CN215493172U - 基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其中白光光源、被测样品、二向色镜、光弹性调制器和格兰棱镜呈一线设置，可切换光源系统射出光经退偏器射入二向色镜中，检测切换反射镜可移动地设于二向色镜和光弹性调制器之间，且检测切换反射镜移入时，二向色镜的出射光经检测切换反射镜反射射入显微成像系统中，检测切换反射镜移出时，二向色镜的出射光经过光弹性调制器和格兰棱镜射入光谱采集系统中，光弹性调制器通过线路与光弹性调制器控制器相连，光弹性调制器控制器通过线路与光谱采集系统相连。本实用新型可根据需要实现光源和系统转换，并且可以实现对固体样品特别是高压模块样品的圆偏振荧光光谱探测。

Description

基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统

技术领域

本实用新型涉及样品光学检测领域，具体地说是一种基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统。

背景技术

圆偏振荧光光谱探测系统是利用退偏的激发光激发样品分子特征谱段后，收集其辐射的圆偏振荧光光强的过程，对圆偏振荧光光谱的探测可以辅助分析材料的发光特性。

圆偏振荧光光谱的探测方法有锁相放大法、门控积分法、单光子计数法等，在这些方法中，单光子计数法具有效率高、积分区域可调等优点。

在采用单光子计数方法的前提下，在探测圆偏振荧光光谱时，通常选用氙灯或LED光源配合单色仪来实现，这种方法只能应用在比色皿盛装的液体样品的圆偏振荧光光谱探测，无法应用于固体样品，也无法对目标区域进行显微的原位探测。

但对于固体样品而言，由于固体样品的分布无法实现同液体样品一样的均匀，因此在重复试验过程中，又希望可以实现原位测量，即多次测量过程中的激发光可以打在样品相同的位置，这要求激发光源具有优秀的单色性与相干性，聚焦时可以获得更小的焦点，且在测量过程中可以对样品区域进行显微成像，但现有技术中，还没有能同时满足以上要求的探测系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，可以根据需要实现连续激光光源和检测系统的转换，其中在测量前利用显微成像系统实现对样品区的显微成像与对焦，并且可以实现对固体样品特别是高压模块样品的圆偏振荧光光谱探测。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，包括可切换光源系统、退偏器、二向色镜、白光光源、检测切换反射镜、光弹性调制器、格兰棱镜、光谱采集系统和显微成像系统，其中白光光源、被测样品、二向色镜、光弹性调制器和格兰棱镜呈一线设置，可切换光源系统设于二向色镜一侧且射出的激发光经所述退偏器射入所述二向色镜中，检测切换反射镜可移动地设于二向色镜和光弹性调制器之间，且所述检测切换反射镜移入时，二向色镜的出射光经所述检测切换反射镜反射射入所述显微成像系统中，所述检测切换反射镜移出时，二向色镜的出射光经过所述光弹性调制器和格兰棱镜射入所述光谱采集系统中，所述光弹性调制器通过线路与光弹性调制器控制器相连，所述光弹性调制器控制器通过线路与所述光谱采集系统相连。

所述可切换光源系统包括第一连续激光光源、第二连续激光光源、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和光源切换反射镜，其中第一反射镜设于第一连续激光光源的输出光路上，光源切换反射镜设于第二连续激光光源的输出光路上且可移动地设于第一反射镜和第二反射镜之间，当所述光源切换反射镜移出时，第一连续激光光源的出射光依次经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射射入所述退偏器中，当所述光源切换反射镜移入时，第二连续激光光源的出射光依次经光源切换反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射射入所述退偏器中。

所述显微成像系统包括第四反射镜、第二聚焦透镜、CCD相机和第二计算机，其中由检测切换反射镜反射的光线经过第四反射镜再次反射后经第二聚焦透镜聚焦射入CCD相机中，所述CCD相机通过线路与第二计算机相连。

所述光谱采集系统包括高通滤波片、第一聚焦镜、传光光纤、凹面反射镜、分光光栅、光电倍增管、采集板卡和第一计算机，其中格兰棱镜筛选出的光束经过高通滤波片和第一聚焦镜射入传光光纤中，并通过传光光纤传输出射至凹面反射镜上，再经过凹面反射镜反射至分光光栅，并经分光光栅分光入射至光电倍增管，所述光电倍增管通过线路与采集板卡相连，所述采集板卡通过线路与第一计算机相连。

