CN1167946C - 空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置 - Google Patents
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Abstract
一种空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，激光器输出的激光束经光分束镜和聚焦透镜等功率地耦合入激发光纤，激发光纤的输出端周围均匀环绕等数量的荧光采集光纤组成激发采集探头并套以定位套筒，荧光采集光纤排列成线阵置于套筒光阑中并对准光谱仪狭缝，光谱仪出射光焦平面上放置光电传感器。本发明可以同时保证空间不同的激光诱导荧光测量点的测试条件相同，包括测量点的激发光能量密度相同、荧光采集空间立体角相同和在相同样本条件下的荧光光谱强度相同，可以解决生物、医学以及化学反应等动态过程中荧光物质的同步参照检测问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种光纤耦合装置，尤其涉及一种空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，用于同时检测不同样本的激光诱导荧光光谱，属于光学技术领域。
背景技术：
目前，激光诱导荧光检测技术在物质检测、材料组分分析方面，尤其在生物医学诊断方面的应用广泛。激光诱导荧光检测是指：用紫外光波段或可见光波段的激光照射物质样品，某些物质样品会发出波长大于入射激光的荧光辐射，其荧光光谱特征反映物质的能级结构，因此可作为物质分析的一种手段。在实际应用中常遇到需要一次采集多点荧光光谱的情况。例如生物机体不同部位对注入机体荧光类药物的吸收情况检测；在癌症早期诊断及光动力治疗的临床和基础研究当中，需要同时检测肌体正常组织和异常组织的激光诱导荧光谱，以便进行比较判别。现有的激光诱导荧光检测装置通常为：激光器输出的激发光通过光学耦合系统照射某一样品或样品的某一点，样品发出的荧光由荧光采集光纤(一根或一束)传递并耦合入光谱仪，入射光束在光谱仪内分光后由光电传感器(例如光电二极管、光电倍增管、雪崩管或CCD等)纪录荧光光谱。由于这种装置在同一时刻只能检测一个点的荧光谱，不能满足多点采集的实际需要，其应用受到限制。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，解决生物、医学以及化学反应等动态过程中荧光物质的同步参照检测问题，不仅可以同时检测样品的荧光光谱，还能提高检测精度和效率。
为了实现上述目的，本发明设计的光纤耦合装置采用了空间多通道激光诱导荧光采集光纤结构，将普通的非成像型光谱仪，与线阵或面阵光电传感器(例如CCD或ICCD)等配合，组成可以对两个或更多个不同的点同时进行荧光检测的测量装置。本发明按功能划分为三个部分：激发光耦合部分、探头部分和荧光采集耦合部分。
在激发光耦合部分，采用光分束镜和聚焦透镜，将激光器输出的激发光束分离成几束光强相等的光束，并分别耦合到多根激发光纤的输入端。在激发采集探头部分，每一根激发光纤周围均匀围绕排列等数量的荧光采集光纤，端面研磨平滑光亮，外侧套以定位套筒。在荧光采集耦合部分，分别将荧光采集光纤的输出光束排列成线阵，耦合入光谱仪狭缝，每一束光纤在耦合端均加上套筒光阑并对准光谱仪狭缝。调整光纤在套筒光阑中的轴向位置，使得荧光在探测焦平面上沿纵向即与狭缝平行方向完全分开，达到空间荧光分离的目的。置于探测焦平面上的光电传感器将不同区域的荧光光谱检测出来，实现空间多点荧光同步检测。
本发明的有益效果是，可以同时保证空间不同的激光诱导荧光测量点的测试条件相同，包括测量点的激发光能量密度相同、荧光采集空间立体角相同和在相同样本条件下的荧光光谱强度相同。由此可以在样品的激发条件和荧光采集条件以及探测系统完全相同的情况下同时检测样品的荧光光谱，通过得到的被测样品不同的荧光光谱信息，来反映样品本身的特性差异。本发明有效提高了检测结果的精确度和准确度，提高检测效率，降低样本数量，降低成本，可实现单一样本的特征参数测量。
本发明可以解决生物、医学以及化学反应等动态过程中荧光物质的同步参照检测问题。例如，本发明的装置在皮肤癌激光诱导荧光早期诊断应用中，可以同时检测同一患者皮肤正常部位和异常部位的荧光谱，通过参照对比分析，得到诊断结果。避免了不同个体的特异性带来的诊断误差，也避免了传统单一检测通道探头必须分时测量从而带来测试条件改变引起的随机误差。
附图说明：
图1是本发明光纤耦合装置(三通道)的整体结构示意图。
如图1所示，本发明装置由三部分组成，包括激发光耦合部分、激发采集探头部分和荧光采集耦合部分。其中，激光器1，两片激光波长透过率不同的第一光分束镜2和第二光分束镜3，聚焦透镜4，激发光纤5，激发采集探头6，定位套筒7，检测样本8，采集光纤束9，套筒光阑10，采集光纤调整套筒11，光谱仪狭缝12，光电传感器13，曝光像元区14。
