一种荧光检测器

1.本发明涉及光学检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种荧光检测器。


背景技术：

2.荧光检测器是一种兼具高选择性以及超高的灵敏度检测器，在超痕量分子水平的检测中有着重要地位。检测器的灵敏度是衡量其性能的重要参数之一，为了提高灵敏度，人们通常从增大激发光强度、提高荧光收集效率的角度对荧光检测器进行优化。从原理上讲，激发光照射的激发区域所产生的荧光是空间立体发散的，检测器只能收集其中很小一部分角度的荧光，因此荧光的收集效率很低。为了提高荧光的收集效率，人们将曲面反光镜类结构安排在收集光路中，使检测器收到来自更广角度的荧光，另外，对于采用共线式光路结构的荧光检测器而言，收集光路上的反光镜还可以将透过检测池的激发光再反射回检测池，提高激发光的利用率。如专利us6184990b1在荧光光路中设置了一块球面反光镜，其球心与检测窗口重合。该位置产生的荧光经球面反光镜的反射与聚拢，使检测器额外收集到来自球面覆盖的立体角的荧光，提高了荧光的收集效率。
3.但在检测光路中使用反光镜类结构增加检测灵敏度的同时，人们往往忽略了这一类结构对检测信噪比的负面影响，信噪比是反应检测系统灵敏度的关键参数，对于荧光检测器而言，一般激发光利用率越高、荧光收集效率越高、背景杂散光越少，信噪比就越大。但由于滤光片的截止深度是有限的，难以避免杂散光进入光电探测器，造成背景信号增强，降低了信噪比，而在系统中增加反光镜类装置时，会有更多的激发光被反射到荧光光路，使得添加反光镜类装置对系统整体的灵敏度提升不够显著。为了避免杂散光进入荧光光路，专利cn109387490a提出了采用二色镀膜的曲面反光镜代替全反射曲面反光镜的方法，保证了荧光收集效率的同时防止了激发光与荧光一同被反射，但由于激发光经过一次样品池后被直接被透过，损失了相当一部分“未被二次利用”的激发光，对信噪比的提高也造成了一定不利的影响。因此，在保证激发光利用率以及荧光收集率的同时，避免激发光、杂散光被光电探测器收集是进一步提高检测器信噪比的关键问题。


技术实现要素：

4.根据上述提出的现有荧光检测技术由于激发光经过一次样品池后被直接被透过，损失了相当一部分“未被二次利用”的激发光，对信噪比的提高也造成了一定不利的影响的技术问题，而提供一种荧光检测器。本发明采用共线式光路结构，由一块曲面反光镜收集并反射荧光与未利用的激发光，并通过荧光发射光路上的二向色镜以及其后的光阱消除进入荧光发射光路的激发光和杂散光，从而既保证了激发光的充分利用以及荧光的高效收集，又避免了被曲面反光镜反射进荧光发射光路的激发光和杂散光对检测信噪比造成的不利影响。荧光和激发光均被曲面反光镜原路返回，实现“二次激发 二次收集”作用，使得荧光信号提高4.5倍以上；采用第二二向色镜将激发光有效地透过，大幅度降低背景杂散光，使得背景基线水平维持不变，从而使检测信噪比提高4倍左右。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种荧光检测器，采用共线式光路结构，包括：
7.激发光路，与荧光发射光路互成180
°
，所述激发光路上依次设有激发光源、激发滤光片和第一二向色镜；所述激发光源发出的激发光经所述激发滤光片后射入所述第一二向色镜，激发光被所述第一二向色镜反射后进入荧光收集光路，所述第一二向色镜同时能透过荧光且与所述激发光路夹角呈45
°
；
8.荧光收集光路，与所述激发光路呈90
°
夹角，所述荧光收集光路上依次设有第一汇聚透镜、检测池和曲面反光镜，被反射后的激发光经所述第一汇聚透镜聚焦于所述检测池，所述检测池内的样品被激发光照射发出荧光，所述荧光、未被利用的激发光及杂散光被所述曲面反光镜收集并反射后依次经过所述检测池、所述第一汇聚透镜和所述第一二向色镜进入所述荧光发射光路；其中，所述曲面反光镜上设有的凹面面朝检测方向，且所述凹面对激发光与荧光具有高反射率；所述曲面反光镜的曲面为球缺面，且其球心与所述第一汇聚透镜的焦点重合；
