一种基于CCD探测的多光纤二维光谱分析装置的制作方法

一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置
技术领域
1.本发明涉及的是一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置，可用于生化分析仪的一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置，属于生化探测，生化分析仪器等技术领域。


背景技术：

2.生化分析仪是一种医院临床用常规分析仪器，其主要用于测定人体液中的各种生化指标，如血常规、心肌酶谱、血糖血脂、肝功、肾功、免疫球蛋白等常规生化指标。比色或比浊分析离不开光学系统，因此，光学系统是生化分析仪最重要的基础组成部分，主要由光源、分光装置和探测器组成。光学系统的优劣直接关系到分析的质量及稳定性。由光源发出的光，透过比色杯进入仪器的入射狭缝，由光学准直镜准直成平行光，再通过分光装置色散成不同波长的单色光，不同波长离开分光装置的角度不同，由聚焦反射镜成像于出射狭缝，再由探测器接收光信号转换成电信号进行检测。生化分析仪的分光装置可以分为棱镜、干涉滤光片式和光栅式三种分光装置。
3.光栅式分光装置中的光栅是衍射光栅的简称，原理是利用光的衍射原理进行分光的。衍射光栅分为透射光栅和反射光栅两种，光栅分光与干涉滤波片相比较有明显优点，比如稳定可靠，但光栅式分光装置造价昂贵，因此我们提出将传统体光栅分光光路光纤化，免去繁杂精细的光路调节，利用光纤束的每一根光纤进行分光，测量不同波段的光以区分待测物质。
4.cn201120307849.5专利公开了一种自动生化分析仪分光光度计用光学检测系统，它包括：有光源、准直镜、比色皿、聚焦镜、设有狭缝的入射板、角镜，角镜的反射工作面与轴线成一锐角，角镜后的轴线两侧分别放置平面平场全息光栅、阵列探测器，适用于单波长探测以及多波长的同时探测，检测准确性高。但它没有解决多波长探测问题。
5.cn200510130811.4专利提供了一种用于全自动生化分析仪的光学系统，本发明的特点是：结构简单，省掉了多余的发射镜，聚光镜，性能稳定。虽然通过增加到达阵列探测器的带宽来解决了信号强度问题，却降低了波长的精度。另外，受阵列探测器面宽度的限制，不能同时检测多路波长。
6.在上述专利中均没有解决多波长探测问题，因此本发明公开了一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置，利用光纤束接收端传输光、在光纤束输出端镀膜滤除部分光来取替传统光栅式与滤光式分光装置。提高了结果的精度、稳定性，降低了杂光干扰和产品成本。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种解决多波长探测、结构简单、操作容易的结构，适用于生化分析仪的一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置。
8.生化分析仪的原理是对化学反应溶液进行光学比色或比浊，通过计算反应始点和
终点吸光度变化或监测反应全过程的吸光度变化速率对待测物进行定量。在溶液化学反应定量测定中，朗伯-比尔定律则是生化分析仪测定原理的理论基础。光在本质上是一种电磁波，朗伯-比尔定律是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括液体、气体等，是比色分析及分光光度法的理论基础。当一束平行光照射到样品池6内的溶液时，一部分被溶液吸收，一部分透过溶液，还有一部分被盛有溶液的容器反射。当入射光的强度为i0，吸光度为ia，透光度为i
t
，反射光强度为ir时，则有：i0＝ia i
t
irꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)在仪器中盛装反应溶液的容器称为比色杯，均为同种材料、同一规格，反射强度ir为一个恒定值，不会引起测量误差，则上式可简化为：i0＝ia i
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)用透光度t来表示透过光强度占入射光强度的百分比，即，朗伯-比尔定律又称为光的吸收定律，当入射光强度一定时，溶液的吸光度a与溶液的浓度c、液层的厚度l成正比，即：a＝k
·c·
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，k是吸光系数，表示有色溶液在单位浓度和单位厚度时的吸光度。
9.生化分析仪中对光源的基本要求是：
①
在仪器的工作波段范围内提供连续辐射，即光源可以发射连续光谱，以便记录一个完全的吸收光谱；
②
光源发射的辐射能量具有足够的强度，其能量随波长变化尽可能小；
③
具有较好的稳定性；
④
有较长的寿命。实际上，这种理想光源是不存在的。临床项目测定中，光源强度保持不变是获得准确测定结果的重要因素，因此，在生化分析仪光学系统附有使电源电压稳定的装置，它的作用是稳定光源发光强度，使之不受外界电压变化的影响。