图2是本发明装置中的激发采集探头结构示意图。
图3是本发明装置中的荧光采集耦合部分结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明装置包括激发光耦合部分、激发采集探头部分和荧光采集耦合部分。激发光耦合部分的功能是产生三束等光功率的激光，并分别耦合到激发光纤中。激光器1输出的激光束光功率为P0，在第一光分束镜2(T2＝33.3％)处分为两束，光分束镜平面与激光束夹角为45°，透射的光功率为P0/3，反射光束在第二光分束镜3(T3＝50％)处分为两束。经过第一光分束镜2和第二光分束镜3分束得到的三束光的光功率相等，为P0/3。三束光分别用聚焦透镜4耦合入石英激发光纤5。
本发明中，光分束镜的透过率T与反射率R之和为1。
对于不同通道数量，光分束镜的透过率可按照下面公式计算
Ti+2＝1/(n-i) i＝0，1…n-2
其中n是通道数量，透过率T的下脚标序号与图1中光分束镜标号对应。
激发采集探头部分的功能是用激发光纤输出的激光激发样品，并将样品产生的荧光收集起来，由荧光采集光纤传输到荧光采集耦合部分。其结构如图2所示。激发光纤5周围均匀环绕采集光纤9，用胶粘结固定，端面研磨平滑光亮，组成激发采集探头6。探头6外套以定位套筒7，起调整激发采集光纤9的端面到样本8距离的作用。激发光纤5传输过来的紫外光在样本8处激发组织后产生的荧光经采集光纤9传输，耦合入光谱仪。
荧光采集耦合部分的功能是将样品荧光进行空间和光谱二维分光，结构如图3所示。每组采集光纤9排成线阵，插入采集光纤调整套筒11并粘结其中，采集光纤调整套筒11外面套以套筒光阑10，使排列成线阵的光纤对准光谱仪狭缝12。沿平行于狭缝方向调整套筒光阑10之间的距离，以及沿套筒轴线方向，调整采集光纤调整套筒11在套筒光阑10中的位置，使位于焦平面光电传感器13上的三组曝光像元区14严格分开。
本发明装置得以有效实施的关键条件在于：①空间不同测试点的激发光能量密度相同；②采集光纤端面相对于测试点的空间位置相同；③在满足①和②条件下，对于同一样品的不同测试点，光电传感器采集的光谱信号强度和形状相同。
为达到条件①的要求，可通过调整图1中的光分束镜2、3和三个聚焦透镜4，用光功率计在激发光纤5的另一端测量输出光功率，使三个输出端的光功率相等；此外，调整定位套筒7，使激发光纤的三个输出端到检测样品面的距离相等。由于使用的激发光纤相同，有同样的数值孔径，因此，样品上被激发光照亮的光斑大小相同，即被测试点的激发光能量密度相同。
条件②要靠光缆加工质量保证，使采集光纤9均匀地排列在激发光纤5周围，端面均在同一平面；调整定位套筒7，使激发光纤的三个输出端到样品面的距离相等，这样来保证样品上的光斑对采集光纤端面有相同的立体张角。
在达到①和②条件要求情况下，将三个激发采集头置于同一标准样品的三个不同点(这里要求标准样品不同点出的荧光效率是相同的)，调整采集光纤调整套筒11在套筒光阑10中的轴向位置，使光电传感器13上的三组曝光像元区14严格分开，并且保持光谱强度相等。
光谱检测时，分别将光电传感器13上三个区域纵向像元探测的强度相加，即得到三个测试点在相应波长的强度。由于光谱仪在水平方向有分光作用，因此空间(纵向)分开的三束光在水平方向也是按波长分开的。
Claims (3)
1、一种空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，其特征在于包括激发光耦合、激发采集探头和荧光采集耦合三部分，激光器(1)输出的激光束经第一光分束镜(2)与第二光分束镜(3)分束后得到光功率相等的光束，分别经聚焦透镜(4)耦合入石英激发光纤(5)，激发光纤(5)输出端周围均匀环绕荧光采集光纤(9)，组成激发采集探头(6)，探头(6)外套以定位套筒(7)，每组采集光纤(9)排成线阵，插入采集光纤调整套筒(11)中，外面套以套筒光阑(10)使采集光纤(9)对准光谱仪狭缝(12)，光谱仪出射光焦平面上放置光电传感器(13)。
2、如权利要求1所说的空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，其特征在于第一光分束镜(2)与第二光分束镜(3)的透过率分别为T2＝33.3％，T3＝50％，其平面与激光束夹角为45°，激光器(1)输出的激光束光功率为P0，经过第一光分束镜(2)和第二光分束镜(3)得到的光功率为P0/3。
3、如权利要求1所说的空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，其特征在于第一光分束镜(2)、第二光分束镜(3)的透过率T与反射率R之和均为1。
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