所述光弹性调制器控制器通过线路与所述采集板卡相连。

本实用新型的优点与积极效果为：

1、本实用新型的可切换光源系统设有光源切换反射镜，当光源切换反射镜移入或移出第一反射镜和第二反射镜之间时，可实现不同连续激光光源的转换，从而实现多激发波长的切换。

2、本实用新型设有检测切换反射镜，当检测切换反射镜移入二向色镜和光弹性调制器之间时，白光光源照亮被测样品，所述被测样品经检测切换反射镜反射后入射至显微成像系统成像，可进行选区对焦，当检测切换反射镜移出二向色镜和光弹性调制器之间时，激发光束导入至被测样品，可以进行被测样品的圆偏振荧光光谱测量。

3、本实用新型相关操作既保证了激发光的准确入射，同时显微成像配合连续激光激发光源弥补了现有技术中无法测量固体样品圆偏振荧光光谱、无法在重复实验中进行原位测量等技术空白。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图，

图2为图1中的光弹性调制器工作原理示意图，

图3为图1中的荧光光谱采集组件示意图，

图4为采用本实用新型获得的被测样品圆偏振荧光光谱示意图。

其中，1为第一连续激光光源，2为第二连续激光光源，3为第一反射镜，4为光源切换反射镜，5为第二反射镜，6为第三反射镜，7为退偏器，8为二向色镜，9为物镜，10为被测样品，11为白光光源，12为检测切换反射镜，13为光弹性调制器，14为格兰棱镜，15为高通滤波片，16为第一聚焦镜，17为输入端头，18为传光光纤，19为凹面反射镜，20为分光光栅，21为光电倍增管，22为第一数据传输线，23为采集板卡，24为第二数据传输线，25为第一计算机，26为第三数据传输线，27为光弹性调制器控制器，28为第四数据传输线，29为第四反射镜，30为第二聚焦镜，31为CCD相机，32为第五数据传输线，33为第二计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1～4所示，本实用新型包括可切换光源系统、退偏器7、二向色镜8、白光光源11、检测切换反射镜12、光弹性调制器13、格兰棱镜14、光谱采集系统和显微成像系统，其中白光光源11、被测样品10、二向色镜8、检测切换反射镜12、光弹性调制器13和格兰棱镜14呈一线设置，所述白光光源11的出射光经过被测样品10后射入二向色镜8中，可切换光源系统设于二向色镜8一侧且可切换输出不同波长的激发光源，所述可切换光源系统射出的激发光经所述退偏器7射入所述二向色镜8中，检测切换反射镜12可移动地设于二向色镜8和光弹性调制器13之间，且所述检测切换反射镜12移入二向色镜8和光弹性调制器13之间时，二向色镜8的出射光经所述检测切换反射镜12反射射入所述显微成像系统中，所述检测切换反射镜12移出二向色镜8和光弹性调制器13之间时，二向色镜8的出射光依次经过所述光弹性调制器13和格兰棱镜14射入所述光谱采集系统中，所述光弹性调制器13通过第三数据传输线26与光弹性调制器控制器27相连，所述光弹性调制器控制器27通过第四数据传输线28与所述光谱采集系统相连。

如图1所示，所述可切换光源系统包括第一连续激光光源1、第二连续激光光源2、第一反射镜3、第二反射镜5、第三反射镜6和光源切换反射镜4，其中第一反射镜3设于第一连续激光光源1的输出光路上，光源切换反射镜4设于第二连续激光光源2的输出光路上且可移动地设于第一反射镜3和第二反射镜5之间，当所述光源切换反射镜4移出第一反射镜3和第二反射镜5之间时，第一连续激光光源1的出射光依次经第一反射镜3、第二反射镜5、第三反射镜6反射射入所述退偏器7中，当所述光源切换反射镜4移入第一反射镜3和第二反射镜5之间时，第二连续激光光源2的出射光依次经光源切换反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6反射射入所述退偏器7中，从而实现不同波长激发光源的切换。所述连续激光光源为本领域公知技术。

