CN117388200A - 用于检测样品的微量分光光度计及检测样品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测样品的微量分光光度计，包括第一光纤与第二光纤，样品位于第一光纤与第二光纤之间，并通过表面张力形成具有一长度的液柱，微量分光光度计还包括光学元件，该光学元件沿光的光学路径布置在第一光纤与第二光纤之间，以使得经光学元件会聚的光通过液柱或者对通过液柱的光进行会聚，其中，光学元件设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于第二光纤的受光锥角，且经光学元件会聚的光在第二光纤的面向第一光纤的表面所在平面处截取的光斑直径小于等于第二光纤的直径。由此，可以在不增加接收光纤的直径的情况下，在确保不漏光的同时增加通过样品液柱的光程，由此可以扩展微量分光光度计的检测样品的下极限值。

Description

用于检测样品的微量分光光度计及检测样品的方法

技术领域

本发明涉及样品测量领域、特别是利用光学对样品进行测量的领域。具体来说，本发明涉及一种用于检测样品的微量分光光度计以及一种利用微量分光光度计来检测样品的方法。

背景技术

分光光度法是一种常用的生物、化学检测方法，其广泛应用于糖、核酸、酶或者蛋白等样品的快速定量检测。基于分光光度法的检测仪器称为分光光度计。在传统的分光光度计中，放置检测样品的容器为比色皿，但是比色皿的内容量较大，所以对待检的样品进行分光光度检测时，一方面需要耗费较大量的待检样品，造成珍贵的核酸、蛋白等样品的浪费，另一方面在进行不同待检样品的检测时，还需要反复清洗比色皿，给实验工作带来很多额外工作量。

微量分光光度计的出现有效地解决了上述技术问题。在使用微量分光光度计对样品进行检测时，其主要利用微量液体的表面张力牵引形成光通路，所以只需要很微量的待检样品即可以获得准确的检测数据。相较于比色皿，其准确度和可重复性都显著提升。

具体来说，微量分光光度计通常可以包括上、下对置的上测量元件和下测量元件。待测样品具有一定的表面张力，可以在上、下测量元件之间形成液柱。然后，使布置在上测量元件（例如，发射光纤）的发射端处射出的测量光穿过待测液体样品，并由布置在下测量元件（例如，接收光纤）处的接收端处进行接收，最后进入测量或分析机构进行检测。

如前已述，利用微量分光光度计测得吸光度以及由此确定待测样品浓度的理论基础是比尔-朗伯定律。已知在样品不变的情况下，光经过样品所经历的路径长度（可称为光程）与吸光度高度相关。

更进一步说，在微量分光光度计的系统信噪比（SNR）确定的情况下，最大光程决定了微量分光光度计的下检测极限（LOD）。该下检测极限代表了检测限度，它是指在给定的条件下，微量分光光度计能够可靠地检测到的最低浓度或浓度变化。一般情况下，下检测极限的数值越小，则系统的灵敏度越高。

在一种典型的微量分光光度计中，发射光纤的直径可以例如为100微米，而接收光纤的直径可以例如为400微米。当保持于发射光纤与接收光纤之间的、通过张力所形成的样品液柱的长度或者说光程超过一定数值，例如1000微米时，由于数值孔径等设计限制原因，会导致所传播的光有所泄漏。光的泄漏将会造成接收光纤所接收到的信息有损失，因此无法可靠、灵敏地检测到较小的浓度或浓度变化，即下检测极限的数值较高。

理论上讲，如果增加接收光纤的直径（例如，大于400微米、甚至大于600微米），可以解决光在传播到接收光纤时产生的泄漏问题。然而，由于光纤具有一定的弯曲半径，简单地增加接收光纤的纤芯直径将会导致光纤弯曲难度陡增，且使得整个系统或设备变得庞大和笨重。替代地，尽管减小发射光纤的纤芯直径也有助于降低光泄漏的风险，但这会导致光通量下降，进而不利地影响系统的信噪比。因此，也无法通过减小发射光纤的纤芯来解决上述技术问题。

因此，在微量分光光度计的领域中始终存在对在尽量减少光泄漏的情况下增大实际光程、或者说扩展（即，降低）微量分光光度计的下检测极限值以提高样品检测灵敏度的需求。

发明内容

本发明提供一种用于检测样品的微量分光光度计，该微量分光光度计包括第一光纤与第二光纤，其中样品位于第一光纤与第二光纤之间，并通过表面张力形成具有一长度的液柱，来自第一光纤的光穿过液柱到达第二光纤，以使得微量分光光度计具有对应于液柱的该长度的光程，微量分光光度计还包括光学元件，该光学元件沿光的光学路径布置在第一光纤与第二光纤之间，以使得经光学元件会聚的光通过液柱或者对通过液柱的光进行会聚，其中，光学元件设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于第二光纤的受光锥角，且经光学元件会聚的光在第二光纤的面向第一光纤的表面所在平面处截取的光斑直径小于等于第二光纤的直径。

借助本发明的微量分光光度计，可以在不增加接收光纤的直径的情况下，在确保不漏光的同时增加通过样品液柱的光程，由此可以扩展微量分光光度计的检测样品的下极限值（即，可以更灵敏地检测到样品浓度或浓度变化）。

有利地，微量分光光度计的光程能在0-2000微米之间变化。

通过使光程能在很大的范围内进行变化或者说具有较大光程，可以极大地提高微量分光光度计的检测灵敏度。

优选地，微量分光光度计还可包括透光部件，透光部件可沿光学路径布置在第一光纤与第二光纤之间，以使光能通过透光部件，透光部件包括面向第一光纤的第一表面和面向第二光纤的第二表面。

