CN1714288A

CN1714288A - 荧光计

Info

Publication number: CN1714288A
Application number: CNA2003801038275A
Authority: CN
Inventors: 北冈康夫; 山本和久
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: CN100451623C; JP3848623B2; US20060071179A1; EP1584915A4; US7459697B2; AU2003289021A1; EP1584915A1; JP2004219330A; WO2004063730A1

Abstract

光源(1)发射的光激发测量物质(2)，该物质(2)产生的荧光按顺序照射到透射型带通滤光片(4，6，8)，特定波长的光穿过带通滤光片(4，6，8)，由光接收部件(5，7，9)探测。测量由各个光接收部件(5，7，9)所探测到的信号光强之间的差异或相对比率，以测定荧光光谱的峰值波长，从而鉴别物质(2)。使用这种配置，能够获得尺寸小巧、价格低廉、探测迅速的荧光计。

Description

荧光计

发明领域

本发明涉及一种用于光学应用测量领域的荧光计。

技术背景

物质的结构分析可以用下述方式进行，即将色素等与该物质(例如：蛋白质)固着(fixed)，然后用光激发该物质，观察该物质被激发出的荧光光谱，以评测该物质的结构或行为。此外，稀土元素或类似元素和不同的基质混合，例如塑料和无机物，通过光对基质的激发可以观察荧光。基质上的任何改变也会改变观察到的荧光光谱。因此，能够通过分析荧光光谱来分析基质的结构等。

为了评测荧光光谱，测量物质通常使用卤素灯等进行照明和激发。使用分光镜评测所观察的荧光。图6显示了分光镜的结构。

激发光41照射测量物质40，来自该测量物质的荧光42通过透镜43汇聚到狭缝44。荧光穿过狭缝44，经透镜45校准后，直接投射到衍射光栅46。从而能够观察到由衍射光栅46衍射，并穿过狭缝47的光48，并根据光48的强度分布测定荧光光谱。

还有另外一种分析荧光光谱的方法，该光谱是通过Ar气体激光器或半导体激光器激发而获得的。当使用波长为660nm的红色半导体激光器照射活体，并观察由其激发出的荧光时，由于荧光峰值为670nm，因此可以使用窄带通滤光片将荧光从激发光中分离出来(例如，日本专利No.3291898)。

在传统配置中，半导体激光器、气体激光器等都可作为激励激光，用于激发物质，从而评测由该物质产生的荧光光强。然而，这样的探测存在缺点，例如，当塑料材料包含稀土时，不能精确地观察到塑料材料中细微的结构变化。

在探测系统中，得到的荧光光谱通过反射型光栅而衍射，然后可以由CCD照相机等观察并探测。反射型光栅在光谱系统中的使用增加了该装置的尺寸，并产生了稳定性问题。此外，包含CCD照相机的探测系统较昂贵，而且它需要较长的探测时间分析得到的荧光光谱。

发明内容

因此，根据上述思想，本发明的目标是提供一种能够实现高精度和高速度探测的荧光计。

本发明的第一个荧光计可探测由光源发射的光所激发的物质产生的荧光光强。荧光光强P1、P2、...、Pn分别在荧光的n个(n为不小于2的整数)有限波长区域λ1、λ2、...、λn中探测。

本发明的第二个荧光计可探测由物质产生的荧光光强，该物质是由光源发射的光所激发。该荧光计包括n个(n为不小于2的整数)窄带通滤光片，用于透射不同有限波长区域的荧光，以及n个光接收部件，它们与n个窄带通滤光片一一对应。透过第一个窄带通滤光片的荧光光强P1被第一个光接收部件探测。使得由第n-1个窄带通滤光片反射的荧光进入第n个窄带通滤光片，并使透过第n个窄带通滤光片的荧光光强Pn被第n个光接收部件探测。

