测通道可以配置在穿过激光光路的管道横截面上，并使散射光检测通道和荧光检测通道分别与激光光路呈锐角设置，使得整个结构更加紧凑简单，适合于更紧凑的应用空间，同时结构的简单化可以提高系统的稳定性，减少了风险点的产生，本结构可以应用在小型化的产品上，例如车载式、便携式仪器设备。

为了让本领域的技术人员更好地理解本方案，下面结合具体装置及其工作过程对本方案做进一步详细说明。

请参见图4～5，其示出了识别与电离单颗粒气溶胶的装置。如图4所示，真空腔体5呈管道结构，脉冲激光器1、激光调节腔2和分子泵3设置在管道结构的同一侧。其中，脉冲激光器1提供电离用的脉冲激光束，激光调节腔2内部包含连续波激光器以及可调节焦距的激光光路，同时调节腔还起到保护和防尘的作用。脉冲激光器1、激光调节腔2和真空腔体3顺序对接。分子泵3与真空腔体5连接，用于保证真空腔体5维持内部高真空条件。真空腔体5的顶部设有与激光调节腔2位置对应的进样口4，进样口4是真空腔体上的颗粒进入孔，与气动力部分连接(图上未展示)，气溶胶颗粒通过此入口快速被吸入真空腔体5中。

如图5所示，激光调节腔2与真空腔体5对接。激光调节腔2中设置有顺序排布的连续波激光器6、第一二向色镜8和柱面镜9，第一二向色镜8的下方设置有反射镜7，该反射镜7正对脉冲激光器1。真空腔体5与激光调节腔2对接的壁上设有激光进口，激光进口中由内到外依次配置窗口镜10和光阑11。真空腔体5背对激光调节腔2的壁上设有激光出口，该激光出口与激光进口相对。激光出口中配置有窗口镜16。真空腔体5的顶部设置有进样管12。真空腔体5中存在正对进样口12的识别电离区20，该处配置有极片13。真空腔体5的壁开设有直指识别电离区20的散射光检测通道和荧光检测通道，散射光检测通道中设有沿光的传播方向设置的准直器18和散射光检测器22，荧光检测通道中设有沿光的传播方向设置的聚焦器19、第二二向色镜21和荧光检测器17。真空腔体5背对激光调节腔2的一侧设有激光能量计14，激光能量计14通过出光通道与激光出口对接，出光通道中设置有反射镜15。

连续波激光器6可以同时发出两束连续波激光，波长均为532nm，可以直接通过第一二向色镜8。而脉冲激光器发射的是波长为266nm的脉冲激光，经过反射镜7的90度反射后照射到第一二向色镜8上。由于第一二向色镜8对不同波长光的选择通过性，266nm波长激光无法通过而被90度反射，此时脉冲激光器1和连续激光器6发出的激光光路合二为一，重合在一起。激光经过两个柱面镜9，调节柱面镜9的间距和距离可以改变激光的焦距，使其可以调整对准气溶胶颗粒的路径，窗口镜10隔绝真空腔体5与激光调节腔2，保证真空环境，光阑11会对激光的光斑大小和形状进行规整，气溶胶颗粒通过进样管12进入真空腔体5后，理论上，激光路径与气溶胶颗粒路径互相垂直于识别电离区20之处，并在此处的小区域内随机位置经过，两束连续波激光在光阑11的作用下会形成细长的横向光斑，对气溶胶颗粒的经过路径进行区域性照射，防止漏过颗粒，在颗粒分别通过两束连续波激光照射时，会一前一后产生散射光，经过在准直器18传递给散射光检测器22，在接收到前后两次散射光信号后，散射光检测器22会转换成电信号并传递给计算机系统，通过计算处理两个散射光信号的时间差，可以得出颗粒的大小。

当经过的气溶胶颗粒是生物大分子时，被连续波激光照射后会产生特定波长范围的荧光，通过聚焦器19聚焦后传递到荧光检测器17，在此过程中需要经过第二二向色镜21，第二二向色镜21仅允许特定波长的荧光通过，其余波长的散射过则被过滤反射，当荧光检测器17接收到荧光信号后，计算机系统会触发控制脉冲激光器1发射脉冲激光，对生物气溶胶颗粒进行电离，产生的离子在极片13的作用下，进入高速运动状态。

激光束在经过识别电离区20之后，再经过窗口镜16到达反射镜15，最终到达激光能量计14，光路至此为止。激光能量计14可以随时检测激光光斑的能量密度，看是否符合激光强度要求，如果发生能量衰减，只需要调节激光器提高能量密度到标准值，如此可保证装置性能稳定高效。

显然，本方案的上述实施例仅仅是为清楚地说明本方案所作的举例，而并非是对本方案的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本方案权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，包括真空腔体、激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路；所述真空腔体具有进样口；所述激光光路、散射光检测光路和荧光检测光路相交于所述真空腔体中，形成正对所述进样口的识别电离区；所述激光光路包括连续波激光光路和脉冲激光光路；所述连续波激光光路的起点设有连续波激光器，所述连续波激光器同时发射两束波长相同的连续波激光；所述脉冲激光光路的起点设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发射波长不同于所述连续波激光的脉冲激光；所述连续波激光光路和所述脉冲激光光路上设有共用的第一二向色镜，所述第一二向色镜位于所述连续波激光器与所述识别电离区之间且位于所述脉冲激光器与所述识别电离区之间；所述连续波激光光路穿过所述第一二向色镜，且在所述连续波激光器与所述识别电离区之间为直射路径；所述脉冲激光光路被所述第一二向色镜反射后与所述连续波激光光路重合。

2.根据权利要求1所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述连续波激光光路和所述脉冲激光光路上设有共用的聚焦调节器，所述聚焦调节器位于所述第一二向色镜与所述识别电离区之间。

3.根据权利要求2所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述真空腔体具有激光进口，所述激光进口设有光阑，所述光阑位于所述聚焦调节器与所述识别电离区之间。

4.根据权利要求3所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述真空腔体的一侧设有激光调节腔，所述激光调节腔与所述激光进口对接，所述第一二向色镜、聚焦调节器设置于所述激光调节腔中。

5.根据权利要求1～4任一项所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述连续波激光光路和所述脉冲激光光路的终点设有激光能量计。

6.根据权利要求5所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述真空腔体具有激光出口，所述激光出口位于所述识别电离区与所述激光能量计之间。

7.根据权利要求1～4任一项所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述荧光检测光路为直射路径，其起点位于所述识别电离区，其终点设有荧光检测器，所述荧光检测器埋设于所述真空腔体的壁中，所述真空腔体的壁开设有荧光检测通道，所述荧光检测通道供所述荧光检测光路穿过以抵达所述荧光检测器。

8.根据权利要求7所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述荧光检测通道中设有聚焦器和第二二向色镜，所述荧光检测光路依次穿过所述聚焦器和第二二向色镜抵达所述荧光检测器。

9.根据权利要求1～4任一项所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述散射光检测光路为直射路径，其起点位于所述识别电离区，其终点设有散射光检测器，所述散射光检测器埋设于所述真空腔体的壁中，所述真空腔体的壁开设有散射光检测通道，所述散射光检测通道供所述散射光检测光路穿过以抵达所述散射光检测器。

10.根据权利要求9所述的识别与电离单颗粒气溶胶的光路结构，其特征在于，所述散射光检测通道中设有准直器，所述散射光检测光路穿过所述准直器抵达所述散射光检测器。

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