如图1所示，所述二向色镜8靠近被测样品10一侧设有物镜9，对被测样品10进行显微成像时，所述检测切换反射镜12移入二向色镜8和光弹性调制器13之间，此时白光光源11发出的白光依次经过被测样品10、物镜9、二向色镜8后，经所述检测切换反射镜12反射射入显微成像系统中，本实施例中，所述显微成像系统包括第四反射镜29、第二聚焦透镜30、CCD相机31和第二计算机33，其中由检测切换反射镜12反射的光线经过第四反射镜29再次反射后经第二聚焦透镜30聚焦射入CCD相机31中，所述CCD相机31通过第五数据传输线32与第二计算机33相连。

如图1所示，所述可切换光源系统的出射光经过所述退偏器7射入所述二向色镜8中，对被测样品10进行圆偏振荧光光谱测量时，所述检测切换反射镜12移出二向色镜8和光弹性调制器13之间，所述退偏器7可将入射的线偏振激发光束退偏为无偏振特性的自然激发光束，所述自然激发光束波长低于二向色镜8的阀值波长，当所述自然激发光束入射至二向色镜8时，二向色镜8反射所述自然激发光束至被测样品10，被测样品10经所述自然激发光束激发后发出圆偏振荧光光束，所述圆偏振荧光光束波长高于二向色镜8的阀值波长而透射过二向色镜8并入射至所述光弹性调制器13中，所述光弹性调制器控制器27向光弹性调制器13提供周期性变化的控制信号，光弹性调制器13依据所述周期性变化的控制信号改变入射的圆偏振荧光光束相位，圆偏振荧光光束透射过光弹性调制器13转化为线偏振荧光光束，所述线偏振荧光光束经过所述格兰棱镜14的偏振筛选后入射至所述光谱采集系统。所述退偏器7和二向色镜8均为本领域公知技术。

如图2所示，本实施例中，所述光弹性调制器控制器27发出周期性方波信号，所述方波信号触发光弹性调制器13的晶格旋转，光弹性调制器13即为光轴可旋转的四分之一波片，所述光弹性调制器13受所述方波信号的上升沿触发使所述光轴旋转，所述方波信号的一个信号周期即为所述光轴旋转周期，所述旋转周期为180°，圆偏振荧光光束透射过光弹性调制器13后转化为线偏振荧光光束，所述线偏振荧光光束偏振方向与光弹性调制器13光轴方向平行，所述线偏振荧光光束在透射过格兰棱镜14过程中，所述线偏振荧光光束偏振方向与格兰棱镜14光轴方向夹角为45°和135°时透射率最高，所述线偏振荧光光束在随光弹性调制器13光轴旋转一个周期过程中，可以获得2次最强的所述透射线偏振荧光光束光强，所述线偏振荧光光束透射过格兰棱镜14的荧光光束强度呈现一个周期的强度变化，所述光弹性调制器13光轴与格兰棱镜14光轴夹角为45°时对应的所述圆偏振荧光光束为左旋圆偏振荧光光束，所述光弹性调制器13与格兰棱镜光轴夹角为135°时对应的所述圆偏振荧光光束为右旋圆偏振荧光光束。所述光弹性调制器13、光弹性调制器控制器27和格兰棱镜14均为本领域公知技术，其中格兰棱镜14可固定于一个镜架上，所述镜架设于具有Y向旋转自由度的转台上。

如图1和图3所示，所述光谱采集系统包括高通滤波片15、第一聚焦镜16、传光光纤18、凹面反射镜19、分光光栅20、光电倍增管21、采集板卡23和第一计算机25，格兰棱镜14筛选出的线偏振荧光光束经过高通滤波片15和第一聚焦镜16射入传光光纤18的输入端头17，其中高通滤波片15删减掉所述线偏振荧光光束中可能存在的激发光束杂散光，然后经过删减掉杂散光的线偏振荧光光束经第一聚焦镜16聚焦后入射至所述输入端头17并通过传光光纤18传输出射至凹面反射镜19上，光束经过凹面反射镜19准直入射至分光光栅20展宽并在波长方向分光入射至光电倍增管21，光电倍增管21可以将所述展宽的荧光光束一个较小波长范围内的光信号转化为电信号，在光弹性调制器13光轴旋转周期内，光电倍增管21可以将所述周期内荧光光束光强变化转化为电信号强度变化，采集过程中通过旋转分光光栅20来改变入射至光电倍增管21上的所述展宽荧光光束的波长，从而实现对荧光光谱的完整采集，所述光电倍增管21通过第一数据传输线22与采集板卡23相连，所述采集板卡23通过第二数据传输线与所述第一计算机25相连。所述传光光纤18、分光光栅20、光电倍增管21、采集板卡23均为本领域公知技术。