借助透光部件，一方面可以进一步缩小光斑，另一方面由于可以用于拉出液柱，因此使得灵活调整光学元件在光学路径中的位置成为可能。

有利的是，透光部件设置成可使液柱形成于第一光纤与透光部件的第一表面之间，光学元件可布置在透光部件与第二光纤之间，以使通过透光部件的光会聚至第二光纤。

由此，通过移动透光部件和/或第一光纤的位置，可以灵活设定通过液柱的光程，并且也可以设定光学元件相对于透光部件及第二光纤的距离来满足本发明对接收光时不漏光的要求。

例如，光学元件可包括透镜，透镜具有一预定焦距，沿光学路径看，透镜距第二光纤的距离和距透光部件的距离能至少基于预定焦距、第二光纤的数值孔径、光程（在此为第一光纤的端面至透光部件的第一表面之间的第一距离）来确定。

通过预定的焦距、第二光纤的数值孔径、和选定的第一距离可以容易地确定满足不漏光要求的光学元件的具体设置。

替代地，透光部件设置成使液柱可形成于第二表面与第二光纤之间，光学元件布置在第一光纤与透光部件之间，以将来自第一光纤的光会聚至透光部件。

由此，通过移动透光部件和/或第二光纤的位置，可以灵活设定通过液柱的光程，并且也可以设定光学元件相对于透光部件及第一光纤的距离来满足本发明对接收光时不漏光的要求。

例如，光学元件可包括透镜，透镜具有一预定焦距，沿光学路径看，透镜距第一光纤的距离和距透光部件的距离能至少基于预定焦距、第一光纤的数值孔径、光程（在此为透光部件的第二表面与第二光纤的端面之间的第二距离）来确定。

通过预定的焦距、第一光纤的数值孔径、和选定的第一距离可以容易地确定满足不漏光要求的光学元件的具体设置。

有利的是，光学元件可构造成单个球透镜或单个半球透镜。

将光学元件实施成单透镜可以降低成本，同时使得用于确定其定位和参数的计算量也降低。

替代地，光学元件构造成多个透镜，其能沿光轴方向相继布置。这种布置可以使得光学元件的设计可以非常灵活，例如对其中任一个透镜的会聚要求降低，因而尺寸等物理参数可以更优化。

或者，学元件构造成多个透镜，其能沿垂直于光轴的方向横向布置。横向布置的多个透镜可以实现对不同部分的光的选择性会聚作用，从而提高会聚效率，并且降低成本。

在优选的实施例中，所述透光部件具有大于90%的透光率。借助这种透光部件，可以使得光能充分通过，进而不影响吸光度的测量。

尤其是，透光部件的材料可为石英或蓝宝石。

石英材料可以实现对光的较少吸收（其具有从紫外到近红外很高的透光性），并且还可以利用其折射率来进一步缩小光斑。此外，由于其具有一定硬度，布置在微量分光光度计的光学路径中也有利于移动设置以及与保持稳定的液柱。对于220nm以上的波长，蓝宝石对光基本没有衰减，且具有比石英更高的耐磨性，因此也是优选的。

此外，本发明还提供一种利用微量分光光度计来检测样品的方法，该微量分光光度计包括第一光纤与第二光纤，其中待检测的样品位于第一光纤与第二光纤之间，并通过表面张力形成具有一长度的液柱，来自第一光纤的光穿过液柱到达第二光纤，以使得微量分光光度计具有对应于液柱的所述长度的光程，该方法包括：将光学元件沿光的光学路径布置在第一光纤与所述第二光纤之间，以使得经光学元件会聚的光通过液柱或者对穿过所述液柱的光进行会聚；其中，将光学元件设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于第二光纤的受光锥角，并且使在第二光纤的面向第一光纤的表面所在平面处截取的光斑直径小于等于第二光纤的直径。

借助上述方法，可以在不增加接收光纤的直径的情况下，在确保不漏光的同时增加通过样品液柱的光程，由此可以扩展微量分光光度计的检测样品的下极限值（即，可以更灵敏地检测到样品浓度或浓度变化）。