本发明的第三个荧光计可探测由物质产生的荧光光强，该物质是由光源发射的光所激发。该荧光计包括n个(n为不小于2的整数)反射型窄带陷波滤光片(notch filter)，用于反射不同有限波长区域的荧光，以及n个光接收部件，它们与n个反射型窄带陷波滤光片一一对应。从第一个反射型窄带陷波滤光片反射的荧光光强P1被第一个光接收部件探测。使得透过第n-1个反射型窄带陷波滤光片的荧光进入第n个反射型窄带陷波滤光片，并使从第n个反射型窄带陷波滤光片反射的荧光光强Pn被第n个光接收部件探测。

附图简述

图1显示了本发明实施例1中荧光计的示意性结构；

图2A和图2B分别显示了硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃的荧光光谱；

图3显示了本发明实施例2中荧光计的示意性结构；

图4显示了反射型陷波滤光片的示意性结构；

图5显示了本发明实施例3中荧光计的示意性结构；

图6显示了传统分光镜的示意性结构。

发明详述

本发明第一至第三个荧光计探测荧光中多个有限波长区域的光强，该光强是通过光激发测量物质而产生的。因此，即使物质结构中的细微变化也能够在短时间内被高精度地探测到。

在本发明的第一至第三个荧光计中，最好能测定所探测荧光光强P1、P2、...、Pn的相对比率或其间的差异。通过这种配置，能够容易地探测由物质产生的荧光光谱的峰值波长和/或波长宽度。

在本发明的第一至第三个荧光计中，优选的光源是发光二极管或波长可变的半导体激光器。通过这种配置，能够增强由物质产生的荧光光强，从而增加测量的准确性。

在本发明的第一至第三个荧光计中，优选地将稀土元素添加到物质中。通过这种配置，能够增强由物质产生的荧光光强，从而增加测量的准确性。

在本发明的第一至第三个荧光计中，优选地通过比较所探测到的荧光光强P1、P2、...、Pn来探测由物质产生的荧光光谱的波长宽度。通过这种配置，即使由物质产生的荧光光谱的峰值波长相同，也能够基于波长宽度间的差异高精度地探测到物质结构中的细微变化。

在本发明的第三个荧光计中，窄带反射型陷波滤光片优选地包括一对玻璃基底，该玻璃基底中间设置有光敏聚合物，该光敏聚合物的折射率沿其厚度方向产生周期性变化。通过这种配置，反射型陷波滤光片能够在结构上能够变得小巧而简单。

在下文中，将参照附图说明本发明的荧光计。

实施例1

本发明的实施例1描述了一种通过使用多个光接收部件评测材料的荧光光谱的方法，该方法用于鉴别包括荧光物质的材料。

图1显示了本发明实施例1中的荧光计。使用可见光波区域的白光LED 1(发光二级管)照射物质2。由物质2产生的荧光经透镜3校准后，使波长为λ1的光在第一片带通滤光片4上透射，并被第一个光电探测器5探测。由第一片带通滤光片4反射的光转向第二片带通滤光片6，使波长为λ2的光在第二片带通滤光片6上透射，并被第二个光电探测器7探测。此外，由第二片带通滤光片6反射的光转向第三片带通滤光片8，使波长为λ3的光在第三片带通滤光片8上透射，并被第三个光电探测器9探测。附图标记30表示由第三个带通滤光片8反射的光。在这个实施例中，使用了三片带通滤光片和三个光电探测器。然而，四个或更多的滤光片和光电探测器能够提供更高的探测精度。

例如，当Nd(一种典型的稀土元素)被添加到玻璃中时，硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃的荧光光谱分别如图2A和图2B所示。尽管添加了同样的Nd，但曲线图还显示出其荧光光谱有不同的特性。

下面是一个使用拥有图1所示的结构的荧光计辨别两种玻璃材料的实例。硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃吸收光的波段在580nm和750nm到880nm。玻璃材料受白光LED激发。在此实例中，使用透射率为70％，透射光谱的半幅全宽(full width at half maximum)为0.2nm的带通滤光片作为带通滤光片4、6和8。透射光谱的峰值波长能够通过改变进入每一个带通滤光片4、6和8的光入射角而改变。第一、第二和第三片带通滤光片4、6和8的透射峰值波长分别设置为1050nm，1060nm，和1070nm。由于带通滤光片4、6和8的透射率约为70％，因此由第二个光电探测器7和第三个光电探测器9所探测到的光量可以通过相应的传输损耗量来校正。通过测定第一、第二和第三个光电探测器5、7和9所探测到的信号强度的相对比率或其间的差异，能够辨别该两种材料。在此实例中，分别测定了由第一、第二和第三个光电探测器5、7和9所探测的信号强度(校正之后)P1、P2和P3之间的差异。对于硅酸盐玻璃，

