CN1210555C - 光测量装置 - Google Patents

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Abstract

使用本荧光测量装置或磷光测量装置对试样进行分析测量时，从光源发出的激励光至试样的光路和由试样发出的荧光或磷光至探测单元的光路都被阻断。二条光路由一只截光器来阻断。

Description

光测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量试样受激励光照射而发出的荧光或磷光的装置，特别涉及一种能获得高探测灵敏度和高信噪比的荧光和磷光测量装置。
背景技术
一种荧光和磷光测量装置利用观察到的现象，即当如激励灯或激光器的激励光照射到被测试样时，发出的光波长与照射的激励光波长不同，从而来探测被测物品中的目标分量。
在实际的测量装置中，测量来自试样的目标发出的光时，由于激励光照射至试样容器、存在的透镜和滤光器，故除了测得目标发出的光之外，还测得其他辐射的光、荧光、或磷光，故测得的信噪比就降低。
此外，在照射光的正面测量光时，激励光的余辉进入光测量器件，信噪比也会同样降低，即分析和测量不是来自试样的荧光或磷光(后称测量干涉光)，如同被测物品包括在试样中，然而被测物品并非本来就包括在试样中，这样作出不正确的判断。
此外，散射光或测量干涉光的密度是变化的，结果，应用的分析测量方法或测量装置的最低探测极限显著地降低。
一般为了减少由灯、激光器、存在的透镜和滤光器或试样容器产生的散射光，或干涉光对测量的干扰，对荧光事先作了分析，选择一种具有较小测量干涉光的原料作为材料使用，通过把材料做薄，或在材料表面加以涂复，可减少材料用量。
还研究电压、形状和气压，并改进灯和激光器，致使在照射结束后余辉可尽可能地小。就光测量方法而言，除了透射表面荧光测量方法之外，即激励光照射方向和光测量方向是一致的，还可适当地使用侧面荧光测量方法，即方向不一致，探测单元不直接接受来自灯和激光器的光，和照射表面荧光测量方法等。
由于开发一种磷光体和发光体，激励光波长和荧光或磷光波长之间的不同，即所谓的“斯托克斯频移”增加，并安装波长选择滤光器，就可避免探测到波长相邻于激励光波长的光。
此外，现已研究一种时间分辨测量方法，使用一种具有长时间连续辐射荧光和磷光的发光体，并在不同于激励光照射时间的期间测量荧光或磷光。
近年来，特别是使用稀土元素的发光体(Lantanoide)的开发又进了一步，稀土元素如具有长斯托克斯频移和长时间连续发光的铕，并且对被测物品加以标识和进行分析测量的方法也有了改进。
然而，在各种方法中，散射光或干涉光干扰测量还不能被有效地减小，故不可避来自试样以外其他物品的干涉光。
在时间分辨荧光测量方法中，光测量装置不接受激励光，因此，正常的方法是把荧光测量的时间设定在激励光断开的时间。例如，一般方法是打开1000Hz的闪光灯0.01ms，在灯打开后的0.4ms和0.8ms之间测量，在1ms周期内测量光，计算1秒钟的光量，并显示数据。
在荧光测量装置或磷光测量装置中，使用钨灯、水银灯、氩气灯、氖闪光灯、氮气激光器或氩气激光器等作为光源。为了防止目标发出的光以外的光照射至试样，使用一种光屏蔽板或光路阻断板(以下称为截光器)。
在圆状黑色板四周设以固定尺寸的空隙，黑板是旋转的，光源发生的激励光只能通过此空隙，这样激励光可以固定时间间隔照射至试样上。
在光源方面，当灯关上时，光并非马上就消失，光源中心部分过一段时间才减小光，因此即使电压断开，光源一般还发出光。有时电压断开后的余辉使透镜、滤光器、试样或光源的试样容器或探测单元等都会发光，这样在测量时引致噪声和背景增加。
此外，余辉的波长不同于光源辐射光的原来波长，所以把激励光与荧光或磷光在波长上分开时，余辉具有与荧光或磷光波长相同的或相接近的波长，这样引致测量时噪声增加。为了去除光源的余辉，可这样设置，即在光源电源断开的同时或断开之前，由截光器完全阻断。
在时间分辨荧光测量方法中，激励光对试样的照射时间和测量试样辐射的荧光或磷光的时间相互不同，这样可减少由激励光所形成的测量噪声，并提高测量灵敏度。
