CN1575414A - 一种微化学系统和光热转换光谱分析方法 - Google Patents

Abstract

一种微化学系统，根据该系统可以进行高灵敏度的测量。微化学系统1包括一个双波长多路复用装置，其中梯度折射率柱形透镜501和502在其端面连接在一起，以及在这两个端面之间形成的一个多层电介质薄膜滤光器503。利用双波长复用装置将激励光和检测光复用在一起，然后激励光和检测光以单模经过光纤101导向光纤单元10。该光纤单元10具有内置于其中在其导向端的梯度折射率柱形透镜102，然后激励光和检测光经过梯度折射率柱形透镜102辐射到试样上。

Description

一种微化学系统和光热转换光谱分析方法

技术领域

本发明涉及一种微化学系统和一种光热转换光谱分析方法。

背景技术

鉴于化学反应的迅速性，进行反应所需使用的非常少量的试样，以及现场分析等等，用于在非常小的空间内进行化学反应的集成技术现在已经引起注意，并且全世界都在积极地进行这一技术的研究。

所谓的微化学系统就是这种集成技术的一个实例。微化学系统是对在小的玻璃基片等中形成的非常纤细的通道中的试样溶液(包含试样的液体)进行混合、反应、分离、提取、检测等的系统。在这样一种微化学系统中进行反应的例子包括重氮化作用反应、硝化反应和抗原—抗体反应。此外，提取/分离的例子包括溶剂提取、电泳分离和萃取分离(column separation)。可以使用具有一种功能的微化学系统，例如只用于分离，或者使用多种功能结合在一起的微化学系统。

作为一种在上述功能中只用于分离的微化学系统，已经提出了一种用于分析微量的蛋白质、核酸等的电泳装置(参见例如日本特开平专利出版物(Kokai)No.H8-178897)。该电泳装置具有一个用于形成通道的板形元件，该板形元件包括两个连接在一起的玻璃基片。因为元件是平板形的，所以与具有圆形或者方形截面的玻璃毛细管的情况相比，破裂发生的可能性要小得多，因此很容易操作。

在这样一种微化学系统中，由于试样的量非常小，所以使用一种高灵敏度的检测方法是必需的。光热转换吸收分析方法，作为这样一种检测方法已经被提出，该方法利用了热透镜效应，该效应是由在非常纤细的通道中的试样溶液吸收光而产生的。这种光热转换光谱分析方法利用了光热转换效应，其中光被会聚地辐射在试样溶液上，于是试样溶液中的溶质吸收光，并将热能释放出来，因此溶剂的温度由于释放的热能而局部地升高了，并改变了试样溶液的折射率，从而形成了热透镜。这种光热转换光谱分析方法开辟了一条用于实现微化学系统的道路。

图3是用于解释热透镜原理的视图。

在图3中，激励光经由一个显微镜的物镜会聚地辐射到极少量的试样溶液上，由此发生光热转换效应。对于大多数物质而言，折射率随温度的上升而下降，因此在被激励光会聚地辐射的试样溶液中，折射率会下降，且折射率下降越大就越接近会聚光的中心，即温度上升最大的位置。换句话说，折射率随着离会聚光中心的距离而增加。这就是为什么温度的上升会由于热扩散而随着离会聚光的中心的距离的增加而变小。从光学上讲，得到的折射率分布产生与凹透镜相同的效应，因此这种效应被称为热透镜效应。热透镜效应的大小，即凹透镜的屈光度，与试样溶液的光吸收性成比例。另外，在折射率随温度增加的情况下，折射率中的变化是相反的，因此出现了可产生与凹透镜相同效应的热透镜效应。

在上述光热转换光谱分析方法中，由于试样溶液中的热扩散而观察到了试样溶液中的折射率的变化，所以该方法适用于检测极少量试样的浓度。

在日本特开平专利出版物(Kokai)No.10-232210中公开了使用上述光热转换光谱分析方法的光热转换光谱分析仪的一个示例。

在一个传统的光热转换光谱分析仪中，在显微镜的物镜的下面设置有一个带有通道的板形元件，并且从一个激励光源中输出的预定波长的激励光引入到该显微镜中。这样该激励光经由物镜会聚地辐射到该带有通道的板形元件的通道中的试样溶液上。该会聚辐射的激励光的焦点位置在该溶液试样中，因此以该焦点位置为中心处形成了一个热透镜。