附图说明

图1示意性示出根据本发明的一个实施例的微量分光光度计的器件布置，其中在透光部件与第二光纤之间布置有球透镜；

图2示意性示出根据本发明的一个实施例的微量分光光度计的器件布置，其中在透光部件与第二光纤之间布置有半球透镜；

图3示意性示出根据本发明的一个实施例的微量分光光度计的物距像距曲线图；

图4示意性示出根据本发明的一个实施例的微量分光光度计的满足最大成像角小于或等于第二光纤的受光锥角的物距范围，其中纵坐标为最大成像角，横坐标为物距；

图5示意性示出根据图4实施例的微量分光光度计的在物距为4000微米条件下的光学部件（例如，透镜）与第二光纤之间的可行的距离范围；

图6示意性示出根据本发明的另一实施例的微量分光光度计的满足最大成像角小于或等于第二光纤的受光锥角的物距范围，其中纵坐标为最大成像角，横坐标为物距；

图7示意性示出根据图6实施例的微量分光光度计的在物距为3553微米条件下的光学部件（例如，透镜）与第二光纤之间的可行的距离范围；

图8示意性示出根据本发明的又一个实施例的微量分光光度计的器件布置，其中在透光部件与第一光纤之间布置有半球透镜；

图9示意性示出根据本发明的又一个实施例的微量分光光度计的物距像距曲线图；

图10示意性示出根据本发明的又一个实施例的微量分光光度计的满足方程的解的范围；

图11示意性示出根据本发明的又一个实施例的微量分光光度计的可行的物距范围；

图12示意性示出一种微量分光光度计的光传播情况，其中示出光在接收光纤的接收端面上的投影光斑。

附图标记列表：

100 微量分光光度计；

110 第一光纤

112 光发射面；

120 第二光纤；

122 光接收面；

130 透光部件；

131 第一表面

132 第二表面；

L （透光部件的）厚度；

140 光学元件；

P1 第一距离；

P2 第二距离；

u 物距；

l或v 像距。

具体实施方式

如前所述，分光光度计是指通过测定微量的被测物质（主要为样品溶液）在一定波长范围内的吸光度来对该被测物质进行定性和定量分析（例如，分析样品溶液中某种物质的浓度）的设备或仪器。本发明主要涉及的是利用在牵拉样品液体时其表面张力来形成样品液柱的微量分光光度计或者说微体积光谱仪，其中，由发射光纤发出的光会通过该样品液柱。但本发明并不涉及将样品液体容纳于发射光纤与接收光纤之间的容器内（即，不利用表面张力来形成液柱）的分光光度计，因为后者在对样品检测的要求、系统设置等方面与本发明的微量分光光度计存在本质不同。

此外，本发明的微量分光光度计仅用于测量液体样品，主要利用液体的表面张力而在两个接触面之间拉出液柱作为测量光程，因此测量的是透射光。本发明并不涉及拉曼光谱仪，其测量的是物质的反射光或透射光中的占比非常少（仅10^-6级别）的与物质结构有关的拉曼位移。换言之，本发明的微量分光光度计与拉曼光谱仪存在原理上的本质不同，因而无法基于拉曼光谱仪改型获得本发明。

在本发明的语境下，术语“光纤”可以包括纤芯、包层、涂覆层等在内的多个部分。换言之，本发明的光纤不仅涉及纤芯，而且还包括可以与样品溶液直接接触的表面。为了说明便捷性的原因，在全文中不再定义光纤之外的与样品溶液直接接触的层，例如其它保护层或罩层等。

此外，本发明中描述的光纤一般是已知结构的光纤：纤芯位于的中心部位，其成分例如可以是高纯度SiO₂，掺有极少量掺杂剂，用于提高折射率；包层位于纤芯的周围，包层的折射率略小于纤芯的折射率；涂覆层位于光纤的最外层。在本发明中，“光纤的直径”一般是指光纤纤芯的直径，而不计入包围纤芯的其他材料所占的直径，除非另有说明。

在光纤领域中，通常会定义光纤的数值孔径（Numerical Aperture，NA）。对于发射光纤（例如，下文所称的第一光纤）来说，数值孔径是对光纤传输光线的发散程度的度量。对于接收光纤（例如，下文所称的第二光纤120）来说，数值孔径（NA）是指光纤对于入射光线接受能力和传输损耗的度量，它描述了光纤末端对于接收光线的接受范围。数值孔径越大，表示光纤具有更大的接受角度范围，能够接收更多的发射光线。需要注意的是，光纤的数值孔径是一个设计参数，在光纤制造中确定。因此，不同类型的光纤可能具有不同的数值孔径，用以满足不同的应用需求。

数值孔径可以通过以下公式计算得出：NA = n * sin(θ)，其中，n是介质折射率，θ为半张角。当θ值较小，例如小于15度，则此时sin(θ)的值也约等于θ（弧度值）。

此外，术语“光程”是指从发射光纤发射出的光沿液柱的长度通过其的距离。由于液柱通常可能并非圆柱体，例如为沙漏形，因此通常将液柱的两个末端（假设为基本平的端面）之间的（最短）直线距离定义为液柱的长度。由于光程与液柱的长度的物理概念不同，因而在本文中将“光程”表述为对应于液柱的长度，但从数值上来讲二者是相等的。

在本发明中，术语“光轴”一般是指光学元件（如透镜）的中心对称轴。由于光学元件的光轴与光纤的中心轴线应对齐，即光轴与光纤的中心轴线在一条直线上（如在实践中略有偏差，也在不影响光学性能或设置计算的范围内），二者也可以彼此代替。

在本发明中，序号“第一”、“第二”等并不代表次序（例如，并不暗示具有先后关系，除非明确指出）或者优先级、重要性，上述序号仅仅是为了表示它们是不同的装置、元件或步骤而已。

本发明涉及一种用于检测样品的微量分光光度计100。该微量分光光度计100包括第一光纤（例如，发射光纤）和第二光纤120（例如，接收光纤）。第一光纤110与第二光纤120包括彼此面对的表面。例如，该表面可以由其各自的涂覆层或者设置在第一光纤110和/或第二光纤120上的附加层（例如，玻璃罩层）来提供，但本发明不对此作任何限制。通常，第一光纤110与第二光纤120的彼此面对的表面（或称端面、光发射面112、光接收面122）是平的或者基本平的。

如前所述，待检测的样品通常为液态（例如，样品溶液），其与第一光纤110（通常是面向第二光纤120的表面）、第二光纤120（通常是面向第一光纤110的表面）或者它们之间的任何合适表面（位于两根光纤之间的某个表面）可以接触。随着与样品保持接触的两个表面之间的距离增大（例如，可以由本发明未详述的运动机构来实现这种相对位移），该样品可以利用其表面张力来在所接触的这两个表面之间形成液柱。有利的是，该液柱可以呈大致沙漏形状，即该液柱的与这两个表面接触的两个端面处的液柱直径略微大于液柱中间处的直径，但这种形状在本发明中不是必须的，也基本上不影响本发明的光学设置和计算。