10.光电检测器是利用光电效应把光能转化为电能的器件，在测量中须把光信号的变换转换成电信号的变化才能定量测量。在现代光学分析仪器中，作为检测器必须在个较波长范围内对辐射信号都有响应，尤其在低功率辐射时对辐射能的吸收要比较敏感射的响应要快，转换的电信号容易放大，产生的噪声要小。光学仪器上常用的检测器分两大类即一类是对光子有响应的检测器，另一类是对辐射热有响应的检测器。ccd探测器是对光子有响应的器件之一，ccd探测器可以在较大面积上非常有效、均匀地收集和转移所产生的电荷并低噪声地测量，所以选用ccd探测器作为光子探测和图像捕获的主要器件。ccd探测器的工作原理分为四个步骤：
①
信号电荷的产生，ccd探测器可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应，也就是光生伏特效应；
②
信号电荷的存储，将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程；
③
信号电荷的传输，将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程；
④
信号电荷的检测，将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。
11.二维ccd阵列探测器与其他光电器件的最大区别在于它是把接收到的光信号转变为电信号实现光电转换，然后将电荷包作为传递信号，进行电荷的存储、转移和输出，最后
通过外部采样放大设备输出图像信息，而其他的光电器件基本上都是以电压或者电流作为信号，实现图像信息的输入输出。
12.光谱响应范围是指ccd探测器对于不同光线的敏感程度，器件对各种单色光的光谱响应会根据生产工艺、电极材料和光敏单元结构的不同而会产生不一样的效果。一般情况下把峰值响应时的百分之五十响应度所对应的波长范围看作是ccd探测器的光谱响应范围，而峰值响应波长则等于响应度最大时的波长。
13.分光方式可分为前分光和后分光。传统分光普遍采用前分光技术，现在自动生化分析仪普遍采用后分光技术。前分光指的是根据不同波长需要，先将光源灯用滤光片、棱镜或光栅分光，取得单色光之后再照射到比色杯，再通过光电池或光电管作为检测器，测定样品对单色光的吸光度。后分光技术是将一束白光先照射到比色杯上，通过后再经分光装置分光，被各个波长同时接收，用检测器检测任何波长的光吸收量。
14.窄带滤光片是一种简单而廉价的波长选择器，为目前大多数半自动生化分析仪所采用，其作用是选择性地透过一定波长范围的光。滤光片的滤光特性用最大透光波长(中心波长)和谱带半宽度(有效带宽)来描述。最大透光波长是指在该波长处辐射有最大透光率，而谱带半宽度是指最大透光率的一半处谱带的波长范围，以纳米(nm)表示，谱带半宽度愈小，则单色光的纯度愈高，一般滤光片的谱带半宽度为5-10nm。由于本发明我们利用在光纤束输出端的每根光纤纤端镀不同参数的滤光膜来代替窄带滤光片进行分光，由于分光需要，在组成光纤束输出端的每根光纤端面镀制不同参数的干涉滤光膜，半带宽小于等于6nm，再将各个光纤插入陶瓷插芯中进行固定，与探测器的连接采用插头式插入其中。
15.本发明是这样实现的：
16.它由光源、样品池、光纤束接收端、光纤束输出端和探测器组成，光纤束接收端插入样品池固定件内，将其中心正对透过样品的光束，光纤束输出端插入ccd探测器中。其中，在组成光纤束输出端的每根光纤纤端镀不同参数的滤光膜进而实现分光目的，使其能达到组成光纤束中的每根光纤对指定波长的光进行筛选，将分光后的光经由光纤束传输至ccd探测器。
17.所述的光纤束接收端的19根光纤采用环形阵列分布，其中组成光纤束的光纤采用纯石英芯的大芯径光纤。
18.所述的光纤束接收端封装，采用与光纤束接收端排布相同的19孔掺氟石英套管，将纯石英大芯径光纤插入各个孔内，通过点胶固定每根光纤的位置，其中，石英套管孔的分布与光纤束接收端分布相同。
19.所述的光纤束输出端采用工字型排布输出，在组成光纤束的每根光纤纤端进行精密研磨，使其表面平整，在每根光纤纤端镀有不同参数的干涉窄带滤光膜，半带宽小于等于6nm，通过滤除不需要波长的光实现分光功能。再将各个光纤插入陶瓷插芯中进行固定，光纤束输出端与探测器的连接采用插头式插入ccd探测器中。
20.所述的光纤束输入端与光纤束输出端封装的不同之处在于，采用的多孔石英套管的孔间距不同，光纤束接收端需要密排，光纤束输出端需要疏排。考虑到光纤束接收端接收光的强度以及收光效果，采用紧密排列效果最好；光纤束输出端要考虑到滤波的问题，所以相较于光纤束接收端间距要稍大一些。
21.所述的探测器为二维ccd阵列探测器，其中每个探测器用于接收经光纤束输出端
分光分出的不同波段的光，在ccd阵列探测器的对应位置进行强度标定并进行检测信号。
22.所述光纤束的接收端与光纤束的输出端可以根据光源光谱特性和探测器对不同波长响应度特性，对光纤束接收端与光纤束输出端内的各光纤空间位置分布进行优化。
23.本发明利用光纤束接收端传输光、在光纤束输出端镀膜滤除部分光来取替传统光栅式与滤光式分光装置，提高了结果精度与稳定性，降低了杂光干扰和产品成本。
附图说明
24.图1是ccd探测的多光纤二维光谱分析装置的光源相对强度范围以及探测器探测波长范围示意图。
