分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于化学物质检测技术领域，可用于对物质的化学成分进行高灵敏度探测鉴别。本发明专利技术使用分光瞳光路和多个探测器同时探测不同波长下的荧光寿命及光谱信息。分光瞳光路设计有效分开荧光激发和收集光路，可屏蔽光路中其他光学元件自身激发出来的自发荧光信号，提高系统的信噪比，能对微弱的自发荧光光谱及荧光寿命进行高灵敏度的探测，具有探测精度高，探测速度快的特点。本发明专利技术的提出为待测物质荧光寿命及荧光光谱的高灵敏度便捷测量提供了可行途径，将在生物学、医学、材料科学等研究领域及临床医学诊断方面具有重要应用。

Separate fluorescence spectrum and fluorescence lifetime detection method and device of spectropupil

The invention belongs to the technical field of chemical substance detection and can be used for high sensitivity detection and identification of chemical components of substances. The invention uses a pupil light path and a plurality of detectors to simultaneously detect fluorescence life and spectral information under different wavelengths. The design of the pupil optical path can effectively separate the fluorescence excitation and collection optical path. It can shield the spontaneous fluorescence signals generated by other optical elements in the optical path, improve the signal-to-noise ratio of the system, and detect the weak spontaneous fluorescence spectrum and fluorescence lifetime with high sensitivity. It has the characteristics of high detection accuracy and fast detection speed. The invention provides a feasible way for the high sensitivity and convenient measurement of the fluorescence lifetime and fluorescence spectrum of the substance to be measured, and has an important application in the research fields of biology, medicine, material science and clinical medicine diagnosis.