根据本发明，来自第一光纤110的光（或称光线）可以通过该样品液柱到达第二光纤120，以由第二光纤120接收。在此，由第一光纤110发出的光可以经过合适的光学器件到达液柱，而通过液柱的光也可以经过合适的光学器件到达第二光纤120，下文对此将分别进行详细描述。

如图12所示，在微量分光光度计100中，第一光纤110发射出的光呈锥形（即，形成一种光锥），其可以直接到达第二光纤120（例如，从其光接收面122进入第二光纤120）。将光在第二光纤120的光接收面122（即，面向第一光纤110的端面）所在平面处（截取）的投影直径定义为在光接收面122处的光斑直径。在此，表述“光接收面所在平面”是指通过光接收面122的中心并且垂直于光轴定向的平面。在绝大部分下，在光接收面122处沿其向外延伸的平面就是“光接收面所在平面”，但上述定义可以排除光接收面存在微小的、不完全垂直于光轴的倾斜或起伏。可以理解到，光斑直径可以小于、等于或大于第二光纤120的光接收面122的直径（一般假设光纤的端面为圆形，但若非圆形，则该直径为当量直径）。

假设样品本身的折射率为，则光在第二光纤120的光接收表面处的光斑直径可以表示为：

第二光纤120的收光能力（光接受能力）可以用F#来表示：

其中（在此，因第二光纤120的受光锥角ACP较小，因而sin(θ)约等于tan(θ)）。因此，可以得出：/>

通常，光通量与F#的平方成反比，即F#越大，光通量越小，收光能力越弱。反之，F#越小，光通量越大，收光能力越强。

当该光斑直径D小于等于第二光纤120的直径2R时，；当光斑直径D大于第二光纤120的直径2R时，因为已经超出了可接受极限，因此，/>。

在发射光纤和接收光纤的直径为预定值的情况下，希望将通过液柱的光程h设计成较大距离。然而，当例如光程超过一定值时，光斑直径D会大于第二光纤120的直径2R，即已经超出了可接受极限（例如，由于所设计的数值孔径等原因），因而导致所传播的光有泄漏。

如果要使第一光纤110发出的光都被第二光纤120所接收，则第一光纤110与第二光纤120之间的间距（在图12中，即为样品液柱的长度）需要满足：

假设第二光纤120的半径为200um，第一光纤110的半径为50um，第一光纤110与第二光纤120的数值孔径（真空中）均为0.22，如果样品为水（即，折射率），则可以实现的最大光程（即，第一光纤110与第二光纤120之间的液柱长度）h仅为906.8um。如果要实现1000um以上无泄漏，则第二光纤120的半径要大于215um（即，直径大于430um）。但如在背景技术中所详细描述的，简单地增加光纤直径会带来其他各种不利的风险，因此在实践中是不能实现的。

反过来说，根据下文进一步详述的本发明方案，在保证不漏光的前提下，第二光纤120的半径有能力可以设计成：

其中，NA为所述第二光纤120的数值孔径，r为第一光纤110的半径，为样品的折射率，h为光程。

换言之，在本发明中，可以达到光程大于906微米、例如1000微米、1200微米、1600微米甚至更大且确保无漏光，此时第二光纤120的直径仍保持在400微米左右。在本发明中，表述“不漏光”或“无漏光”是指几何光学上要求是完全不漏光，但如果在物理光学上由于各种环境影响或元件精度等原因而导致存在极少程度的漏光（例如，小于2%），也在本发明的范围内。

如上所述，在不增加第二光纤120的直径的情况下，为了在保证光不泄漏（即，通过样品液柱的光都能被第二光纤120所接收）的同时又能扩展微量分光光度计100的下检测极限（即，增大微量分光光度计的最大允许光程），根据本发明的微量分光光度计包括位于第一光纤110与第二光纤120之间的光学元件140。在此，术语“扩展…极限”是指获得更低的下检测极限值（即，能可靠地检测到更低的待检测物质的浓度或更小的浓度变化）。

在本发明中，该光学元件140沿光的光学路径布置在第一光纤110与第二光纤120之间。在此，术语“光学路径”是指光从第一光纤110发射出到由第二光纤120接收的传播路径，其中，具有预定长度的液柱通常包含在该光学路径上。通常，光学路径为由光所形成的在第一光纤110与第二光纤120之间的连线或其集合（可参见图3），但本发明也不排除在两根光纤之间存在由于反射元件等其他元件而导致的光路转向。

光学元件140可以对光进行会聚或者说聚焦。例如，光学元件140可以为单透镜，特别是单个球透镜、单个半球透镜。此外，除了单透镜之外，光学元件140还可以是复合透镜、组合透镜（或称透镜组）、菲涅尔透镜等。在一些实施例中，光学元件140可以包括多个透镜，这些透镜沿光轴方向（通常，光学元件140的光轴与第一和第二光纤120的中心轴线彼此对齐）彼此相继布置，以使得满足本发明要求的光学元件140的设计可以非常灵活，例如对其中任一个透镜的会聚要求降低，因而尺寸等物理参数可以更优化。在另一些实施例中，光学元件140可以包括多个透镜，这些透镜沿光轴的垂直方向横向布置。在此，多个透镜可以横向上彼此紧邻接触，也可以部分透镜与其他透镜存在间距。横向布置的多个透镜可以实现对不同部分的光的选择性会聚作用。例如，通过液柱纵向中心的光的会聚需求较小。