P1-P2＜0且P2-P3＞0

对于磷酸盐玻璃，

P1-P2＞0且P2-P3＞0

从而，硅酸盐玻璃的荧光峰值波长在1060nm附近(即，范围从1050nm到1070nm)探测到。因而，结果证实这可以被用来将硅酸盐玻璃从磷酸盐玻璃中分辨出来。

如上所述，通过使用此实施例中的包括三个带通滤光片和三个光接收部件的荧光计，依照各个光接收部件所探测到的荧光光强之间的差异和相对比率，可以精确测定峰值波长。

在上述的实例中，带通滤光片的透射峰值波长被设置为1050nm，1060nm和1070nm，间隔为10nm。当波长间隔为1nm时，能够高精度地探测更窄的荧光光谱。

在此实施例中，探测荧光光谱的峰值波长。包括此实施例中带通滤光片的该配置也能够探测荧光光谱的波长宽度。例如，当同样的稀土元素与不同的基本材料相混合时，荧光光谱的峰值波长可能是相同的，但波长宽度(半幅全宽)可能是不同的。在这种情况下，如果峰值波长为P2，使用此实施例中的配置对荧光光谱进行评测，评测结果说明这两种材料可表示为

P1-P2＜0且P2-P3＜0

然而，能够基于P1和P3关于P2的关系而探测到荧光光谱的波长宽度。换而言之，当信号强度P1和P3减少时，波长宽度减小，当信号强度P1和P3增加时，波长宽度增加。因此，本实施例中包括多个带通滤光片和光电探测器的荧光计不仅能测量波长的峰值，还可以测量荧光光谱的波长宽度，使得可以以更高的精度探测荧光光谱，甚至能够识别出基本材料中的细微差异。

实施例2

在实施例1中，通过汇聚由物质产生的荧光的一个峰值波长，将多个带通滤光片的透射峰值波长设置为一个峰值波长和处于该一个峰值波长两侧的若干波长值，并同时测量处于这些波长的光的光强，以测定荧光的峰值波长，从而鉴别该物质。荧光光谱通常有两个或者更多的峰值波长。因此，当多个带通滤光片的透射峰值波长被设置为两个或更多的峰值波长，且评测了各个光电探测器探测到的信号强度之间的比率时，物质也能够得以鉴别。

例如，YAG和YVO₄材料的荧光光谱将在下面进行说明，这两种材料中的每一种都包含有Nd。在波长约为809nm的光的激发下，包含有Nd的YAG(在下文中表示为“Nd:YAG”)的荧光光谱具有自身的峰值为0.946μm，1.064μm，和1.319μm，然而包含有Nd的YVO₄(在下文中表示为“Nd:YVO₄”)的荧光光谱具有自身的峰值为0.914μm，1.064μm，和1.342μm。尽管加入了相同的稀土元素Nd，但所得的荧光光谱中却存在峰值波长上的差异。这是一个普遍现象，表明荧光光谱依赖于添加物和基本材料之间的关系。Nd:YAG和Nd:YVO₄可以利用这样的事实鉴别，即它们都有一个同样的1.064μm的峰值波长，但其它的峰值波长却是不同的。

图3显示了用于从Nd:YVO₄中辨别Nd:YAG的荧光计的示意性结构。与图1所示相同的元件被标以相同的附图标记。在此实例2中，使用波长为809nm的半导体激光器10作为激励光源。第一、第二和第三片带通滤光片11、12、13的透射峰值波长被分别设置为1064nm，946nm，和1319nm。由于带通滤光片11，12和13的透射率约为70％，因此由第二个光电探测器5和第三个光电探测器9探测到的光量可以由相应的传输损耗量来校正。当透过第二片带通滤光片12的光的光强P2和透射第三片带通滤光片13的光的光强P3，与作为基准的透过第一片带通滤光片11的光(1064nm)的光强P1相比较时，可以更精确地鉴别出材料来。也就是说，测定和比较P1和P2，以及P1和P3之间的差异或相对比率，从而能够立即鉴别出材料。