9.荧光发射光路，该光路上依次设有第二二向色镜、发射滤光片和光电探测器，所述第二二向色镜的后侧设有光阱；所述第二二向色镜与所述荧光发射光路呈45
°
夹角，且对进入所述荧光发射光路的荧光进行反射，同时使激发光和杂散光透过；其中，透过所述第二二向色镜的激发光和杂散光垂直照射在所述光阱上被充分地散射吸收，被所述第二二向色镜反射的荧光经所述发射滤光片被所述光电探测器接收；所述第二二向色镜只反射荧光所在波段的光。
10.进一步地，所述第一二向色镜的后侧设有一个光阱，透过所述第一二向色镜的激发光垂直照射在所述光阱上。
11.进一步地，所述光阱的表面材料采用发黑粗糙的无荧光的黑色材料。
12.进一步地，所述激发滤光片和所述发射滤光片的数量均≥1。
13.进一步地，所述发射滤光片和所述光电探测器之间设有一个光阑和第二汇聚透镜，所述光阑靠近所述光电探测器一端。
14.进一步地，所述光电探测器为光电放大器、光电倍增管、光电二极管或电荷耦合元件。
15.进一步地，所述激发光源和所述激发滤光片之间设有第三汇聚透镜。
16.进一步地，所述激发光源为高亮度小发散角的发光二极管，发散角≤80
°
。
17.进一步地，所述曲面反光镜对荧光所在波段以及激发光所在波段的光反射率均大于95％。
18.进一步地，所述检测池为柱后检测池、毛细管柱上检测池或比色皿检测池。
19.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
20.1、本发明提供的荧光检测器，将曲面反光镜用于共线式的光路结构，只用一块曲面反光镜就同时提高了激发光利用率与荧光收集效率；由于曲面反光镜的曲面为球缺面，且球心与所述第一汇聚透镜的焦点重合，激发光和荧光均接近垂直入射至球面再被高效地原路返回，大幅度提高了检测信噪比。
21.2、本发明提供的荧光检测器，设置在荧光发射光路上的第二片二向色镜及光阱，确保了激发光的二次利用以及荧光的高效收集的前提下，避免曲面反光镜反射的激发光与
杂散光进入光电探测器，降低了背景信号，进一步降低了背景杂散光水平，提高了检测信噪比，可使检测信噪比提高4倍以上。
22.综上，应用本发明的技术方案能够解决现有荧光检测技术由于激发光经过一次样品池后被直接被透过，损失了相当一部分“未被二次利用”的激发光，对信噪比的提高也造成了一定不利的影响的问题。
23.基于上述理由本发明可在比色皿、毛细管、流通池等分析系统的荧光检测等领域广泛推广。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明荧光检测器的基本结构以及实施例1、实施例4中荧光检测器的结构示意图。
26.图2为本发明实施例2中荧光检测器的结构示意图。
27.图3为本发明实施例3中荧光检测器的结构示意图。
28.图中：1、激发光源；2、激发滤光片；3、第一二向色镜；4、第一汇聚透镜；5、检测池；6、曲面反光镜；7、第二二向色镜；8、光阱；9、发射滤光片；10、光电探测器；11、第二汇聚透镜；12、光阑；13、第三汇聚透镜。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
32.如图所示，本发明提供了一种带有曲面反光镜的荧光检测器，主要应用于比色皿、毛细管、流通池系统的荧光检测。所述荧光检测器采用共线式光路结构，包括：
33.激发光路，与荧光发射光路互成180
°
，所述激发光路上依次设有激发光源1、激发滤光片2和第一二向色镜3；所述激发光源1发出的激发光经所述激发滤光片2后射入所述第一二向色镜3，激发光被所述第一二向色镜3反射后进入荧光收集光路，所述第一二向色镜3