在一些实施例中，经该光学元件140会聚的光可以通过液柱或者说穿过液柱。在另一些实施例中，已通过或穿过液柱的光可以由该光学元件140会聚。在此，表述“通过”或“穿过”是指沿液柱的整个长度经过液柱，而不是横穿液柱。可以理解到，在光学元件140对通过液柱的光进行会聚的实施例中，应确保（例如，从设计角度确保）在光从第一光纤110发出至液柱到光入射到光学元件140上期间没有光的明显损失。

在本发明中，经光学元件140会聚的光通过液柱也不排除光在液柱的内部完成聚焦，但只要在进入液柱之前光由该光学元件140产生了会聚效应就属于在本发明的范围内。当然，经光学元件140会聚的光也可以不直接通过液柱，例如二者之间还可以有其他光学元器件。而已通过液柱的光可以由光学元件140会聚是指由光学元件140会聚的光来自于通过液柱的光，但也不排除还有其他的光通过光学元件140进行会聚。

可以理解到，为了确保在光照射到第二光纤120时没有漏光，经所述光学元件140会聚的光在所述第二光纤120的面向所述第一光纤110的表面（即，光接收面122）所在平面处截取的光斑直径小于等于第二光纤120的直径，因为否则至少有一部分光将无法照射到第二光纤120。

另外，为了确保已照射到第二光纤120的光接收面122上的光能被第二光纤120完全接收，将光学元件140设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于第二光纤120的受光锥角ACP。在此，术语“受光锥角”是指光纤轴线与入射光线之间的夹角，该夹角刚好满足光纤纤芯内部全内反射的条件。而术语“最大成像角（IMG）”是指经光学元件140会聚后的光的成像角中最大的角度。更具体来说，最大成像角（IMG）是指经过光学元件140的光的整个成像光锥的最外边界（或称包络线）与光学元件140的光轴之间的夹角。在本发明中，如无特殊说明，光学元件140在光学路径中一般放置成其光轴与第二光纤120（以及第一光纤110）的中心轴线保持对齐，即在同一直线上。

由于如上所述在光学路径上设置有光学元件140，因而无法在第一光纤110和第二光纤120的彼此面对的表面直接形成样品液柱。尽管可以设想直接在第一光纤110与光学元件140之间或者在光学元件140与第二光纤120之间形成液柱，但这对于移动光学元件140的位置（例如，为了调整位置或者拉开液柱）会造成一定干扰，且也需要对光学元件140本身、例如透镜进行改型，以使其适于与样品液体接触，因此直接由光学元件140提供与液柱的接触面之一在本发明中是允许的，并不是最优选的方案。

优选地，微量分光光度计100还包括透光部件130，该透光部件130沿光的光学路径布置在第一光纤110与第二光纤120之间。透光部件130包括面向所述第一光纤110的第一表面131和面向第二光纤120的第二表面132。如图1、2所示，液柱可以形成于第一光纤110与透光部件130的第一表面131之间。有利的是，该透光部件和第一光纤之间的间距是可调的。例如，透光部件130相对于第一光纤110移动（参见图1-2的双向箭头）。用于驱动的装置不是本发明的主题，在此不再赘述。如图8所示，液柱也可以替代地形成于透光部件130的第二表面132与第二光纤120之间（也由双向箭头示出）。在本发明中，术语“透光部件”是指能使光通过且不会影响到微量分光光度计的吸光度测量程度的部件。优选的是，透光部件具有大于90%的透光率。在此，“透光率”是指通过部件的光的能量与入射到该部件上的光的能量之比（通常用百分比来计）。

在优选的实施例中，透光部件130可以为石英板或称石英窗（因其透光而得名）。替代地，只要是满足在大约190nm到850nm范围内不吸收光的任何材料、即波长通透性好的材料都可以用于制成透光部件130，包括但不限于高分子材料（例如，各种已知类型的塑料）。在另一些实施例中，透光部件130可以为蓝宝石。除了在220nm 以下波长对光有衰减外，蓝宝石具有比石英更高的耐磨性。因此，对于不需要采用220nm以下波长的仪器，蓝宝石是优选的。

除了与样品液体直接接触以与光纤配合从而形成液柱之外，具有一定厚度（例如，至少上百微米级别）的透光部件130还有助于使通过该透光部件130的光产生一定的折射，从而在一定程度上缩小光斑。对于本发明来说，如果在光学路径上布置有透光部件130，也不一定意味着液柱与其接触（例如，其仅仅布置在光学路径上，但不借助其形成液柱，而是通过光纤与光学元件140或者其他元件来形成液柱），尽管这是优选的。但应注意到，仅包含透光部件130、例如500-1000um的石英窗（而不设置前述光学元件140）的微量分光光度计100通常是不足以实现本发明所要实现的、使经光学元件140会聚的光的最大成像角IMG小于或等于第二光纤120的受光锥角ACP的。换言之，此时仍会有漏光现象的发生，因而无法有效扩展微量分光光度计100的下极限值。

在一些实施例中，光学元件140可以布置在透光部件130与第二光纤120之间。在此，液柱形成于第一光纤110与透光部件130的第一表面131之间。表述“形成于…之间”在此是指液柱与第一光纤110以及与透光部件130直接接触。例如，由于表面张力，处于第一光纤110与透光部件130（的第一表面131）之间的样品通过二者之间间距的增加而被牵拉形成液柱。