实施例3

本发明的实施例3描述了一种配置，它包括反射型陷波滤光片(notch filter)，而不是实施例1中的透射型带通滤光片。

如图4所示，陷波滤光片17包括第一个玻璃基底18a和第二个玻璃基底18b，它们将光敏聚合物19夹在其中。通过旋转涂布，光敏聚合物19在第一个玻璃基底18a上形成约为1mm的厚度。当光线14a和14b，例如YAG激光器的第二谐波(532nm)，进入陷波滤光片17的两侧时，由于两束光线的干涉，导致光敏聚合物19沿其厚度方向产生折射率的周期性变化。由激光束(波长为λ)14a和14b产生的干涉条纹周期为d(即，折射率的变化)，该激光束各自以入射角θ(光敏聚合物中的角度)入射，满足的关系可以表示为

λ/2cosθ＝d

因此，当入射角θ变大时，干涉条纹周期d也会增加。在此实例中，周期d为532nm的干涉条纹是由θ＝60度而产生的。当波长为1064nm的光线15以入射角φ与入射面基本正交入射到陷波滤光片17时，由布拉格衍射产生衍射光16。陷波滤光片17依照入射角φ仅反射(衍射)特定波长的光，从而能够被作为反射型滤光片使用。这种反射型滤光片对于角度有依赖，其中当入射到滤光片的光15的入射角φ增大时，衍射光16的波长变短。

图5显示了包含上述反射型陷波滤光片的荧光计的示意性结构。与图1所示相同的元件被标以相同的附图标记。下面是使用图5所示的荧光计辨别实施例1中所描述的硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃的实例。首先，准备好反射型陷波滤光片23、25和27，当通过调整作为产生双光束干涉的因素的入射角θ，使入射角φ约为20度时，波段1060nm中的光会发生布拉格衍射。随后，调整从透镜3传播到反射型陷波滤光片23、25和27上的光的入射角为φ₁，φ₂和φ₃，并分别将反射型陷波滤光片23、25和27的反射波长设置为1050nm，1060nm和1070nm。受白光LED 1激发，物质2产生的荧光经透镜3校准后，照射到第一片陷波滤光片23，而第一片陷波滤光片23反射波长为λ1的光，使其被第一个光电探测器24探测。透过第一片陷波滤光片23的光照射到第二片陷波滤光片25，而第二片陷波滤光片25反射波长为λ2的光，使其被第二个光电探测器26探测。此外，透过第二片陷波滤光片25的光照射到第三片陷波滤光片27，而第三片陷波滤光片27反射波长为λ3的光，使其被第三个光电探测器28探测。附图标记31表示透过第三片陷波滤光片27的光。由第二个光电探测器26和第三个光电探测器28所探测到的光量可以由相应的反射型陷波滤光片的传输损耗量来校正。与实施例1相同，通过测定由第一、第二和第三个光电探测器24、26和28所探测的信号强度间的相对比率或差异，可辨别硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。

在此实施例中，使用四个或更多的反射型陷波滤光片和光电探测器能够提供更高的探测精度。

在实施例1到3中，使用无机物作为基本材料。然而，使用有机物材料，例如塑料和蛋白质，也能够获得相同的效果。尽管色素等可以作为产生荧光的添加剂使用，但优选使用稀土元素。尤其是当使用本发明的荧光计分析或鉴别材料时，吸收或发射光谱是很窄的。因此，稀土元素的添加能够提供显著的效果。

由于吸收或发射光谱很窄，优选地使用发光二极管或波长可变的半导体激光器作为激励光源，以获得有效激励和更高的荧光强度。

如上所述，即使同样的稀土元素添加到基本材料中，荧光光谱依赖于基本材料而不同。当荧光光谱间存在相当大的差异时，材料能够被轻易地辨别出来。然而，在有些情况下，荧光光谱的变化可能是很细微的。根据上述实施例，通过比较多个荧光光谱强度的峰值，能够精确地作出辨别。此外，通过增加所探测的强度峰值的数目，能够进一步提高辨别准确性。