另外，具有不同于激励光的波长的检测光从一个检测光源输出，并引入到显微镜中。该检测光穿过显微镜并从显微镜出射，会聚地辐射到由激励光在试样溶液中产生的热透镜上，然后透过试样溶液，从而检测光或者发散(在热透镜具有凹透镜效应的情况下)或者会聚(在热透镜具有凸透镜效应的情况下)。将从试样溶液出射的发散或者会聚的检测光用作为信号光。该信号光经过一聚光透镜和一滤光器，或只经过一滤光器，然后又检测器接收并进行检测。该检测到的信号光的强度依赖于形成在试样溶液中的热透镜的折射率。应该指出的是，检测光可以具有与激励光相同的波长，或者激励光也可以用作检测光。

在上述光热转换光谱分析仪，即微化学系统中，在激励光的焦点位置形成热透镜，然后利用检测光检测所形成的热透镜的折射率的变化，其中检测光或者具有与激励光相同的波长，或者具有与激励光不同的波长。

然而，具有上述光热转换光谱分析仪的用作光源的光学系统等，测量部分和检测部分(光热转换部分)都具有复杂的结构，因此这种装置尺寸会很大，从而不便于携带。因此，存在这样一个问题，即对于光热转换光谱分析仪的安装位置和操作具有局限性，从而给用户带来工作效率低下的问题。

另外，在光热转换光谱分析仪中，激励光和检测光是通过开放空间照射到试样溶液上的，因此在测量过程中必须防止各光学系统元件例如光源、反光镜和透镜移动，这就需要一个牢固的固定这些元件的基板。此外，激励光和检测光的光轴会随着环境的变化例如温度的变化而移出准线，因此需要用于调节这种移动的夹具。这些夹具也是使光热转换光谱分析仪尺寸变大而不便于携带的一个原因。

另外，在使用光热转换光谱分析方法的微化学系统中，在许多情况下需要使激励光的焦点位置和检测光的焦点位置彼此不同。图4A和4B是用于解释热透镜的形成位置和检测光在激励光传播的方向上的焦点位置的视图；图4A示出了一种其中物镜具有色像差的情况，而图4B示出了一种其中物镜不具有色像差的情况。

在物镜130具有色像差的情况下，如图4A所示，热透镜131形成于激励光的焦点位置132之上，检测光的焦点位置133从激励光的焦点位置132移动了一个量ΔL，所以在热透镜131中的折射率的变化可以随着检测光的焦距的变化被检测到。另一方面，在物镜130不具有色像差的情况下，如图4B所示，检测光的焦点位置133几乎与在激励光的焦点位置132处形成的热透镜的位置完全相同。结果，检测光不会被热透镜131折射，从而检测不到热透镜131中的折射率的变化。

然而，显微镜的物镜通常制作成无色像差，所以，出于如上所述原因，检测光的焦点位置133几乎与在激励光的焦点位置132处形成的热透镜的位置完全相同(图4B)。所以，检测不到热透镜131中的折射率的变化。这样就存在一个问题，即每次进行测量时，都要从检测光的焦点位置133移动其中形成有热透镜131的试样溶液的位置，如图5A或5B所示，或者在检测光经过物镜130之前，使用透镜(未示出)将其略微发散或会聚，从而检测光的焦点位置133从热透镜131处移开，如图6所示；其结果可能会牺牲测量的灵敏度，而且用户的工作效率较低。

本发明的一个目的在于提供一种微化学系统，和由该微化学系统执行的光热转换光谱分析方法，其能够进行高灵敏度的测量，此外还提供一种小尺寸的微化学系统，该微化学系统使用户的工作效率得到提高。