在上述实施例中，借助本发明的设置，第一光纤110与透光部件130之间的间距（称为第一距离P1，即对应于光程）可以在例如0-2000um的较广范围内变化。这比现有技术中（在前述特定光纤物理参数、介质等相同比较条件下）只能产生906um的光程有明显增加，从而有效扩展了微量分光光度计100的下极限值。

当光学元件140构造成包括透镜时，该透镜具有一预定焦距f。在上述实施例中，沿光学路径看，该透镜距第二光纤120的距离以及距透光部件130的距离是可以计算得出的。优选地，这些距离可以基于透镜的预定焦距f、光纤的数值孔径NA、以及选定的第一光纤110与透光部件130之间的第一距离P1来确定。

可以理解到，由于光学元件140和可选的透光部件130本身具有一定厚度，因此，本发明中所涉及的术语“距离”在文中不同位置可能有不同的具体定义。但无论如何，本领域技术人员可以根据这些距离间接或者说关联地计算出其他表面之间的距离。例如，如果计算出球透镜或半球透镜的距离第二光纤120最近的位点离开第二光纤120的光接收表面的距离，则在确定球透镜或半球透镜的半径或直径后，也可以得出光学元件140的中心距第二光纤120的光接收表面的距离。

在一些实施例中，透光部件130可以与光学部件、例如透镜是成一体的。换言之，透光部件130可以是光学部件的一部分、例如称为透光部分。由此，可以获得十分紧凑的结构，同时也能满足从纵向一端接纳液柱的要求。在另一些实施例中，如上已述，透光部件130可以与光学元件140间隔开一定距离，即二者为彼此独立的部件。

下面，以图3-7所示的两个优选实施例来阐释光学元件140在微量分光光度计100中的设置、主要是在第一光纤110与第二光纤120之间的具体定位以及相关参数设计。

图3示意性示出根据本发明的一个实施例的微量分光光度计100的物距像距曲线图。A点是第一光纤110的光发射面112所在位置，即约相当于光程的起点。B点是透光部件130所在的位置，即约相当于光程的终点。换言之，液柱可位于A点与B点之间。A点与B点之间的间距、即上文所称的第一距离P1可以在0-2000um之间变化，特别是可以为1000um以上。y轴所在位置为光学部件、例如透镜所处位置（沿光轴方向的位置）。透光部件130与光学元件140之间的间距在图中用物距u来表示，而光学元件140与第二光纤120（参见C点或D点）之间的间距在图中用像距l来表示。图中所示的θ为物方孔径角，而为像方孔径角（或最大成像角）。值得注意的是，在该图3中所示的角度的大小和比例关系可能是不准确的，仅仅用于示意表达。例如，在本发明中，像方孔径角一般小于物方孔径角。

假设透光部件130（例如，石英窗）厚度为L，则因透光部件130本身折射产生的光斑缩小的量（单边）为。假设样品为水（/>），石英窗的n为1.45，数值孔径NA为0.22，如果厚度L为500um，则/>。

由于液柱位于第一光纤110与透光部件130之间，液柱本身的折射会进一步限制第一光纤110的实际数值孔径（真空中的数值孔径为NA=0.22）。在此，以水为例求解θ：

随着物距u的变化，则h的范围可以表示为。

在此，将第一光纤110的面向光学元件140的表面至透光部件130的距离定义为第一距离P1（即，对应于通过液柱的光程，并不包含透光部件130的厚度）的变化范围记为path（例如，0-2000um，特别是1000-2000um），则可以得到如下两个公式：

在光程以path值变化的情况下，像距l存在差值：

假设光学部件的焦距为f，则可以得出：以及/>。

代入前式，可以得到：

上式中的tan值可记为直线的斜率，即：

以上述K1、K2为斜率的直线方程分别为：

为了要考虑使最大成像角IMG（即图4的纵坐标）小于等于受光锥角ACP（假设在本实施例中为约12.7度），将斜率作为纵坐标，将物距u作为横坐标，得到图4中的两条直线，这两条直线的斜率均为0.166/f，其中还假定光学元件140、例如透镜的焦距为2.3mm（可以假设其他焦距值，根据每个不同的焦距值进行数值重新代入计算即可），第一距离P1（即，对应于光程，并不含透光部件130的厚度）为1200um。

在图4中，如果要两条直线均满足最大成像角IMG小于或等于12.7度（即，满足最大成像角小于等于受光锥角ACP），则物距u的范围可以从大约2300-4222um。

例如，为了获得较大的光通量，取物距u=4000um，则可以得到图5的曲线图，其中，横坐标为第二光纤120位置（即，像距），而纵坐标为光斑半径。由图5可见，满足光斑半径小于等于第二光纤120的光纤半径的第二光纤120位置可以从3782 um 变化到4259um。为了获得较大的光通量，例如第二光纤120位置可以取3800um。

由于之前假设了石英窗厚度为500um，则实际物距为4000+106=4106um。等效焦距为2.3mm的多种透镜都可以实现上述确定的物距、像距，例如单透镜、复合透镜、组合透镜、菲涅尔透镜等。假设透镜本身无法实现选定的距离范围，则可以重新选择等效焦距代入上式，并且根据更新后的图5来确定第二光纤120距离光学元件140的位置（即，像距）。

在另一实施例中，假设样品仍为水（即，折射率为1.33），第一与第二光纤120的数值孔径NA也不变，均为0.22，则如果要实现第一距离P1（光程）为1600um，在焦距仍为2.3mm的情况下，由图6可确定满足最大成像角IMG小于或等于12.7度（即，满足最大成像角IMG小于等于受光锥角ACP）的物距u的范围可以从大约2300-3822um。