25.图2(1)是本发明中光纤束接收端针对紫外波段优先选择传输位置示意图，图2(2)是光纤束输出端的端面示意图。
26.图3是本发明中组成光纤束所采用的纯石英芯的大芯径光纤的折射率分布示意图。
27.图4是ccd探测的多光纤二维光谱分析装置的原理图。
28.图5是ccd探测的多光纤二维光谱分析装置中光纤束接收端与光纤束输出端的内部示意图。
29.图6是ccd探测的多光纤二维光谱分析装置输出端结构示意图。
30.图7是ccd探测的多光纤二维光谱分析装置中二维ccd阵列探测器示意图。
具体实施方式
31.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
32.实施例1：
33.生化分析仪的检测项目中经常要用到波长为340nm的紫外光，所以对光源7的紫外光出射有特别的要求。而一般的灯泡发出的紫外光都相当微弱，因此，我们选用卤素灯。卤素灯的工作波长一般为325nm-800nm，可以满足生化分析仪从紫外光到可见光的检测。而且，卤素灯具有光线强、使用寿命长、发光效率高和体积小等优点。本发明需要分光的波长范围为340nm-800nm，图1为举例说明，其中(1)是本次发明选用卤素灯的光谱图，(2)是ccd探测器2的光谱响应范围示意图，它可以探测340nm-800nm波长的光，适用于本发明。
34.光谱响应范围是指ccd探测器对于不同光线的敏感程度，目前ccd探测器具有一个不足之处就是对400nm以下紫外区域的光谱响应能力很弱，深紫外区域几乎没有响应，本发明通过对ccd探测器2进行结构优化之后，可以有效提高它在紫外和深紫外区域的光谱响应能力，图2(2)是光纤束输出端3的端面示意图，我们对光纤束输出端3采用工字型排列，与相匹配的ccd探测器连接，可以有效探测紫外区域，可完成本发明的探测范围需要。
35.由于紫外波段的特殊性，考虑可以达到稳定的传输距离并且损耗小等问题，我们选用纯石英芯光纤1，同时为了提升吸光效率，我们采用大芯径光纤1。如图1，可以看到针对340nm即紫外波段的光，光源的发光强度非常微弱，为了达到均衡式的效果，在光纤束5-1的中心位置，比如图2(1)中方块圈出的中心部分，可以优先选择340nm波段光进行传输。综合上述原因，本发明采用纯石英芯的大芯径光纤1。
36.图2中的光纤束5-1是由19根光纤环形阵列组成，组成光纤束的其中光纤1是由纤
芯直径105微米，包层直径220微米，涂覆层320微米的三部分构成的阶跃光纤，选用纤芯为高oh-的石英材料，包层为掺氟石英材料，涂覆层为丙烯酸树脂材料。光纤1的折射率分布如图3所示，纤芯折射率n1，包层折射率n2，纤芯折射率大于包层折射率。
37.可以根据光源7的光谱特性和探测器2不同波长响应度特性，优化光纤束接收端5以及光纤束输出端3中光纤1的空间位置分布。
38.实施例2：
39.如图4所示，一种基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置是是由光源7、样品池6、光纤束接收端5、光纤束输出端3和探测器2组成，光纤束接收端5插入样品池6的固定件内，将其中心正对透过样品的光束，光纤束输出端3插入探测器2中，其中光纤束接收端5、光纤束输出端3和探测器2采用插入式，利用螺丝螺帽4进行安装。
40.图5是光纤束接收端5与光纤束输出端3的内部示意图，组成光纤束接收端5中是由19根光纤1环形阵列分布的，光纤束输出端3采用工字型排列，在输出端的每根光纤端面镀制不同参数的干涉滤光膜3-1，半带宽小于等于6nm，以达到分光目的，使其能达到组成光纤束5-1中的每根光纤对指定波长的光进行筛选，将分光后的光经由光纤束5-1传输至ccd探测器2中进行探测。
41.实施例3：
42.如图5所示，为使光纤束5-1的折射率不受影响，光纤束接收端5采用低折射率、掺氟的环形阵列分布的19孔石英套管5-2进行封装，其中，石英套管5-2的分布与光纤束接收端5的分布一致。同理，光纤束输出端3也用同样方式封装，但需要注意的是，封装光纤束接收端3的套管5-2孔间距需要紧密排列，而封装光纤束输出端3的套管5-2孔间距较光纤束接收端3间距稍大一些。
43.图6是基于ccd探测的多光纤二维光谱分析装置输出端结构示意图。将光纤1插入陶瓷插芯中，利用点胶固定，端面研磨使其平整，由于分光需要，在光纤束5-1每根光纤的端面镀制不同参数的干涉滤光膜3-1，半带宽小于等于6nm，再将各个陶瓷插芯工字型排列，固定在一个插头内部，与相对应的探测器连接。
44.如图7所示，本发明选用的探测器2为二维ccd阵列探测器，它与其他光电器件的最大区别在于它是把接收到的光信号转变为电信号实现光电转换，然后将电荷包作为传递信号，进行电荷的存储、转移和输出，最后通过外部采样放大设备输出图像信息，而其他的光电器件基本上都是以电压或者电流作为信号，实现图像信息的输入输出。光纤束输出端3的每根光纤1经过不同参数的干涉滤光膜3-1后输出，在二维ccd阵列探测器2上对19根光纤进行检测，并对相对位置进行强度标定。
45.上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。