发明内容

为了获得上述目的，本发明的第一方面，提供一种微化学系统，包括一个用于输出激励光的激励光源；一个用于输出检测光的检测光源；一个光导光学系统，用于将激励光和检测光合并且进行导向；一个辐射透镜，用于将由光导光学系统导向的激励光和检测光辐射到试样上；检测装置，用于检测透过由激励光辐射试样而形成的热透镜的检测光；以及分析装置，用于根据检测到的检测光来分析试样，其中微化学系统包括第一光引入光纤，其将从激励光源输出的激励光引入到光导光学系统中，第二光引入光纤，其将从检测光源输出的检测光引入到光导光学系统中，在光导光学系统中设置一个双波长复用装置，用于将由第一光引入光纤和第二光引入光纤引入的激励光和检测光进行复用，以及一个光导光纤，用于将复用的激励光和检测光导向到辐射透镜上。

在本发明的第一方面，优选地，双波长复用装置具有根据光的波长，对光进行反射或透射的多层薄膜，其中在由多层薄膜反射和透射的光束之间的边界位置处的光的波长介于激励光的波长和检测光的波长之间。

在本发明的第一方面，优选地，双波长复用装置包括两个串联连接在一起的梯度折射率柱形透镜，和多层电介质薄膜滤光器，该滤光器是由电介质制成的多层薄膜，所述薄膜滤光器形成在两个连接在一起的梯度折射率柱形透镜的粘合表面。

在本发明的第一方面，优选地，多层的电介质薄膜滤光器形成在梯度折射率柱形透镜上。

优选地，光导光纤以单模传播激励光和检测光。

在本发明的第一方面，优选地，辐射透镜固定在光导光纤的端部，其中激励光和检测光从光导光纤射出。

在本发明的第一方面，优选地，激励光和检测光具有彼此不同的频率，并且辐射透镜具有色相差。

在本发明的第一方面，优选地，辐射透镜是梯度折射率透镜。

在本发明的第一方面，优选地，上述梯度折射率透镜是柱形透镜。

为了获得上述目的，在本发明的第二方面，提供一种光热转换光谱分析方法，包括：经由辐射透镜将激励光和检测光辐射到试样上；通过检测透过由激励光辐射试样而形成的热透镜的检测光来分析试样，其中分别利用第一光引入光纤和第二光引入光纤将激励光和检测光引入到双波长复用装置中，该复用装置将两种不同波长的光复用起来，然后利用单模的光导光纤将由双波长复用装置复用的激励光和检测光导向辐射透镜。

在本发明的第二方面，优选地，利用在两个梯度折射率柱形透镜之间形成的多层电介质薄膜滤光器，通过反射激励光和检测光中的一种并透射激励光和检测光中的另一种，双波长复用装置将激励光和检测光复用在一起，其中梯度折射率柱形透镜是串联连接在一起的。

附图简述

图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的微化学系统的结构图；

图2示意性地示出了根据本发明第二实施例的微化学系统的结构图；

图3是用于解释热透镜原理的视图；

图4A和4B是用于解释热透镜的形成位置和检测光在激励光传播的方向上的焦点位置的视图；具体地；

图4A示出了一种物镜具有色像差的情况；

图4B示出了一种物镜不具有色像差的情况；

图5A和5B是用于解释热透镜的形成位置和检测光在激励光传播的方向上的焦点位置的视图；具体地；

图5A示出了一种在比检测光的焦点位置更靠近物镜处形成热透镜的情况；

图5B示出了一种在比检测光的焦点位置更远离物镜处形成热透镜的情况；

图6是用于解释传统的光热转换分析仪中，用于检测热透镜的折射率的变化的方法的视图，并示出了将凹透镜设置在光路中，以使得检测光成为发散光，从而检测光的焦点位置远离激励光的焦点位置的情况。

本发明最优实施方式

下面将结合附图详细说明根据本发明的实施例的微化学系统。

图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的微化学系统的结构图。

在图1中，微化学系统1具一个有光纤单元10，该光纤单元具有内置的透镜(在下文中称为“光纤单元10”)。光纤单元10包括一个位于管104内的前端的用作物镜的梯度折射率柱形透镜102(图1的下部)，和一个光纤101，用于单模传播激励光和检测光，该光纤单元从管的后端插入到管104中(图1的上部)。光纤101的插入端与梯度折射率柱形透镜102的一端相连接。

