一种基于光学斩波器的延迟发光测量系统技术方案

一种基于光学斩波器的延迟发光测量系统，可以用于延迟发光的测量，测量中有两条光路：光路一是激发光照射样品的光路；光路二是探测器探测样品发光的光路；该系统利用反光镜或者棱镜将其中一条或者两条光路反射或折射，使两条光路都通过同一个斩光器。这样就实现了同一个斩光器在测量中同时对激发光和被测样品的发光进行斩光，因而可以探测样品的延迟发光和激发态寿命。该系统可以用于光谱仪和荧光成像装置，并可以搭配任意的稳态光源使用，且无需再配备脉冲发生器、延迟发生器和快门附件等，简化了仪器装置并降低了成本。该系统也可以搭配大功率的近红外激光器，用于上转化材料或近红外发射材料的时间分辨的成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学斩波器的使用方法，该方法可以运用到延迟发光测量系统（包括瞬态光谱仪和时间分辨的成像设备）中。属于光学仪器制造领域。
技术介绍
在光致发光现象中，分子受光照激发跃迁到激发态，激发态的分子可通过释放光子回到基态，即分子的荧光或磷光。分子的激发态存在寿命，即激发态的分子要在过一段时间之后才释放光子回到基态，且不同分子的激发态寿命各不不同，分子激发态寿命越长，其发光持续时间越长。通常情况下，分子的荧光寿命在纳秒级，磷光寿命可以达到微秒级以上。延迟荧光分子，其寿命也可以达到微秒级甚至毫秒级。近些年发展的一些磷光分子，寿命可以达到秒级。此外一些无机纳米材料，其寿命在毫秒级以上。这些长寿命的发光统称为延迟发光，也被称为辉光。在荧光和磷光的测量中，一般需要构建两个光路：光路一是激发光照射样品的光路，即从光源发出的光经过透镜、光栅等部件后会聚到样品上，其目的是使样品中的分子受光照激发；光路二是探测器探测样品发光的光路，即样品发光经过透镜、光栅等部件后到达探测器。在稳态的测量过程中，光路一和光路二同时打开，即激发光一直照射样品的条件下测量，这种方式可以获得样品发光光谱和强度的信息，但是不能得到样品激发态寿命的信息。随着科学的发展，分子的激发态研究在基础科学和检测应用中越来约重要。为了获得分子激发态寿命的信息和时间分辨的光谱，人们发展了瞬态光谱仪。瞬态光谱仪，包括瞬态吸收和瞬态荧光光谱仪，在光物理光化学的研究中有重要应用。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）为了实现时间分辨的测量，可采用脉冲光源激发样品，同时利用具有高时间分辨率的光电倍增管、单光子计数器或具有门控功能的CCD测量其延迟的吸收或者发光信号，以获得分子激发态的寿命等信息。然而为了实现高的时间分辨率，这类光谱仪通常需配备价格昂贵的脉冲激光器和CCD。而且激光器是单一波长，不能实现全波段的测量。配置不同波长的激光器可以部分解决这个问题，然而却导致仪器的成本大大增加。为了降低成本，人们将光斩波器应用到瞬态光谱的测量中。光斩波器简称斩光器，可以把连续光源发出的光，调制成脉冲或交变的光信号。（参考专利公开说明书CN200710025960.3、CN201310342971.X、CN200410093016.8，中国专利申请号201520771676.0等。）传统斩光器主要部件之一是斩光盘，也叫斩光片，斩光盘上分布着几个或多个通光孔，通常这些通光孔以轴心为中心成中心对称分布。当电机控制斩光盘，在一定转速下，连续光源经过斩光盘上的通光孔后，即被调制成一定频率的周期性脉冲光。在一些应用中，可在光谱仪的激发光的光路后加一个斩光器，这样就将稳态的光源变成了模拟的瞬态光源，同时在探测器的前面再加一个斩光器，用来调节延迟时间和快门时间，以实现时间分辨的测量。同样的方案可以用于时间分辨的荧光显微镜的设计。（参考文献Anal. Chem. 2011, 83, 2294-2300。）并在生物成像领域中有重要应用。然而在上述解决方法中，需要对两个斩光器进行协同控制，或者协同控制脉冲光源和斩光器，由于现有的斩光器一般采用电机机械调制，其精度受电机转速影响较大，其调制出的脉冲光源本身带有一定的时间误差，加上要对两个斩光器同步控制，必然使误差加大，降低了整体测量的时间分辨率。提高单个斩光器的精度可以提高整体测量的时间精度，但是斩光器的成本随之增加。
技术实现思路
为了解决上述问题，并降低散射光干扰，本专利技术发展了传统斩光器的用法，用于延迟发光测量系统的构建，通过构建测量光路，使同一个斩光器在测量中同时对激发光和被测样品的发光进行斩光，即实现两次斩光，从而实现脉冲信号发生和延迟探测的协同控制。由于只使用一个斩光器，因而相对于协同控制两个斩光器，极大提高了时间精度，并降低了光谱仪的成本。本专利技术的延迟发光测量系统含有光源、样品架或样品室、探测器，还含有一个斩光器及几个棱镜或者反光镜；该系统所用的斩光器采用电机调制，与一般的斩光器一样，含有一个斩光盘，斩光盘上分布有通光孔。当斩光盘位于光路上时，斩光盘转动即可使光路反复于开和关的状态。当通光孔转到光路上时，即光路打开，反之，光路关闭。该系统中存在两条光路：光路一是激发光照射样品的光路，其目的是使样品中的分子受光照激发；光路二是探测器探测样品发光的光路，即样品发光到达探测器。利用反光镜或者棱镜将其中一条或者两条光路反射或折射，使两条光路都通过这个斩光器的斩光盘，但是经过斩光盘上的不同位置。