为了减少前述的噪声或背景，把截光器放在试样或光源的透镜和滤光器之前，防止目标光以外的光照射至试样上。截光器的阻断行动和电源开或关是同步的。
此外，接受光源辐射的光的透镜、滤光器或反射镜会使光散射。散射光最好不要照射至试样。为了防止电源断开后的余辉照射至试样上，在连通灯和试样的光路上安置截光器，来屏蔽由光源实际辐射的必要光以外的光。
这样做，当灯断开时，就可防止不必要的光照射到试样上，而试样只有在接受目标能量时才发出荧光或磷光。
同样，安装一实体阀门或在试样之后设置一电路断路器，可防止激励光照射至类似光电倍增管的光量探测器上。这样做，由激励光形成的噪声得以减少，在激光光照射后辐射的光源余辉和来自透镜、滤光器、反射镜或试样支架的余辉或散射光就可消除。
就使用截光器的时间分辨荧光探测方法而言，已知此技术已揭示于日本公开专利出版物No.Hei 10-267844。此技术使用第一截光器将要进入试样的光转换成脉冲光，使用激励光光源作为持续光源，并使用第二截光器只探测试样发出光中的目标荧光或磷光。使用此法可有效地去除光源的余辉，来自透镜、滤光器、反射镜或试样支架的余辉或散射光。
发明内容
在日本公开专利出版物NO.Hei 10-267844(1998)中揭示的技术必须分开安装两只截光器，并用PLL电路来控制它们使之同步，所以装置必然复杂，成本增加。
本发明目的是提供一种光测量装置，其包括：光源；从所述光源发出的光中选择、取出和聚焦测量所需波长的光的光学系统；把所述聚焦光照射到被测试样并探测所述试样发出的荧光和磷光的探测器；和一个光路屏蔽机构，安装在所述光源和所述被测试样之间的光路上以及所述被测试样和所述探测器之间的光路上，其中：所述光路屏蔽机构具有一个用于阻断所述光路的共用的光屏蔽板，其中，该共用的光屏蔽板具有至少一个位于其上的光路阻断机构，该光路阻断机构在所述光源的光进入所述被测试样的时区内工作在所述被测试样和所述探测器之间，所述光路阻断机构在所述被测试样发出的荧光或磷光进入所述探测器的时区内工作在所述光源和所述被测试样之间以阻断光路。
在前面所述的光测量装置中，所述光源可以是一种常开光源或一种产生脉冲的光源。
在前面所述的光测量装置中，所述共用的光屏蔽板是园形的，且进一步包括至少一个用于使光通过所述光源和所述被测试样之间光路和所述被测试样和所述探测器之间光路的狭缝件，所述狭缝件和光屏蔽件在所述光屏蔽板上是成对的。
在前面所述的光测量装置中，所述成对的狭缝件和光屏蔽件几乎安装在所述圆形光屏蔽板的径向上，并位于所述径向上的不同位置。
在前面所述的光测量装置中，在所述共用的光屏蔽板之间保持的所述光路上不采用由于激励光照射而发出荧光和磷光的透镜和滤光器，而采用反射镜来反射所述光路或聚焦和散射光。
在前面所述的光测量装置中，在测量荧光或磷光时，在从灯或激光器至光量探测器的光路，以及从所述光源至所述试样和从所述试样至所述探测器的所述光路上，配合使用共用的光屏蔽板，并且在所述共用的光屏蔽板之间保持的光路上不用透镜和滤光器，也不利用激励光的照射，而使用反射镜来反射所述光路或聚焦和散射光通路。
在本发明中，截光器插入于从光源至探测单元的光路上的许多部分中，且只能有效地测量从试样上辐射的荧光和磷光，截光器减少至1个，这样由于结构简单引起的麻烦很少，价格也低，却取得高测量灵敏度和高信噪比。
在本发明的光测量装置中，在分析和测量试样时，从光源发出的激励光至试样的光路和由试样辐射的荧光或磷光至光量探测单元的光路分别通过使用1块光屏蔽板加以阻断。
当激励光和探测二方面的光路都阻断时，激光光光源不需要经常闪光(重复地开和关)或产生脉冲光，并且可保持连续。这样，照射至试样的光量增加或减少可由环形截光器通过使光通过的空隙大小和圆盘旋转速度来加以控制。
附图说明
图1是根据本发明的荧光和磷光测量装置的光学系统示意图。
图2是未使用本发明装置的计时图例。
图3是根据本发明的针时图例。
图4是根据本发明的截光器示意图。
图5示出根据本发明的由光源发生的激励光光路图。
图6示出根据本发明的由光源发生的荧光或磷光光路图。
图7示出根据本发明随着由试样发生的铕磷光时间而变化的和在测量时随着背景噪声时间而变化的实例图。
图8示出本发明的缝隙、光屏蔽件和光路之间的关系详细图。
具体实施方式