此外，将一个外径与梯度折射率柱形透镜102的外径相同的金属环103，套在光纤单元10中管104的内部的上述梯度折射率柱形透镜102端面上。金属环103是用于使光纤101的外径与梯度折射率柱形透镜102的外径相同，如此安装光纤101使其穿过金属环103。光纤101由金属环103固定在适当的位置上，梯度折射率柱形透镜102和金属环103固定在管104的内部。这里，光纤101和梯度折射率柱形透镜102可以彼此紧密地接触，或者在它们之间也可以有间隙。利用夹具30将光纤单元10固定在适当的位置上，使得从光纤单元10出射的光垂直地入射到带有通道的板形元件20上，如下面所描述的。

梯度折射率柱形透镜102是一个透明的圆柱形透镜，并设置成使得其折射率从透镜的中心轴位置沿径向方向连续地变化，该中心轴沿该柱形透镜地纵向方向延伸。这种柱形透镜公知为一种会聚光透射体，从而在径向方向距离中心轴为r的位置处的折射率n(r)可近似由r的二次方程给出，

n(r)＝n₀{1-(g²/2)×r²}，

其中n₀表示中心轴线处的折射率，g表示二次分布常数。

如果梯度折射率柱形透镜102的长度z₀选择在0＜z₀＜π/2g范围内，那么即使梯度折射率柱形透镜102端面都是平的，梯度折射率柱形透镜102将与一个常用的凸透镜的成像构成特性相同；当平行的光束入射到梯度折射率柱形透镜102上时，在与梯度折射率柱形透镜102的端面距离s₀的位置处形成一个焦点，光束从该端面射出，其中

s₀＝cot(gz₀)n₀g。

例如，这种梯度折射率柱形透镜102可以按如下方法制得。

具有扁平端面的玻璃圆柱体是由玻璃制成的，该玻璃的主要成份为57-63mol％的SiO₂，17-23mol％的B₂O₃，5-17mol％的Na₂O，和3-15mol％的Tl₂O，然后在一种离子交换介质例如硝酸钾盐中处理该玻璃圆柱体，从而在玻璃中的铊离子和钠离子与离子交换介质中的钾离子之间进行离子交换，这样在玻璃圆柱体中产生了折射率分布，其中折射率从圆柱体的中心向外连续降低。梯度折射率柱形透镜就是这样制成的。

因为梯度折射率柱形透镜的底部是平的，所以很容易安装在光纤101的端面上，而且梯度折射率柱形透镜的光轴和光纤101的光轴易于彼此对齐。此外，由于梯度折射率柱形透镜是圆柱形的，因此光纤单元10也能容易制成圆柱形。从而可以非常容易地利用夹具30夹紧光纤单元10。

如此使用一个只有一种传播模式的单模光纤作为光纤101，以使得当利用光热转换光谱分析方法在试样溶液中检测非常小量的溶剂时，激励光能尽可能地变窄，从而增加在光热转换中利用的能量，而且由激励光产生的热透镜几乎没有色像差。

从单模光纤101射出的光总是具有高斯(Gaussian)分布，因此激励光的焦点在尺寸上会很小。此外，在由激励光产生的热透镜的尺寸很小的情况下，为了使经过热透镜的检测光的量尽可能地高，最好是也使检测光尽可能地变窄。从这一点来看，最好是光纤能以单模传播激励光和检测光。

可以使用任何形式的光纤作为光纤101，只要它能够透射激励光和检测光。然而，在使用多模式的光纤的情况下，出射光将不具有高斯分布，而且出射光的图样将随着不同的情况例如光纤101的曲率的状态而发生变化，因此不能够获得稳定的出射光。对非常小量的溶剂进行测量将十分困难，而且测量值可能缺乏稳定性。因此最好是光纤10为上述单模光纤。