如图1所示，所述光弹性调制器控制器27通过第四数据传输线28与所述采集板卡23相连，所述光弹性调制器控制器27不仅向光弹性调制器13提供触发信号，也向采集板卡23提供触发信号，所述向采集板卡23提供的触发信号为方波信号，采集板卡23经所述方波信号上升沿触发开始对所述光电倍增管21转化出的电信号进行采集并传输至第一计算机25，第一计算机25将采集板卡23获得的信息进行处理，通过相关软件显示出所述线偏振荧光光谱强度。

如图4所示，底部曲线为所述软件显示出的是被测样品10的左旋圆偏振荧光光束对应的所述线偏振荧光光谱，其中横坐标为波长，纵坐标为对应波长的线偏振荧光光谱相对光强，即I_L，中间(b)曲线为被测样品10的左旋圆偏振荧光光束光谱相对光强(I_L)与右旋圆偏振荧光光束光谱相对光强(I_R)差值，即：

Δ＝I_L-I_R；

顶部(a)曲线为被测样品的荧光光谱的非对称系数，即：

通过对所述非对称系数的分析，即可获得被测样品10的圆偏振荧光光谱特性。

本实用新型的工作原理为：

如图1所示，本实用新型在可切换光源系统的第一反射镜3和第二反射镜5之间设有光源切换反射镜4，在二向色镜8和光弹性调制器13之间设有检测切换反射镜12，当使用第一连续激光光源1作为系统的激发光源时，所述光源切换反射镜4被从系统中移出，当使用第二连续激光光源2作为系统的激发光源时，所述光源切换反射镜4被移入系统，从而实现不同波长激发光源的转换。当系统对被测样品10进行显微成像对焦时，所述检测切换反射镜12被移入系统，当系统对被测样品10进行圆偏振荧光光谱测量时，所述检测切换反射镜12被从系统中移出，从而实现不同的检测转换。

如图1所示，在显微成像过程中，检测切换反射镜12被移入系统，白光光源11发出的白光照亮被测样品10，且经过被测样品10的光束依次经过物镜9、二向色镜8、检测切换反射镜12后在显微成像系统成像，所述显微成像系统包括第四反射镜29、第二聚焦镜30、CCD相机31和第二计算机33构成，被测样品10被放置于具有X/Y/Z三个移动自由度的平移台上，显微成像过程中通过调节所述平移台来调整被测样品10的位置，使被测样品10能够在CCD相机31上成清晰完整的像，第二计算机33可以对所述清晰完整的成像进行显示。

另外如图1所示，激发光在被测样品10上选区对焦过程中，检测切换反射镜12被移入系统，被测样品10在CCD相机31上形成清晰完整的像，所述可切换光源系统的激发光源出射光束聚焦在被测样品10处，所述聚焦焦点在第二计算机33上显示为一个明亮的光点，通过调节第二反射镜5和第三反射镜6的位置角度来调整所述明亮的光点在被测样品10上的位置，从而完成激发光在被测样品10上的选区对焦，在重复试验中也可以用同样的手法实现原位测量。

如图1所示，在被测样品10圆偏振荧光光谱采集过程中，根据需要选择可切换光源系统中目标激发波长的连续激光光源作为激发光源，将激发光源出射的激光光束利用退偏器7退偏为自然光并在被测样品10上进行选区对焦，被测样品10发出的圆偏振荧光光束透射过二向色镜8后，经过光弹性调制器13转化为线偏振荧光光束，所述线偏振荧光光束被格兰棱镜14进行偏振选择后透射过高通滤光片15，并经第一聚焦镜16聚焦至光谱采集系统，所述光谱采集系统包括传光光纤18、凹面反射镜19、分光光栅20、光电倍增管21以及采集板卡23，所述光谱采集系统可以将聚焦在传光光纤18输入端头17的线偏振荧光光束转化为电信号，且所述电信号强度与所述线偏振荧光光束光强呈线性关系，所述电信号经第一计算机25处理后显示。