激光器件的进步和视频处理技术的提高如，CCD摄像机、光二极管阵列、光电倍增器等都是十分显著的。又，应用微芯片或微器件的超微分析技术对由生物体如基因和蛋白质形成的物质的应用正在取得巨大进步。
当由微器件进行试样分析测量时，在管状或空心容器中的试样由激光器的激励光所照射，发出的荧光或磷光易于由光测量器件进行光测量，或作为CCD摄像机的图像被捕获，在数据处理后，测量值显示出来，并用此值分析试样。
众所周知，透镜或滤光器由于光的照射而发出荧光或磷光。激励光最好不要到达探测单元的透镜或滤光器。当有必要进行光的反射(光路改变)、聚焦或散射时，使用反射镜。据说铝金属材料的反光镜不会发出荧光和磷光。
本发明的荧光或磷光测量装置的实例将于下面详述，并参照图1至图7。
实例1
图1示出本发明实例的系统设计图。光源1可以是如氙闪光灯的脉冲生成光源，来自光源1的光由透镜系统2加以聚焦，通过选择滤光器3，只取出激励用的波长分量，然后由诸如二向色镜的聚焦镜4聚焦，并照射至分布于如小平板的试样容器5上的试样6。
来自试样6的荧光或磷光由聚焦镜7聚焦在相对的一侧，短波长的光即激励光被去除，而荧光或磷光通过选择波长滤光器8，取出所需波长的光，并通过透镜系统9，通过诸如光电倍增管的探测器及其电路转换为光量。
马达11和截光器片12以后再述。这儿，当使用铕和配基及其合成物或标定的蛋白质作为试样时，激励波长为约340nm，被探测的荧光或磷光波长定为约615nm。
可以说铝金属材料反射镜不会发出荧光和磷光。
图2示出该时间分辨荧光测量的计时图实例。来自光源的脉冲辐射的激励光，其周期很短，约0.01ms。由此光激励的试样发出的荧光和磷光如此设置，即在光源的激励光开始发射后延迟0.2至0.6ms的时间点上打开光探测器的检测门，然后测量约0.4至0.8ms，关上信号探测器的检测门，移动至下一个激励光辐射时间。
在这情况下，当被测的荧光或磷光处于高灵敏度时，透镜系统或滤光器发出的荧光和磷光分量和光源的脉冲激励结束后的余辉是不能忽视的，把它们作为测量噪声来加以测量。
图3示出本系统的测量计时示意图。通过光源的激励光，材料中固有的荧光和磷光经常从透镜系统29和滤光器38中辐射出来。此外，光源余辉所激励的光和此光中的荧光和磷光是重迭在一起的。
因此根据本发明实例，为了解决上述问题，在图1所示的系统布局中安装上马达11和直接接至马达轴上的截光器12。
截光器结构如图4所示。在光屏蔽板上安装多对让光通过光源和被测试样之间光路的狭缝13和屏蔽被测试样至探测器之间光路的光屏蔽件14，每对狭缝13和光屏蔽件14几乎都安装在圆形光屏蔽板的径向，并位于径向上的不同位置。
径向上狭缝和光屏蔽件的定位关系可按光学系统的排列方法自由设定。此外，“几乎在径向上”指的是“几乎在相同半径上”，“几乎”是指“不需要很严格地在相同半径位置上”。
当让光通过光源和被测试样之间的光路的狭缝13通过光的时间和屏蔽被测试样和探测器之间的光路上的光的光屏蔽件14屏蔽光的时间相互是一致的，没有丝毫差别，则本实例的效果是可实现的。
在附图中，内侧的狭缝13插入光源一侧的聚焦通路上，而外侧的光屏蔽件14插入试样至探测器之间的光路中，示于附图(参见图8)。图3示出测量计时的示意图。通过光源的计时脉冲产生可画出如图3所示的计时图。
在光源1照射试样6的期间，截光器阻断试样6至光探测器10的光路，不把光引向光探测器10。此外，截光器的结构在试样6的光被引向探测器10的期间，可阻止光源1的光照射至试样上。
此外，当截光器高速旋转时，可缩短重复的测量时间。此外，用于激励光的狭缝的打开时间可有效地缩短，即使光源使用连续光，也可实现脉冲激励。又，当使用诸如闪光灯的脉冲光源作为光源时，如果狭缝在激励光通过光路时触发脉冲光源，则脉冲光源可以同样方法进行。在这情况下，通过狭缝必须加以监控，可使用光电耦合器(图中未示出)。
实例2
图5示出，当激励光光源至试样的光路打开时，而试样至探测单元的荧光或磷光的光路阻断时，光源中发射出来的光的光路。还发现光不会到达探测单元的透镜和滤光器，故这些部件不会产生不需要的散射光和荧光或磷光。
图6示出，当激励光光源至试样的光路阻断时，而试样至探测单元的荧光或磷光的光路打开时，试样产生的光的光路。还发现，来自试样的荧光或磷光由光探测器捕获，而光源的激励光或散射光并不到达探测单元。