在与光纤101的插入端相对的光纤的另一端附近，设置有一个激励光源105，用于输出用以激励试样溶液的激励光，一个检测光源106，用于输出检测光，该检测光被辐射到试样上以检测信息以对试样溶液进行分析等，一个调制器107，用于调制激励光，一个双波长复用装置108，用于将引入到光纤101中的激励光和检测光复用在一起。

双波长复用装置500具有两个梯度折射率柱形透镜501和502。梯度折射率柱形透镜501和502彼此具有大概相同的总长度。梯度折射率柱形透镜501和502被串联地固定在一起，每个透镜的一个端面连接在一起。一个如下面描述的薄膜干涉滤光器503形成于这两个端面之间。(梯度折射率柱形透镜501和502)激励光源105通过光纤505与梯度折射率柱形透镜501的一个端面(此处称为“进入端面504”)连接。光纤505连接在偏离进入端面504的中心的位置处。光纤101的一端也连接在进入端面504。此外，检测光源106通过光纤508与梯度折射率柱形透镜502的一端连接。光纤508连接在偏离该端面中心的位置处。

梯度折射率柱形透镜501的总长度大概是进入偏心轴的光束的曲线长的1/4。薄膜干涉滤光器503包括多层电介质薄膜，并利用薄膜形成方法例如溅蚀制得。该薄膜干涉滤光器503具有可将经过光纤505的激励光反射，但是将经过光纤508的检测光透射的特性。

使用这种双波长复用装置500，从光纤505射出的激励光光束从进入端面504进入梯度折射率柱形透镜501，其中激励光来自激励光源105通过光纤505传播。该光束即为光束506，当该光束506蜿蜒通过梯度折射率柱形透镜501时，该光束506的直径将增大，然后光束506射到薄膜干涉滤光器503上。在薄膜干涉滤光器503处该光束被反射，变成光束507，然后该光束507进入光纤101。

另一方面，从检测光射向光纤508的光束进入梯度折射率柱形透镜502，其中检测光通过光纤508传播，然后当该光束509蜿蜒前行时，该光束直径增大，接着光束509射到薄膜干涉滤光器503上。该光束509穿过薄膜干涉滤光器503，就变成光束507，与激励光一起进入光纤101。

如上所述，双波长复用装置500只包括两个固定在一起的梯度折射率柱形透镜501和502，以及这两个透镜之间的薄膜干涉滤光器503，该薄膜干涉滤光器是一个多层的电介质薄膜；元件的数量如此之少，而且所有的元件都能固定在一个位置上，因此在双波长复用装置500中激励光和检测光几乎不会损失，并可以为长期使用提供稳定性，从而测量灵敏度和稳定性得到了提高。此外，双波长复用装置的尺寸可以非常的小，这样微化学系统也能以小尺寸制造。

由双波长复用装置500复用的激励光和检测光经过光纤101，进入光纤单元10，然后从梯度折射率柱形透镜102射出。由梯度折射率柱形透镜102射出的光束垂直地入射到带有通道的板形元件20上。该带有通道的板形元件20在其中具有通道204，试样溶液可从通道中流过，该板形元件包括三个顶部彼此粘结的玻璃基片201、202和203。当进行混合、搅拌、合成、分离、提取、检测等类似过程时，在玻璃基片202上形成供试样溶液流过的通道204。

考虑到耐用性和耐化学性，带有通道的板形元件20的材料最好是玻璃。尤其是，考虑到使用生物试样例如在DNA分析中使用细胞试样，优选具有良好的耐酸性和耐碱性的玻璃，尤其是硼硅酸玻璃、钠钙玻璃、铝硼硅酸玻璃、石英玻璃或者类似的玻璃。然而如果相应的使用受到了限制，那么可以通过使用有机物质例如一种塑料作为替代品来制造带有通道的板形元件20。

可以用来将玻璃基片201、202和203粘结在一起的粘合剂的例子包括有机粘合剂，例如丙烯酸粘合剂、环氧树脂粘合剂，和无机粘合剂；粘合剂可以是例如紫外光固化型的、热固型的或者双液体固化型的。可选择的是，玻璃基片201、202和203可以利用热熔解熔合在一起。