【技术实现步骤摘要】
分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测方法与装置
本专利技术属于化学物质检测
，可用于对物质的化学成分进行高灵敏度探测鉴别，将在生物学、医学、材料科学等研究领域及临床医学诊断方面具有重要应用。
技术介绍
在生物、物理、化学和材料等学科领域，光谱检测及分析由于其非常高的灵敏度、分子特异性和非接触测量特性已经成为基础研究的一项基本的测量手段。其中，荧光光谱检测是利用物质在紫外光照射下产生荧光的特性及其强度进行物质的定性和定量的分析的方法。特别是对大多数有机化合物来说，其产生的荧光通常具有很强的特异性，指向性。因此荧光光谱检测由其适合运用在对这些荧光特异性强的有机化合物进行成分分析。在工业界，荧光光谱检测可用于各种污染物的成分检测、工业原料成分检测、石油原油成分检测等等。在食品安全领域，荧光光谱检测可用于对食品的霉变细菌、农药的残留量等信息进行检测和监控。在医学领域，荧光光谱技术和荧光显微成像技术为肿瘤和癌症的实时成像和检测提供了新的方向，并且有望发展成为适用于临床诊断的医疗技术。由此可见，荧光光谱检测技术是一种非常实用而且有前景的光学检测手段。通常，荧光测量技术包括荧光光谱测量和荧光寿命测量两种方式。荧光光谱测量技术是通过对从待检样品发出荧光的光谱分布检测来实现的，即固定激发波长，扫描出样品的发射光强与入射光波长的关系曲线。荧光光谱技术经常跟荧光探针相结合，应用在DNA测序、高分子材料科学、生物荧光成像等领域。与此相对，荧光寿命检测是测量去掉激发光后从待检样品中激发出的荧光强度降到激发时的荧光最大强度的1/e所需要的时间。荧光物质的荧光寿命与自身的结构、所处微环境的极性、粘度等条件有关，因此从样品所激发出来荧光的寿命值是绝对的，不受激发光强度、荧光团的浓度和光漂白等因素的影响，且不受其他限制强度测量因素的制约。通过对样品进行荧光寿命测量还可对待测样品所处的微环境的很多生化参数如pH值、离子浓度、温度等分布进行定量测量。由于荧光寿命和荧光光谱分别对荧光分子所处的微环境和荧光团分子的种类敏感。如果二者可以结合能够为物质成分的检测和分析提供互补的功能信息，将在生物学、医学、材料科学等研究领域以及临床医学诊断方面产生重要的影响。此外，当样品辐射的荧光较弱时，往往需要采用较强的激发光来激发样品的荧光，此时激发光路上光学元件也会辐射荧光，当激发光路和探测光路共光轴时，激发光路上光学元件的荧光也会被探测到，从而干扰信号光的探测，降低系统的信噪比。
技术实现思路
为了实现荧光寿命及光谱的高灵敏度探测，本专利技术提出了“分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测方法与装置”。本专利技术采用分光瞳光路探测不同波长下的荧光寿命及光谱信息，适用于微弱自发荧光信号的高灵敏探测。在微弱自发荧光探测中，强的激发光束不仅会激发出待测样品的自发荧光，也会激发出光路上其他光学器件的自发荧光。如果激发和收集共光路的话，由光路中其他光学器件激发出来的自发荧光也会被探测器接收，对有用信号的探测来说是一个很强的干扰。本专利技术采用的分光瞳设计为分开荧光激发光路和收集光路，可以有效屏蔽光路中其他光学元件激发出来的自发荧光信号，提高系统的信噪比。同时，本专利技术利用针孔对收集到的荧光信号进行滤波，提高系统的分辨率；利用扫描系统实现待测样品二维荧光寿命及荧光强度谱分布的测量。因此，本专利技术的提出为物质多个波长下荧光光谱和荧光寿命的高灵敏度测量提供了可行途径。一方面，本专利技术提供一种分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，包括脉冲激光光源，扩束镜、照明光瞳、收集光瞳、物镜、一号反射镜、分立荧光光谱及荧光寿命探测系统、信号采集器以及计算机；其中，在物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；扩束镜、照明光瞳和物镜依次位于脉冲激光光源的光束出射方向上，扩束镜将脉冲激光光源发出的脉冲激光进行扩束，照明光瞳与脉冲激光光源同轴；一号反射镜位于收集光瞳之后，分立荧光光谱及荧光寿命探测系统位于一号反射镜的反射方向上，用于探测N个不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息；信号采集器将分立荧光光谱及荧光寿命探测系统测得的N个不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息转化后传输给计算机，由所述计算机分析得到不同波长对应的荧光寿命及相对荧光强度谱。另一方面，本专利技术还提供了分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测方法，其步骤为：(a)在物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，脉冲激光器发出的脉冲激光束经过扩束镜扩束后透过照明光瞳，由物镜会聚照射在待测样品上并激发出荧光；(b)从待测样品激发出来的荧光通过所述物镜和收集光瞳后由一号反射镜反射进入分立荧光光谱及荧光寿命探测系统，得到不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息；(c)对采集得到的不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息进行数据分析后得到不同波长对应的荧光寿命及相对荧光强度谱；(d)通过待测样品在不同波长下的荧光寿命及相对荧光强度谱信息鉴别所述待测样品的化学成分。本专利技术对比已有技术具有以下创新点：1.本专利技术使用分光瞳设计分开荧光激发和收集光路，有效屏蔽光路中其他光学元件激发出来的荧光信号，显著提高系统的信噪比；2.本专利技术同时探测待测样品在不同波长下的荧光寿命及不同波长之间的相对荧光强度谱信息，信息量大，可显著提高鉴别准确度；3.本专利技术利用针孔对收集到的荧光信号进行滤波，将焦点之外的荧光信号进行了有效的屏蔽，显著提高了系统的分辨率；4.本专利技术特别适合用在物质自发荧光的高灵敏度测量中，通过探测从待测样品中激发出来的微弱的自发荧光来检测其化学成分，检测过程中无需使用荧光标记物，检测过程非常方便；5.利用扫描系统对待测样品或探测光束进行扫描，实现了待测样品的二维荧光寿命及荧光强度谱分布的测量。本专利技术对比已有技术具有以下显著优点：1.本专利技术采用的分光瞳光路设计可有效屏蔽光路中其他光学元件激发出来的荧光信号，实现弱荧光信号的高灵敏度探测；2.本专利技术使用多个探测器同时探测不同波长下待测样品的荧光寿命及相对荧光强度谱信息，具有探测速度快、探测精度高的优势。附图说明图1为本专利技术分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置的示意图；图2为本专利技术利用二向色分光镜、窄带滤光片和光强传感器组成的分立荧光光谱及荧光寿命探测系统；图3为本专利技术利用二向色分光镜、窄带滤光片、会聚透镜、针孔和光强传感器组成的分立荧光光谱及荧光寿命探测系统；图4为本专利技术用多光强传感器组替代N个光强传感器的示意图；图5为本专利技术利用二向色分光镜、窄带滤光片、光纤聚焦透镜、光纤延时线以及光强传感器组成的分立荧光光谱及荧光寿命探测系统；图6为本专利技术利用滤光片转轮和光强传感器组成的分立荧光光谱及荧光寿命探测系统；图7为本专利技术二维平移台扫描待测样品的示意图；图8为本专利技术分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测实施例的示意图；其中：1-脉冲激光光源、2-扩束镜、3-照明光瞳、4-收集光瞳、5-物镜、6-待测样品、7-一号反射镜、8-分立荧光光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，包括脉冲激光光源，其特征在于：包括扩束镜、照明光瞳、收集光瞳、物镜、一号反射镜、分立荧光光谱及荧光寿命探测系统、信号采集器以及计算机；/n其中，在物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；扩束镜、照明光瞳和物镜依次位于脉冲激光光源的光束出射方向上，扩束镜将脉冲激光光源发出的脉冲激光进行扩束，照明光瞳与脉冲激光光源同轴；一号反射镜位于收集光瞳之后，分立荧光光谱及荧光寿命探测系统位于一号反射镜的反射方向上，用于探测