同时能透过荧光且与所述激发光路夹角呈45
°
。
34.荧光收集光路，与所述激发光路呈90
°
夹角，所述荧光收集光路上依次设有第一汇聚透镜4、检测池5和曲面反光镜6，被反射后的激发光经所述第一汇聚透镜4聚焦于所述检测池5，所述检测池5内的样品被激发光照射发出荧光，所述荧光、未被利用的激发光及杂散光被所述曲面反光镜6收集并反射后依次经过所述检测池5、所述第一汇聚透镜4和所述第一二向色镜3进入所述荧光发射光路；其中，所述曲面反光镜6上设有的凹面面朝检测方向，且所述凹面对激发光与荧光具有高反射率；所述曲面反光镜6的曲面为球缺面，且其球心与所述第一汇聚透镜4的焦点重合。
35.荧光发射光路，该光路上依次设有第二二向色镜7、发射滤光片9和光电探测器10，所述第二二向色镜7的后侧设有光阱8；所述第二二向色镜7与所述荧光发射光路呈45
°
夹角，且对进入所述荧光发射光路的荧光进行反射，同时使激发光和杂散光透过；其中，透过所述第二二向色镜7的激发光和杂散光垂直照射在所述光阱8上被充分地散射吸收，被所述第二二向色镜7反射的荧光经所述发射滤光片9被所述光电探测器10接收；所述第二二向色镜7只反射荧光所在波段的光。
36.所述光阱8设有两个，一个位于第一二向色镜3的后侧，透过第一二向色镜3的激发光垂直照射其上；另一个位于第二二向色镜7的后侧，透过第二二向色镜7的激发光和杂散光垂直照射其上。其中，所述光阱8的表面材料采用发黑粗糙的无荧光的黑色材料，如表面发黑的金属或无荧光的黑色高分子材料。
37.所述激发滤光片2与发射滤光片9的数量可以增加，且数量均≥1。
38.所述发射滤光片9和光电探测器10之间设有一个光阑12和第二汇聚透镜11，所述光阑12靠近光电探测器10一端。其中，所述光电探测器10为光电放大器、光电倍增管、光电二极管或电荷耦合元件。
39.所述激发光源1和激发滤光片2之间设有第三汇聚透镜13。其中，所述激发光源优先选用高亮度小发散角的发光二极管，发散角≤80
°
。
40.所述曲面反光镜6对荧光所在波段以及激发光所在波段的反射率均大于95％。
41.所述检测池5为柱后检测池、毛细管柱上检测器或比色皿检测池。
42.本发明荧光检测器采用共线式光路结构，由一块曲面反光镜收集并反射荧光与未利用的激发光，并通过荧光发射光路上的二向色镜以及其后的光阱消除进入荧光发射光路的激发光和杂散光，从而既保证了激发光的充分利用以及荧光的高效收集，又避免了被曲面反光镜反射进荧光发射光路的激发光和杂散光对检测信噪比造成的不利影响。荧光和激发光均被曲面反光镜原路返回，实现“二次激发 二次收集”作用，使得荧光信号提高4.5倍以上；采用第二二向色镜将激发光有效地透过，大幅度降低背景杂散光，使得背景基线水平维持不变，从而使检测信噪比提高4倍左右。
43.实施例1
44.如图1所示，一种荧光检测器，由激发光源1、激发滤光片2、第一二向色镜3、第一汇聚透镜4、检测池5、曲面反光镜6、第二二向色镜7、光阱8、发射滤光片9和光电探测器10组成。所述荧光检测器的激发光路与荧光发射光路互成180
°
；所述激发光路上依次设有激发光源1、激发滤光片2和第一二向色镜3，其中激发光源1选用中心波长为365nm的发光二极管，其半峰宽为15nm，发散角为10
°
；激发滤光片2的中心波长为365nm，带宽为70nm；所述第
一二向色镜3能反射激发光并透过荧光且与激发光路夹角呈45
°
，透射波段：410nm-600nm、反射波段：200nm-400nm；激发光被第一二向色镜3反射后经第一汇聚透镜4聚焦于检测池5，该第一汇聚透镜4的半径为6.3mm，焦距为6.3mm，其中检测池5为比色皿检测池；检测池5内的样品被激发光照射发出荧光，所述荧光、未被利用的激发光及杂散光被曲面反光镜6收集并反射后依次经过检测池5、第一汇聚透镜4、第一二向色镜3进入荧光发射光路，该光路上顺序设有第二二向色镜7、发射滤光片9和光电探测器10，其中所述发射滤光片9的中心波长为430nm，带宽为30nm，光电探测器10为光电倍增管；所述第二二向色镜7与荧光发射光路呈45
