CN104792754A - 一种激光诱导液体荧光的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导液体荧光的检测装置，涉及荧光光谱技术领域。包括自动进样清洗***、荧光激发***、分光***；其中自动进样清洗***位于整个装置中间，荧光激发***和分光***分别位于自动进样***的两边。待测液体充满液芯光纤，激发产生的荧光随入射光在液芯光纤内传输，并不断地被累积加强，激光被耦合进入液芯光纤后，全部被限制在整个液芯光纤内传输，激发光与被测液体不断作用，延长了总有效激发光程，激发产生的荧光强度被不断累积。由于液芯光纤可以很长，因而荧光强度在光纤内可大幅度得到提高，可实现低浓度物质的荧光检测。

Description

一种激光诱导液体荧光的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及荧光光谱技术领域，特指一种高灵敏度的液体荧光检测装置。

背景技术

荧光是一种光致发光现象，当物质经某特定波长的入射光(通常是可见光、紫外或X射线)照射后，吸收光能后进入激发态，并立即退出激发态发出比入射光的波长更长的出射光。而入射光一旦停止，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光称为荧光。

荧光光谱仪包括三个基本组件：光源、液体样品池、探测器，其中光源可使用单一波长的光源，也可是波长连续可调的单色器；液体样品池一般为透明小容器，探测器常采用光电倍增管或CCD。

利用荧光光谱仪检测待测物时，待测物的荧光大多需在溶液状态下获取，溶剂大多采用水或去离子水等无荧光溶剂。采用的液体样品池常用由石英材料制成的长方体透明容器。试验时，石英容器内装满待测物的液体，激发光穿过石英容器某一侧面，照射到待测溶液上，由透镜在与石英容器的入射侧面相垂直的另一侧面收集激发产生的荧光。如专利200820075445.6、名称为“激光拉曼/荧光光谱仪”采用小样品管盛放样品，专利103234950A、名称为“并行双光路激光诱导荧光光谱仪”采用毛细管柱盛放样品。这两种液体样品池的体积都较小，且只能激发和收集聚焦透镜焦点附近的荧光，荧光激发距离短，激发产生的荧光强度低，导致灵敏度较低，对低浓度样品荧光的检测精度不高。樊颖锋(分析试验室，2008年05期，p118-122)公开了一种激光诱导荧光检测装置，该装置采用低折射率聚四氟乙烯空心管和流动水溶液构成液芯光纤，激光垂直照射到液芯光纤上，利用CCD检测器在液芯光纤的另一端收集并检测激发产生的荧光。该装置也同样只有小区域内的溶液被激发产生荧光，未能充分利用液芯光纤实现长距离激发荧光的目的。这些公开的方法，只有较少部分待测溶液被激光激发，因此只能产生少量荧光。专利201110343868.8、名称为“一种液芯波导荧光检测装置”利用大面积激发光光源照射到整个液芯光纤的长度，光纤内的所有液体都能被激光激发产生荧光，但采用面光源作为激发光源时，因激发光能量不能集中而导致激发光强度较弱，难以激发产生较强的荧光，也不利于低浓度溶液的荧光检测。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种采用激光诱导液体荧光的检测装置。该装置将待测液体样品充入液芯光纤中，激发光在整个液芯光纤的长度内激发待测液体，增加了待测液样品的荧光激发距离，荧光在整个液芯光纤内不断累积增强，从而大大提高了待测液体样品的荧光强度，可实现对低浓度液体样品的荧光检测。

本发明的技术方案是：

一种激光诱导液体荧光的检测装置，包括自动进样清洗***、荧光激发***、分光***；其中自动进样清洗***位于整个装置中间，荧光激发***和分光***分别位于自动进样***的两边。

所述自动进样清洗***包括液体样品池、真空泵、毛细管I、液芯光纤转接头I、光纤夹具I、液芯光纤、光纤夹具II、液芯光纤转接头II、毛细管II；其中液芯光纤由光纤夹具I和光纤夹具II固定；液芯光纤的两端通过液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II分别紧密连接毛细管I和毛细管II，毛细管I与液体样品池相连，毛细管II与真空泵连接。

其中所述液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II包括一个由石英材料制成的弯头、橡胶空心管I、橡胶空心管II和一片石英光学玻璃方片。石英材料制成的弯头内加工成两个相互垂直交叉的圆孔，其中一圆孔两端面打通，另一圆孔仅一端面打通。两端打通圆孔所在端面的一面与橡胶空心管I紧密粘结(橡胶空心管内径I与液芯光纤外径相同)，另一端面与石英光学玻璃方片紧密粘结在一起。激光通过石英光学玻璃方片进入液芯光纤内。仅一端面打通圆孔所在的圆孔端面与橡胶空心管II紧密粘结(橡胶空心管II内径与毛细管I和毛细管II外径相同)。

所述荧光激发***用于将激发光耦合进入液芯光纤内激发产生荧光。包括激光器(激光器功率可调)、全反射镜、光纤耦合透镜、液芯光纤转接头I、液芯光纤。全反射镜与激光出射的方向夹角为45°，光纤耦合透镜置于激光反射光束方向上，激光器、全反射镜、光纤耦合透镜和液芯光纤转接头I的中心处于同一轴线上。激光顺序经过全反射镜折转90°后，再经光纤耦合透镜会聚进入液芯光纤中。液芯光纤由液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II定位，液芯光纤转接头I固定于光纤夹具I上，液芯光纤转接头II固定于光纤夹具II上。激光被限制在整个液芯光纤内传输，激发光与被测液体不断作用，延长了总有效激发光程，激发产生的荧光信号强度被不断累积，从而大大提高了待测液体的荧光强度。