如图1所示，所述光谱采集系统中的分光光栅20放置在具有Z方向旋转自由度的旋转台上，可以通过改变所述旋转台的旋转角度改变入射至光电倍增管21上的所述线偏振荧光光束波长。

本实用新型完成被测样品的选区对焦后，再进行被测样品的圆偏振荧光光谱测量。

本实施例中，所述光源切换反射镜4和检测切换反射镜12具有移动和转动两个自动度，比如可设于一个转台上实现转动自由度，而所述转台设于一个移动平台上实现移动自由度。

本实施例中，第一连续激光光源1优选为波长355nm连续激光，第二连续激光光源2优选为波长405nm连续激光，二向色镜8优选为临界波长为410nm，物镜9优选为教具为200mm物镜，被测样品10优选为金刚石对顶砧高压模块，白光光源11优选为LED白光光源，高通滤波片15优选为临界波长为430nm。

Claims (5)

1.一种基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其特征在于：包括可切换光源系统、退偏器(7)、二向色镜(8)、白光光源(11)、检测切换反射镜(12)、光弹性调制器(13)、格兰棱镜(14)、光谱采集系统和显微成像系统，其中白光光源(11)、被测样品(10)、二向色镜(8)、光弹性调制器(13)和格兰棱镜(14)呈一线设置，可切换光源系统设于二向色镜(8)一侧且射出的激发光经所述退偏器(7)射入所述二向色镜(8)中，检测切换反射镜(12)可移动地设于二向色镜(8)和光弹性调制器(13)之间，且所述检测切换反射镜(12)移入时，二向色镜(8)的出射光经所述检测切换反射镜(12)反射射入所述显微成像系统中，所述检测切换反射镜(12)移出时，二向色镜(8)的出射光经过所述光弹性调制器(13)和格兰棱镜(14)射入所述光谱采集系统中，所述光弹性调制器(13)通过线路与光弹性调制器控制器(27)相连，所述光弹性调制器控制器(27)通过线路与所述光谱采集系统相连。

2.根据权利要求1所述的基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其特征在于：所述可切换光源系统包括第一连续激光光源(1)、第二连续激光光源(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)和光源切换反射镜(4)，其中第一反射镜(3)设于第一连续激光光源(1)的输出光路上，光源切换反射镜(4)设于第二连续激光光源(2)的输出光路上且可移动地设于第一反射镜(3)和第二反射镜(5)之间，当所述光源切换反射镜(4)移出时，第一连续激光光源(1)的出射光依次经第一反射镜(3)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)反射射入所述退偏器(7)中，当所述光源切换反射镜(4)移入时，第二连续激光光源(2)的出射光依次经光源切换反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)反射射入所述退偏器(7)中。

3.根据权利要求1所述的基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其特征在于：所述显微成像系统包括第四反射镜(29)、第二聚焦透镜(30)、CCD相机(31)和第二计算机(33)，其中由检测切换反射镜(12)反射的光线经过第四反射镜(29)再次反射后经第二聚焦透镜(30)聚焦射入CCD相机(31)中，所述CCD相机(31)通过线路与第二计算机(33)相连。

4.根据权利要求1所述的基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其特征在于：所述光谱采集系统包括高通滤波片(15)、第一聚焦镜(16)、传光光纤(18)、凹面反射镜(19)、分光光栅(20)、光电倍增管(21)、采集板卡(23)和第一计算机(25)，其中格兰棱镜(14)筛选出的光束经过高通滤波片(15)和第一聚焦镜(16)射入传光光纤(18)中，并通过传光光纤(18)传输出射至凹面反射镜(19)上，再经过凹面反射镜(19)反射至分光光栅(20)，并经分光光栅(20)分光入射至光电倍增管(21)，所述光电倍增管(21)通过线路与采集板卡(23)相连，所述采集板卡(23)通过线路与第一计算机(25)相连。

5.根据权利要求4所述的基于单光子计数法的显微圆偏振荧光光谱探测系统，其特征在于：所述光弹性调制器控制器(27)通过线路与所述采集板卡(23)相连。

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