激发光通过斩光盘照射到样品上，样品受激发后发出荧光或者磷光，其中一部分荧光或者磷光经过棱镜或反光镜的反射后再次经过斩光盘，之后被探测器检测。这样就实现了同一个斩光器在测量中同时对激发光和被测样品的发光进行斩光：对光路一的斩光相当于把稳态光源转变成脉冲光源；对光路二的斩光相当于探测器快门的开合。由于两条光路经过斩光盘的位置不同，因而两次斩光存在时间差，因而该测量系统可以探测样品的延迟发光和激发态寿命。按照该方法将斩光器装载在荧光光谱仪中，构建合适的光路，可以实现样品延迟发光的测量。在这样的荧光光谱仪中，其含有光源、样品架或样品室、探测器等一般稳态荧光仪的基本零部件，还含有一个斩光器及几个棱镜或者反光镜。此外，该荧光仪的光路为：光源发出的光经过斩光器的斩光盘，作为激发光照射样品，然后样品的光经过棱镜或者反光镜的反射再次经过斩光盘，到达探测器。在光路上，还可以搭配光栅、透镜、滤光片、分光片、衰减片等，还可以增加二向色镜、棱镜和反光镜以改变光路的方向。只要测量中，光源照射样品之前先经过了斩光器，样品的发光经过斩光器后再到达探测器，则测量延迟发光的原理都是一样。延迟发光的测量中，当光源通过斩光盘的通光孔照射到样品上的时候，斩光盘的另外一部分正好挡住了样品到探测器的光路；当斩光盘转动使光源到样品的光路被挡住的时候，斩光盘上的通光孔正好也绕轴转过了一个角度，使得样品的发光可以通过该通光孔到达探测器，相当于快门开启并收集光信号。由于一次照射所收集的信号较弱，可以使斩光盘匀速转动，反复上述测量过程，并累积多次测量的信号，以获得理想的信号强度。除了光谱的测量之外，本方法还可以用于荧光成像装置，用于时间分辨的成像。在这样的装置中，其含有光源、样品架或样品室、照相机或探测器等一般稳态成像装置的基本零部件，还含有一个斩光器及几个棱镜或者反光镜。该成像装置的光路为：光源发出的光经过斩光器的斩光盘，作为激发光照射样品，然后样品的光经过棱镜或者反光镜的反射再次经过斩光盘，到达探测器。在光路上，还可以搭配光栅、透镜、滤光片、分光片、衰减片等，还可以增加二向色镜、棱镜和反光镜以改变光路的方向。只要测量中，光源照射样品之前先经过了斩光器，样品的发光经过斩光器后到达照相机或探测器，则时间分辨的成像的原理都是一样。该装置用于时间分辨的成像（时间门的成像，又或者延迟成像），其原理与前面延迟发光的测量的原理一致，都是通过一个斩光器对光源和样品发光同时进行斩光：对光源斩光，可以将光源转化为脉冲光源；对样品发光斩光，相当于控制延迟时间和快门时间。由于两次斩光是由一个斩光盘进行，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种延迟发光测量系统，该系统含有光源、样品架或样品室、探测器，还含有一个斩光器及几个棱镜或者反光镜；其特征在于：所用的斩光器采用电机调制，含有一个斩光盘，斩光盘上分布有通光孔；测量中有两条光路：光路一是激发光照射样品的光路，光路二是探测器探测样品发光的光路；利用反光镜或者棱镜将其中一条或者两条光路反射或折射，使两条光路都通过这个斩光器的斩光盘，但是经过斩光盘上的不同位置；激发光通过斩光盘照射到样品上，样品受激发后发出荧光或者磷光，其中一部分荧光或者磷光经过棱镜或反光镜的反射后再次经过斩光盘，之后被探测器检测。

【技术特征摘要】
1.一种延迟发光测量系统，该系统含有光源、样品架或样品室、探测器，还含有一个斩光器及几个棱镜或者反光镜；其特征在于：所用的斩光器采用电机调制，含有一个斩光盘，斩光盘上分布有通光孔；测量中有两条光路：光路一是激发光照射样品的光路，光路二是探测器探测样品发光的光路；利用反光镜或者棱镜将其中一条或者两条光路反射或折射，使两条光路都通过这个斩光器的斩光盘，但是经过斩光盘上的不同位置；激发光通过斩光盘照射到样品上，样品受激发后发出荧光或者磷光，其中一部分荧光或者磷光经过棱镜或反光镜的反射后再次经过斩光盘，之后被探测器检测。2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：激发光通过斩光盘照射到样品池104上，样品受激发后发出荧光或者磷光，其中一部分荧光或者磷光经过全反射棱镜105的反射后再次经过斩光盘101，之后被探测器检测；该系统可以测量样品的延迟发光光谱。3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：激发光经过斩光盘301转变为脉冲光源，再经过透镜303，经过反光镜304反射，再经过二向色镜305反射照射样品室306中的样品307，样品发光依此经过二向色镜305、透镜308，再经过斩光盘301后到达探测器；其中，激发光和样品发光通过斩光盘301上的通光孔302的时间不同，存在先后次序，因而该系统可以用于延迟发光成像。4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于：激发光通过斩光盘401，被反光镜403反...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱泽策，
申请(专利权)人：朱泽策，
类型：新型
国别省市：湖北;42