用于检测检测光的光电转换器401，和用于分离激励光和检测光并且选择地只透射检测光的波长的滤波器403设置在面向光纤单元10的位置，带有通道的板形元件20设置在波长波器403和光纤单元10之间。为了使得只有部分的检测光选择地透射过去，还可以设置具有在其中形成有针孔的元件，使得针孔位于光电转换器401的上游位置的检测光的光路上。由光电转换器401获得的信号被输送到锁定放大器404中，执行与调制器107的同步，其中调制器107用于调制激励光，然后由计算机405进行分析。

根据本发明微化学系统1，将激励光和检测光进行复用的双波长多路复用装置500包括两个尺寸非常小的梯度折射率柱形透镜501和502；因此，微化学系统可以在尺寸上制作得很小。此外，梯度折射率柱形透镜102与传播激励光和检测光的光纤单元101的导向端(leading end)连接；从而，每次进行测量时不需要调节激励光和检测光的光轴和梯度折射率柱形透镜102的光轴，此外也不需要用于将光轴和牢固的基板定位的夹具，因此能够提高用户的工作效率，并且微化学系统在尺寸上可以做得更小。

从梯度折射率柱形透镜102射出的激励光的焦点位置必须在带有通道的板形元件20的通道204中。梯度折射率柱形透镜102不必与带有通道的板形元件20相接触，但是在梯度折射率柱形透镜102与带有通道的板形元件20相接触的情况下，可以通过带有通道的板形元件20的上部玻璃基片201的厚度来调节梯度折射率柱形透镜102的焦点位置。在上部玻璃基片201的厚度不足的情况下，可以在梯度折射率柱形透镜102和上部玻璃基片201之间插入用于调节焦点距离的垫片(spacer)。在以这种方式将激励光的焦点位置预先固定在带有通道的板形元件20的通道204中的情况下，就不需要后续调节焦点距离，从而微化学系统在尺寸上可以制作得更小。

梯度折射率柱形透镜102设置成使得检测光的焦点位置相对于激励光的焦点位置略微移动了一个量ΔL(参见图4A)。

共焦长度Ic(nm)由Ic＝π×(d/2)²/λ₁给定。其中d表示艾里斑的直径(NIARII disk)，并且d由d＝1.22×λ₁/NA给定，λ₁表示激励光的波长(nm)，NA表示梯度折射率柱形透镜102的数值孔径。在使用光纤的情况下，从光纤射出的光的数值孔径很小，因此当使用具有大数值孔径的柱形透镜时，数值孔径就被用在共焦长度的计算中。

上述ΔL值根据待测量的试样的厚度改变。当在一个具有小于共焦长度的厚度的试样上进行测量时，ΔL最好是等于 $\sqrt{3}\×I_c.$

该ΔL值表示检测光的焦点位置和激励光的焦点位置之间的差值，因此无论检测光的焦点位置是长于还是短于激励光的焦点位置其结果都是一样的。

如果将光纤的导向端做成球形或类似的形状来制作透镜，就能够使激励光和检测光变窄，而无需在光纤的导向端安装单独的透镜。然而，在这种情况下，几乎没有任何色像差，因此激励光和检测光的焦点位置几乎彼此重合。这样就有几乎检测不到热透镜的信号的问题。此外，通过处理光纤的导向端而制成的透镜会引起其它的像差变大，因此会产生激励光和检测光的焦点变大的问题。因此在本实施例中将梯度折射率柱形透镜102设置在光纤101的导向端。

图2是示意性地示出了根据本发明第二实施例的微化学系统的结构图。

在图2中，对于根据第二实施例的微化学系统2而言，与根据第一实施例的微化学系统1中的组成元件和部件相对应的部分，由与微化学系统1中相同的标号来表示，这里省略了对这些组成元件和部件的说明。