包括窄带通滤光片(或窄带反射型陷波滤光片)和光接收部件的本发明的荧光计有结构简单，价格低，可实现快速测量的优点。因此，该荧光计有待于在辨别塑料、或类似包含荧光材料的普通产品的消费应用领域中得到广泛应用。与传统分光镜中使用的光栅相比较，窄带通滤光片和窄带反射型陷波滤光片能够提供更小的尺寸，以及更高的抗机械振动稳定性，从而可以获得更实用的荧光计。

如上所述，在本发明中，在有限在波段中探测由光激励产生的荧光，并比较所探测到的光强，从而能够精确鉴别发射荧光的物质。此外，本发明使用窄带通滤光片(或窄带反射型陷波滤光片)和光电探测器，从而能够提供简单、高速的荧光计。

本发明可以在不脱离其基本精神和特性的基础上以其它形式表现。本申请所公开的实施例无论从哪方面来看都可视为说明性而非限制性的。本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容，而不是前述的说明而确定，在与权利要求书等价的含义和范围中的任何变化也将包含于其中。

Claims

1、一种荧光计，用于探测由光源发射的光激励的物质所产生的荧光的强度，

其中该荧光的强度P1、P2、…、Pn分别在该荧光的n个(n为不小于2的整数)有限波长区域λ1、λ2、…、λn中探测。

2、根据权利要求1所述的荧光计，其中测定所探测的该荧光的强度P1、P2、…、Pn间的相对比率或差异。

3、一种荧光计，用于探测由光源发射的光激励的物质所产生的荧光的强度，包括：

n个(n为不小于2的整数)窄带通滤光片，用于在该荧光的不同有限波长区域内透射光；以及

n个光接收部件，其与该n个窄带通滤光片一一对应；

其中，透过第一片窄带通滤光片的荧光的强度P1被第一个光接收部件所探测；以及

其中，使得从第n-1片窄带通滤光片反射的荧光入射到第n片窄带通滤光片，并使透过该第n片窄带通滤光片的荧光的强度Pn被第n个光接收部件所探测。

4、根据权利要求3所述的荧光计，其中测定分别由该n个光接收部件所探测的该荧光的强度P1、P2、…、Pn间的相对比率或差异。

5、一种荧光计，用于探测由光源发射的光激励的物质所产生的荧光的强度，包括：

n个(n为不小于2的整数)窄带反射型陷波滤光片，用于在该荧光的不同有限波长区域内反射光；以及

n个光接收部件，其与该n个窄带反射型陷波滤光片一一对应；

其中，由第一片窄带反射型陷波滤光片反射的荧光的强度P1被第一个光接收部件所探测；以及

其中，使得透过第n-1片窄带反射型陷波滤光片的荧光入射到第n片窄带反射型陷波滤光片，并使由该第n片窄带反射型陷波滤光片反射的荧光的强度Pn被第n个光接收部件所探测。

6、根据权利要求5所述的荧光计，其中该窄带反射型陷波滤光片包括一对玻璃基底和设置于该对玻璃基底间的光敏聚合物，且该光敏聚合物的折射率在其厚度方向上产生周期性的变化。

7、根据权利要求5所述的荧光计，其中测定分别由该n个光接收部件所探测的该荧光的强度P1、P2、…、Pn间的相对比率或差异。

8、根据权利要求1、3和5中任何一个所述的荧光计，其中该光源是发光二极管。

9、根据权利要求1、3和5中任何一个所述的荧光计，其中该光源是波长可变的半导体激光器。

10、根据权利要求1、3和5中任何一个所述的荧光计，其中将稀土元素添加到该物质中。

11、根据权利要求1、3和5中任何一个所述的荧光计，其中，通过比较所探测到的该荧光的强度P1、P2、…、Pn，探测由该物质产生的该荧光的光谱的波长宽度。