°
夹角，其透射波段：350nm-400nm，反射波段：400nm-650nm，透过的激发光、杂散光进入第二二向色镜7后侧设置的光阱8被充分地散射吸收，该光阱8为表面粗糙的发黑氧化铝。所述曲面反光镜6的凹面面朝检测方向，凹面上镀有反射膜，对300nm-700nm光反射率大于95％；所述曲面反光镜6的曲面为球缺面，其直径为10mm，球凹面的半径为8.2mm，且球心与所述第一汇聚透镜4的焦点重合。
45.应用例1
46.实施例1所述荧光检测器用于苯并(a)芘的检测，设置对照实验，对照组1为不使用曲面反光镜6，第二二向色镜7为平面反光镜，对照组2为使用曲面反光镜6，第二二向色镜7为平面反光镜；该平面反光镜在200nm-700nm光反射率大于95％。
47.采用比色皿检测池比较两套检测器的信噪比，待测样品为0.5ppb苯并芘的乙腈溶液和乙腈，实验结果：使用本发明设计的荧光检测器的实验组的信噪比为对照组1的4.5倍，且相较于对照组2，背景基线下降了40％。
48.实施例2
49.如图2所示，与实施例1不同的是，本实施例中，光电探测器10为光电二极管，激发滤光片2和发射滤光片9的数量均为2，在所述发射滤光片9和光电探测器10之间设有一个光阑12和第二汇聚透镜11，所述光阑12靠近光电探测器10一端，孔径为2.5mm；所述激发光源1和激发滤光片2之间设有第三汇聚透镜13；检测池5为柱后检测池，其为内径2mm，外径4mm，长度7mm的石英管；所述光阱8设有两个，一个位于第一二向色镜3后侧，透过第一二向色镜3的激发光垂直照射其上；另一个位于第二二向色镜7后侧，透过第二二向色镜7的激发光和杂散光垂直照射其上，两个光阱8的材质均为黑色氧化铝材质。
50.应用例2
51.实施例2所述荧光检测器用于苯并(a)芘的检测，设置对照实验，将曲面反光镜6用二色曲面反光镜替换，该二色曲面反光镜的反射波段为400nm-700nm，透射波段为300nm-390nm，曲面为球缺面，其直径为10mm，球凹面的半径为8.2mm。
52.采用流动注射分析法比较两套检测器的信噪比，待测样品为0.5ppb苯并芘的乙腈溶液，流动相为色谱纯乙腈，流速为0.8ml/min，定量环体积为20μl。
53.实验结果：使用本发明设计的荧光检测器的实验组的信噪比为对照组的2.1倍。
54.实施例3
55.如图3所示，与实施例2不同的是，本实施例中，检测池5为比色皿检测池；光电探测器10为电荷耦合元件。
56.实施例4
57.如图1所示，与实施例1不同的是，本实施例中，检测池5为毛细管柱上检测池，毛细
管外径为365μm，内径为50μm；激发光源1为中心波长为470nm的发光二极管，半峰宽为20nm，发散角为30
°
；激发滤光片2的中心波长为470nm，带宽为30nm，光电探测器10为光电放大器，激发滤光片2的中心波长为530nm，带宽为30nm，第一二向色镜3的透射波段：510nm-700nm，反射波段：300nm-500nm；第二二向色镜7的透射波段：200nm-500nm，反射波段：510nm-700nm。
58.应用例3
59.实施例4所述荧光检测器用于荧光素钠的检测。
60.采用流动注射分析法比较两套检测器的信噪比，待测样品为0.5ppb的荧光素钠的水溶液，流动相为去离子水，流速为0.8ml/min，定量环体积为20μl。
61.实验结果：使用本发明设计的荧光检测器的实验组对荧光素钠的检测限为0.03μg/l，接近使用led光源和毛细管检测池的文献报道的最高灵敏度水平。
62.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。