【技术特征摘要】
1.分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，包括脉冲激光光源，其特征在于：包括扩束镜、照明光瞳、收集光瞳、物镜、一号反射镜、分立荧光光谱及荧光寿命探测系统、信号采集器以及计算机；
其中，在物镜的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；扩束镜、照明光瞳和物镜依次位于脉冲激光光源的光束出射方向上，扩束镜将脉冲激光光源发出的脉冲激光进行扩束，照明光瞳与脉冲激光光源同轴；一号反射镜位于收集光瞳之后，分立荧光光谱及荧光寿命探测系统位于一号反射镜的反射方向上，用于探测N个不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息；
信号采集器将分立荧光光谱及荧光寿命探测系统测得的N个不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息转化后传输给计算机，由所述计算机分析得到不同波长对应的荧光寿命及相对荧光强度谱。


2.根据权利要求1所述的分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，其特征在于：所述分立荧光光谱及荧光寿命探测系统包括（N-1）个二向色分光镜、N个窄带滤光片、N个光强传感器：由（N-1）个二向色分光镜将从待测样品激发出来的荧光光束进行（N-1）次分光，得到N路不同波长带的荧光光束；所述N路不同波长带的荧光光束分别经N个窄带滤光片滤光后由N个光强传感器探测接收，得到N个不同中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息；各窄带滤光片对应的中心波长为λn，带通宽度为δλn，其中，n=1,2,…,N。


3.根据权利要求2所述的分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，其特征在于：在所述N个光强传感器前分别加上会聚透镜和针孔：针孔放置在会聚透镜的焦点位置处，会聚透镜将各不同中心波长对应的荧光光束会聚后通过针孔进行空间滤波，由各光强传感器分别探测滤波后的荧光光强信息。


4.根据权利要求2或3所述的分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，其特征在于：用多光强传感器组替代所述使用的N个光强传感器：多光强传感器组由N个光强传感器组成，用多光强传感器组中的各光强传感器分别探测得到对应中心波长下随时间变化的窄带荧光光强信息。


5.根据权利要求1所述的分光瞳分立荧光光谱及荧光寿命探测装置，其特征在于：所述分立荧光光谱及荧光寿命探测系统包括（N-1）个二向色分光镜、N个窄带滤光片、N个光纤聚焦透镜、N个具有不同延时时间的光纤延时线以及（N+1）号光强传感器：由所述（N-1）个二向色分光镜将从待测样品激发出来的荧光光束进行（N-1）次分光，得到N路不同波长带的荧光光束；所述N路不同波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳苗，龚雷，李静伟，
申请(专利权)人：杨佳苗，
类型：发明
国别省市：上海;31