本发明的背景降低效应于图7示意图。符号A指出，借助于适合于铕的复合物标以铕及其配基的试样用作蛋白质时，由氙闪光灯激励的试样发出磷光。虽然磷光的半衰期比较长，但磷光也随着时间衰退。符号B指出，未使用本发明和不使用截光器时的背景噪声的衰退。
在氙闪光灯闪烁以后，测得的光量突然衰退，虽然还有杂散光，如由于关闭光源之后余辉或激励光的照射而产生的试样以外透镜和滤光器发射的光，虽然很小，但这种背景噪声也探测出来。符号C指出使用本发明时背景噪声的衰退。
不必要的光不照射至光探测器的透镜和滤光器，光探测器就不会捕获到来自激励光侧的透镜和滤光器的余辉、散射光和杂散光，由它们形成的荧光或磷光也探测不出了。
就以0.4ms至0.8ms时间测得的光量而言，值(由A获得的光量)/(由C获得的光量)大于值(由A获得的光量)/(由B获得的光量)，人们发现，信噪比大大提高了。
(1)根据本发明，荧光测量装置和磷光测量装置的噪声减少了，并且由此装置或试样容器形成的背景噪声也减少了，结果，测量时的信噪比提高，较低的探测限制或测量灵敏度都得到了提高。
(2)根据本发明，通过荧光测量装置和磷光测量装置的1只截光器，光源至试样和试样至光探测器的二条光路都可加以阻断。提供一种成本低、可靠性高的装置。
(3)根据本发明，采用时间分辨荧光测量方法、或荧光或磷光测量方法，激励光源可使测量由连续光进行，不需要灯或激光的脉冲闪烁。
(4)根据本发明，荧光测量装置和磷光测量装置的光屏蔽机构之间的光路上不使用透镜或滤光器，可以也消除了由它们所形成的荧光或磷光。结果，装置本身或试样容器形成的背景降低了，噪声也降低了，更为甚者，装置的较低探测限制或测量灵敏度都得以提高。

Claims (7)

1.一种光测量装置，其特征在于，它包括：
光源；
从所述光源发出的光中选择、取出和聚焦测量所需波长的光的光学系统；
把所述聚焦光照射到被测试样并探测所述试样发出的荧光和磷光的探测器；和
一个光路屏蔽机构，安装在所述光源和所述被测试样之间的光路上以及所述被测试样和所述探测器之间的光路上，其中：所述光路屏蔽机构具有一个用于阻断所述光路的共用的光屏蔽板，
其中，该共用的光屏蔽板具有至少一个位于其上的光路阻断机构，该光路阻断机构在所述光源的光进入所述被测试样的时区内工作在所述被测试样和所述探测器之间，所述光路阻断机构在所述被测试样发出的荧光或磷光进入所述探测器的时区内工作在所述光源和所述被测试样之间以阻断光路。
2.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：
所述光源是一种常开光源。
3.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：所述光源是一种产生脉冲的光源。
4.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：所述共用的光屏蔽板是园形的，且进一步包括至少一个用于使光通过所述光源和所述被测试样之间光路和所述被测试样和所述探测器之间光路的狭缝件，所述狭缝件和光屏蔽件在所述光屏蔽板上是成对的。
5.如权利要求4所述的光测量装置，其特征在于：所述成对的狭缝件和光屏蔽件几乎安装在所述圆形光屏蔽板的径向上，并位于所述径向上的不同位置。
6.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：在所述共用的光屏蔽板之间保持的所述光路上不采用由于激励光照射而发出荧光和磷光的透镜和滤光器，而采用反射镜来反射所述光路或聚焦和散射光。
7.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：在测量荧光或磷光时，在从灯或激光器至光量探测器的光路，以及从所述光源至所述试样和从所述试样至所述探测器的所述光路上，配合使用共用的光屏蔽板，并且在所述共用的光屏蔽板之间保持的光路上不用透镜和滤光器，也不利用激励光的照射，而使用反射镜来反射所述光路或聚焦和散射光通路。
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