在根据本实施例的微化学系统2中，双波长复用装置600不同于根据第一实施例的微化学系统1中的双波长复用装置500。该双波长复用装置600具有与双波长复用装置500不同的结构，在双波长复用装置500中的薄膜干涉滤光器是一个设置在两个梯度折射率柱形透镜501和502的端面之间的多层电介质薄膜，而在双波长复用装置600的结构中，激励光和检测光都是经过光纤101传播，然后使用准直仪110校准，接着使用多层电介质薄膜滤光器111将激励光和检测光复用在一起。

使用根据本实施例的微化学系统2，激励光和检测光都是经过光纤传播，并使用准直仪110校准，然后使用多层电介质薄膜滤光器111进行复用。这样双波长复用装置的尺寸比第一实施例的微化学系统中的复用装置的尺寸略微大些。然而，将校准后的光进行复用，因此很容易对光轴校直，从而能够容易地制造产生更低损失的双波长复用装置。

工业实用性

如上所述，根据本发明的微化学系统，分别使用第一光引入光纤和第二光引入光纤将激励光和检测光引入光导光纤系统。因此，能够将激励光和检测光精确地引入光导向光纤系统。此外，被引入光导光纤系统的激励光和检测光通过双波长复用装置进行复用，然后经由光导光纤导向辐射透镜。这样，激励光和检测光总是彼此同轴。此外，不存在通过开放空间引导激励光和检测光的情形，因此光轴不会由于环境的变化例如温度的变化发生移动。这样能够高灵敏度地进行测量。此外，不需要调节激励光和检测光的光轴，从而提高用户的工作效率。而且，不需要用于调节光轴的夹具等，从而微化学系统在尺寸上可以制作得更小。

根据本发明的微化学系统，通过双波长复用装置将激励光和检测光复用，即根据光的波长反射或者透射光。因此，结构简单，并容易减小尺寸，从而微化学系统在尺寸上可以制作得更小。

根据本发明的微化学系统，双波长复用装置包括两个连接在一起的梯度折射率柱形透镜，和设置在这两个透镜之间的多层电介质薄膜滤光器，该薄膜滤光器反射激励光和检测光中的一种并透射激励光和检测光中的另一种。因此双波长复用装置在尺寸上变得非常小，从而微化学系统在尺寸上可以制作得更小。此外，在双波长复用装置中的激励光和检测光几乎没有损耗，并具有长期使用的稳定性，因此，能够提高测量灵敏度和稳定性。

根据本发明的微化学系统，多层电介质薄膜滤光器形成在梯度折射率柱形透镜上。因此不需要将梯度折射率柱形透镜与多层电介质薄膜滤光器结合起来，该薄膜滤光器与梯度折射率柱形透镜是分开的，所以制造起来很容易。此外，用于将梯度折射率柱形透镜与多层电介质薄膜滤光器结合起来的夹具也不是必需的，从而微化学系统在尺寸上可以制成为更小的。此外，用于反射的表面的数量减少了，这就进一步减少了激励光和检测光的损耗，因此能够进一步提高测量灵敏度和稳定性。

根据本发明的微化学系统，光纤以单模传播激励光和检测光。因此由激励光形成的热透镜几乎没有像差，于是能够进行更加精确的测量。

根据本发明的微化学系统，辐射透镜固定在光导光纤的一端，激励光和检测光从该光导光纤射出。因此激励光、检测光和辐射透镜的光轴都被固定。这样能够进行更加精确的测量。此外，调节光轴不是必需的，因此进一步提高了用户的工作效率。此外，用于调节光轴的夹具等等也不是必需的，从而微化学系统在尺寸上可以制作得更小。

根据本发明的微化学系统，激励光和检测光具有彼此不同的频率，辐射透镜具有色像差。因此，不必添加任何其它的光学系统，激励光和检测光的焦点位置就会彼此偏离。这样微化学系统在尺寸上可以制作得更小。

根据本发明的微化学系统，辐射透镜是梯度折射率透镜。因此，辐射透镜在尺寸上可以制成为很小。这样微化学系统在尺寸上可以做得更小。

根据本发明的微化学系统，上述梯度折射率透镜为圆柱形透镜。因此，柱形透镜的光轴能够很容易地与光导光纤的光轴重合，而且柱形透镜可以很容易地固定，因此制造和维修都很容易。