假设取物距u=3553um，则获得图7的曲线图，其中，横坐标为第二光纤120位置（即，像距），而纵坐标为光斑半径。由图7可见，满足光斑半径小于等于第二光纤120的光纤半径的第二光纤120位置可以从4400-4704um。为了获得最大的光通量，例如第二光纤120位置可以取4400um。假设石英窗厚度为500um，则实际物距可以为3553+53=3606um。

下面，以单个球透镜和单个半球透镜为例来计算透镜的尺寸参数：

已知球透镜的有效焦距计算公式为：。取n=1.45，EFL=2.3mm，则球透镜的直径可以为2855um。

已知半球透镜的有效焦距计算公式为：。取n=1.45，EFL=2.3mm，则球透镜的直径可以为2722um。

由于假定了第一距离P1为1600um，在球透镜的情况下（参见图1），选定石英窗厚度为500um，则石英窗的第二表面距离球透镜的球心的距离为：

即，石英窗的第二表面距离球透镜的面对石英窗的表面的距离为：

此外，在半球透镜的情况下（参见图2），选定石英窗厚度为500um，则石英窗的第二表面距离半球透镜的最接近第二光纤120的球面位点的距离为：

即，石英窗的第二表面距离半球透镜的面对石英窗的表面的距离为：

至此，至少通过光学部件的选定（预定）焦距、数值孔径（或者说受光锥角）、第一距离P1（光程）等确定了光学部件、例如透镜距第二光纤120的距离（距光接收面122的距离）和距透光部件130的距离（距透光部件130的第二表面132的距离）。可以理解到，在计算过程中也用到了样品本身的折射率、透光部件130的折射率、厚度等参数，但这些参数的变化范围较小（例如，水与样品液体的折射率差异，不同透光部件130的折射率差异）或属于非主要设计参数（例如，透光部件130的折射率和厚度对于距离解的影响较小）。总体来说，在本文中，主要列明了一些关键的设计参数。

在本发明的又一些实施例中，透光部件130可以设置成使液柱形成于透光部件130的第二表面132与第二光纤120之间。如图8中所示，光学元件140可以布置在第一光纤110与透光部件130之间，以将来自第一光纤110的光会聚至透光部件130。

在这些实施例中，可以保持第二光纤120的位置不变，而改变第一光纤110的位置，同样也可以达到增加光程的目的。

假设第一光纤110的数值孔径NA为0.22，即θ=12.7。图9示意性示出根据本发明的微量分光光度计100的物距-像距曲线图，其中，u表示物距，v表示像距，而两条竖直虚线之间的间距为第二距离P2（即，对应于光程）的可变范围，即0-2000um。由图9可知：

为了使入射角小于等于第二光纤120的半张角（即，/>小于等于第二光纤120的数值孔径），假设样品为水（即，/>），则要满足：

/>

由此，像距、物距需要满足。

假设光学元件140的焦距为f，已知，代入上式则可以得到：

（方程3）

由图9的几何关系（NA约等于，而/>），可以得到直线方程：

该直线与x轴距离在 满足接受光纤尺寸，并且满足条件。

采用数值解法，取焦距f为0.35mm，选定第二距离P2（即，光程）为1600um，则图10示出满足方程3的曲线范围。可以看出，在很大的物距范围（参见图中的两条竖直虚线之间的间距）内都可以满足。

图11示出满足光斑直径小于等于第二光纤120的（纤芯）直径的情况下的物距可以在350-398um之间变化，例如可以取物距为390um（该物距为从第一光纤110的广义焦距至光学元件140的距离）。如果将光学元件140构造成半透镜，当第一光纤110的半径为50um时，则。在此，计算出的227.27um为第一光纤110的广义焦距至其面向光学元件140的表面的距离。

由此，第一光纤110的光发射表面距半透镜的面向第一光纤110的表面的距离为390-227.27=162.72um。

此外，由于物距u=390um，则像距。

由于半球透镜的等效焦距，可以计算出半球透镜的直径D为414um。

假设透光部件130（例如，石英窗）厚度为L，则因透光部件130本身折射产生的光斑缩小的量（单边）为。假设样品为水（/>），石英窗的n为1.45，数值孔径NA为0.22，如果厚度L为1000um，则/>。

假设石英窗的厚度为1000um，则石英窗的第一表面距半球透镜的最近位点的距离（即，距离半球透镜的下顶点的距离）为：

以上若干实施例仅仅示出了如何确定光学元件140在光学路径上的定位以及相关参数，其求解方式主要为数值解法。当设定的数值代入后无法获得有效解，则本领域技术人员能理解到可以取其它数值继续代入计算，直至获得某个特定实例的各个参数值。

在本发明中，以上假设的光程可以在0与最大光程范围（例如，优选为2000um）之间变化。这种光程变化可以精确地通过移动与液柱接触的两个表面之间的相对位置来实现，例如移动透光部件130相对于第一光纤110或第二光纤120的位置来实现，但也可以替代地或同时移动第一光纤110或第二光纤120。

此外，本发明也涉及一种利用微量分光光度计100来检测样品的方法。在该方法中，可以在不增加第二光纤120的直径的情况下增加光程。由此，可以通过扩展微量分光光度计100的下极限值（LOD）来改善检测样品的测量灵敏度。在该方法中，将光学元件140设置成使经其会聚的最大成像角IMG小于或等于第二光纤120的受光锥角ACP，并且使在第二光纤120的光接收面122处的光斑直径小于等于第二光纤120的直径。

在本发明的各个附图中，尽管未示出利用微量分光光度计来检测样品的整个过程，但可以理解到微量分光光度计的下极限值的缩小可以提升样品检测质量。此外，本发明的各个附图中示出的装置或部件之间的基本的位置关系或者装置或部件的尺寸大小关系仅仅是示意性的，并不能依据附图来得出其大小比例以及位置距离关系等。

前面的描述已经给出了许多特征和优点，包括各种替代的实施方式，以及装置和方法的结构和功能的细节。本文的意图是示例性的，并不是穷尽性的或限制性的。

对于本领域的技术人员来说显然可对由所附权利要求所表达的术语的宽泛上位含义所指示的全部范围内做出各种改型，尤其是在结构、材料、元素、部件、形状、尺寸和部件的布置方面，包括这些方面在此处所描述的原理范围内的结合。在这些各种改型未偏离所附权利要求的精神和范围的程度内，意味着它们也包含于此。

Claims (13)

1.一种用于检测样品的微量分光光度计，所述微量分光光度计（100）包括第一光纤（110）与第二光纤（120），其中所述样品位于所述第一光纤（110）与所述第二光纤（120）之间，并通过表面张力形成具有一长度的液柱，来自所述第一光纤（110）的光穿过所述液柱到达所述第二光纤（120），以使得所述微量分光光度计（100）具有对应于所述液柱的所述长度的光程，其特征在于，

所述微量分光光度计（100）还包括光学元件（140），所述光学元件（140）沿所述光的光学路径布置在所述第一光纤（110）与所述第二光纤（120）之间，以使得经所述光学元件（140）会聚的光通过所述液柱或者对通过所述液柱的光进行会聚，其中，所述光学元件（140）设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于所述第二光纤（120）的受光锥角，且经所述光学元件（140）会聚的光在所述第二光纤（120）的面向所述第一光纤（110）的表面所在平面处截取的光斑直径小于等于所述第二光纤（120）的直径。

2.如权利要求1所述的微量分光光度计，其特征在于，所述微量分光光度计（100）的所述光程能在0-2000微米之间变化。

3.如权利要求2所述的微量分光光度计，其特征在于，还包括透光部件（130），所述透光部件（130）沿所述光学路径布置在所述第一光纤（110）与所述第二光纤（120）之间，以使所述光能通过所述透光部件（130），所述透光部件（130）包括面向所述第一光纤（110）的第一表面（131）和面向所述第二光纤（120）的第二表面（132）。

4.如权利要求3所述的微量分光光度计，其特征在于，所述透光部件（130）设置成使所述液柱形成于所述第一光纤（110）与所述透光部件（130）的所述第一表面（131）之间，所述光学元件（140）布置在所述透光部件（130）与所述第二光纤（120）之间，以使通过所述透光部件（130）的光会聚至所述第二光纤（120）。

5.如权利要求4所述的微量分光光度计，其特征在于，所述光学元件（140）包括透镜，所述透镜具有一预定焦距，沿所述光学路径看，所述透镜距所述第二光纤（120）的距离和距所述透光部件（130）的距离能至少基于所述预定焦距、所述第二光纤（120）的数值孔径、所述光程来确定。

6.如权利要求3所述的微量分光光度计，其特征在于，所述透光部件（130）设置成使所述液柱形成于所述第二表面（132）与所述第二光纤（120）之间，所述光学元件（140）布置在所述第一光纤（110）与所述透光部件（130）之间，以将来自所述第一光纤（110）的光会聚至所述透光部件（130）。

7.如权利要求6所述的微量分光光度计，其特征在于，所述光学元件（140）包括透镜，所述透镜具有一预定焦距，沿所述光学路径看，所述透镜距所述第一光纤（110）的距离和距所述透光部件（130）的距离能至少基于所述预定焦距、所述第一光纤（110）的数值孔径、所述光程来确定。

8.如权利要求1-7中任一项所述的微量分光光度计，其特征在于，所述光学元件（140）构造成单个球透镜或单个半球透镜。

9.如权利要求1-7中任一项所述的微量分光光度计，其特征在于，所述光学元件（140）构造成多个透镜，其能沿光轴方向相继布置，或者沿垂直于光轴的方向横向布置。

10.如权利要求3-7中任一项所述的微量分光光度计，其特征在于，所述透光部件（130）具有大于90%的透光率。

11.如权利要求3-7中任一项所述的微量分光光度计，其特征在于，所述透光部件（130）的材料为石英或蓝宝石。

12.如权利要求3-7中任一项所述的微量分光光度计，其特征在于，所述光学部件与所述透光部件（130）构造成一体的。

13.一种利用微量分光光度计来检测样品的方法，所述微量分光光度计（100）包括第一光纤（110）与第二光纤（120），其中待检测的样品位于所述第一光纤（110）与所述第二光纤（120）之间，并通过表面张力形成具有一长度的液柱，来自所述第一光纤（110）的光穿过所述液柱到达所述第二光纤（120），以使得所述微量分光光度计（100）具有对应于所述液柱的所述长度的光程，其特征在于，所述方法包括：

将光学元件（140）沿所述光的光学路径布置在所述第一光纤（110）与所述第二光纤（120）之间，以使得经所述光学元件（140）会聚的光通过所述液柱或者对穿过所述液柱的光进行会聚；

其中，将所述光学元件（140）设置成使经其会聚的最大成像角小于或等于所述第二光纤（120）的受光锥角，并且使在所述第二光纤（120）的面向所述第一光纤（110）的表面所在平面处截取的光斑直径小于等于所述第二光纤（120）的直径。