如上所述，根据本发明的光热转换光谱分析方法，通过双波长复用装置复用的激励光和检测光以单模经过光导光纤传播到辐射透镜。因此，激励光和检测光总是彼此同轴的。此外，不存在通过开放空间引导激励光和检测光的情形，因此光轴不会由于环境的变化例如温度的变化发生移动。这样能够高灵敏度地进行测量。此外，不需要调节激励光和检测光的光轴，从而提高用户的工作效率。

根据本发明的光热转换光谱分析方法，双波长复用装置将激励光和检测光复用，即通过使用多层电介质薄膜滤光器反射激励光和检测光中的一种并透射激励光和检测光中的另一种，其中薄膜滤光器设置在两个连接在一起的梯度折射率柱形透镜之间。因此，在双波长复用装置中的激励光和检测光几乎没有损耗，并且可以稳定地长期使用。因此，能够提高测量灵敏度和稳定性。

Claims (11)

1.一种微化学系统，包括一个用于输出激励光的激励光源；一个用于输出检测光的检测光源；一个光导光学系统，用于对激励光和检测光进行合并和导向；一个辐射透镜，用于将由所述光导光学系统导向的激励光和检测光辐射到试样上；一个检测装置，用于检测经过由激励光辐射试样而形成的热透镜的检测光，以及一个分析装置，用于根据检测到的检测光分析试样，其特征在于还包括：

第一光引入光纤，其将从所述激励光源输出的激励光引入到所述光导光学系统；

第二光引入光纤，其将从所述检测光源输出的检测光引入到所述光导光学系统；

在所述光导光学系统中设置一个双波长复用装置，用于将由所述第一光引入光纤和所述第二光引入光纤引入的激励光和检测光复用在一起；以及

一光导光纤，用于将复用的激励光和检测光导向到所述辐射透镜上。

2.如权利要求3所述的微化学系统，其特征在于所述双波长复用装置具有按照光的波长反射或透射光的多层薄膜，其中在由所述多层薄膜反射和透射的光束之间的边界位置处的光的波长介于激励光的波长和检测光的波长之间。

3.如权利要求2所述的微化学系统，其特征在于所述双波长复用装置包括两个串联连接在一起的梯度折射率柱形透镜，和多层电介质薄膜滤光器，该滤光器是由电介质制成的所述多层薄膜，所述薄膜滤光器形成在所述两个连接在一起的梯度折射率柱形透镜的表面。

4.如权利要求3所述的微化学系统，其特征在于所述多层电介质薄膜滤光器形成在所述梯度折射率柱形透镜上。

5.如权利要求1所述的微化学系统，其特征在于所述光导光纤以单模传播激励光和检测光。

6.如权利要求1所述的微化学系统，其特征在于所述辐射透镜固定在所述光导光纤的端部，其中激励光和检测光从所述光导光纤射出。

7.如权利要求1所述的微化学系统，其特征在于激励光和检测光具有彼此不同的频率，且所述辐射透镜具有色象差。

8.如权利要求1-7所述的微化学系统，其特征在于所述辐射透镜是梯度折射率透镜。

9.如权利要求8所述的微化学系统，其特征在于所述梯度折射率透镜是圆柱形透镜。

10.一种光热转换光谱分析方法，包括经由辐射透镜将激励光和检测光辐射到试样上，通过检测经过由激励光辐射试样而形成的热透镜的检测光来分析试样；

其特征在于分别利用第一光引入光纤和第二光引入光纤将激励光和检测光引入到双波长复用装置，该复用装置对两种不同波长的光进行复用，然后利用单模的光导光纤将由双波长复用装置复用的激励光和检测光导向辐射透镜。

11.如权利要求10所述的光热转换光谱分析方法，其特征在于双波长复用装置，通过利用在两个梯度折射率柱形透镜之间的多层电介质薄膜滤光器，反射激励光和检测光中的一种并透射激励光和检测光中的另一种，将激励光和检测光复用在一起，其中梯度折射率柱形透镜是串联连接在一起的。

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