所述分光***用于收集从液芯光纤另一端出射的荧光，包括光纤夹具III、石英光纤、光纤接口、狭缝、非球面反射镜、球面透镜光栅、线阵CCD、信号处理模块、计算机组成。石英光纤固定于光纤夹具III上，石英光纤一端紧靠液芯光纤接头II的石英光学玻璃中心，另一端与光纤接口相连，将荧光从液芯光纤内导入狭缝。狭缝正对着非球面反射镜，非球面反射镜内壁镀有全反射膜，荧光通过狭缝后入射至非球面反射镜，由非球面反射镜准直成平行光束。狭缝与非球面反射镜中间有一球面透镜光栅，被准直成平行光束的荧光入射至球面透镜光栅后，由球面透镜光栅反射并色散成众多单色平行光束。众多单色平行光束入射至同一非球面反射镜上，由非球面反射镜聚焦至非球面透镜前方的线阵CCD上产生模拟信号，模拟信号经过信号处理模块和计算机处理后，由光谱软件记录荧光光谱。

利用上述激光诱导液体荧光检测装置获取液体物质的荧光光谱方法，按照下述步骤进行：

(1)将毛细管I一端***装有待测液体的液体样品池中，另一端连接液芯光纤转接头I；毛细管II一端连接真空泵，另一端连接液芯光纤转接头II。

(2)打开真空泵，样品池内待测液体经过毛细管I、液芯光纤转接头I吸入至液芯光纤管中构成液芯光纤。

(3)打开激光器，激光器发出的激光束由全反射镜折转90度，折转后的激光束被光纤耦合透镜经液芯光纤转接头I的石英光学玻璃方片端面耦合进入液芯光纤内。此时，激光被限制在液芯光纤内传输，在液芯光纤长度范围内不断和待测液体作用激发产生荧光。激发产生的荧光大部分从液芯光纤的另一端经液芯光纤转接头II的石英光学玻璃方片射出。石英光纤一端紧贴在液芯光纤转接头II的石英光学玻璃方片上，另一端连接光纤接口，将从液芯光纤转接头II射出的荧光传输至狭缝。通过狭缝的荧光经过非球面反射镜反射后变成平行光束，平行光束经球面透镜光栅反射后色散成不同波长的平行光束，色散后的平行光束经同一片非球面反射镜聚焦到线阵CCD上，产生模拟信号，模拟信号经过信号处理模块和计算机处理后，由光谱软件记录荧光光谱。

本发明的有益效果：

1.待测液体充满液芯光纤，激发产生的荧光随入射光在液芯光纤内传输，并不断地被累积加强，激光被耦合进入液芯光纤后，全部被限制在整个液芯光纤内传输，激发光与被测液体不断作用，延长了总有效激发光程，激发产生的荧光强度被不断累积。由于液芯光纤可以很长，因而荧光强度在光纤内可大幅度得到提高，可实现低浓度物质的荧光检测。

2.激光功率可调，通过调节激光的功率，可使液芯光纤出射端的激光强度降低，甚至接近于零，不需要使用昂贵的荧光滤光片来滤除激发光，降低成本。

3.分光装置仅使用一片非球面反射镜和一片透镜光栅，调整方便，同时降低成本。

附图说明

图1为一种激光诱导液体荧光检测装置的结构示意图，图中1为激光器，2为全反射镜，3为光纤耦合透镜，4为液体样品池，5为毛细管I，6为液芯光纤转接头I，7为光纤夹具I，8为液芯光纤，9为光纤夹具II，10为液芯光纤转接头II，11为毛细管II，12为真空泵，13为光纤夹具III，14为石英光纤，15为光纤接口，16为狭缝，17为非球面反射镜，18为球面透镜光栅，19为线阵CCD，20为信号处理模块，21为计算机；

图2为液芯光纤原理图，图中22为聚四氟乙烯空心管，23为待测溶液，24为耦合进入的光线；

图3为液芯光纤转接头结构图，图中25为橡胶空心管I，26为石英材料制成的弯头，27为橡胶空心管II，28为石英光学玻璃方片；

图4为液芯光纤转接头结构图的剖面图，图中25为橡胶空心管I，26为石英材料制成的弯头，27为橡胶空心管II，28为石英光学玻璃方片；

图5为分光装置原理图，图中15为光纤接口，16为狭缝，17为非球面反射镜，18为球面透镜光栅，19为线阵CCD，20为信号处理模块；

图6为本发明所述一种使用液芯光纤的激光诱导液体荧光光谱检测装置和不使用液芯光纤的普通荧光光谱检测装置所获取的橄榄油荧光光谱对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。一种激光诱导液体荧光的检测装置，包括自动进样清洗***、荧光激发***、分光***；其中自动进样清洗***位于整个装置中间，荧光激发***和分光***分别位于自动进样***的两边。

所述自动进样清洗***包括液体样品池4、真空泵12、毛细管I 5、液芯光纤转接头I 6、光纤夹具I 7、液芯光纤8、光纤夹具II 9、液芯光纤转接头II 10、毛细管II 11；其中液芯光纤8由光纤夹具I 7和光纤夹具II 9固定；液芯光纤8的两端通过液芯光纤转接头I 6和液芯光纤转接头II 10分别紧密连接毛细管I 5和毛细管II 11，毛细管I 5与液体样品池4相连，毛细管II 11与真空泵12连接。

其中所述液芯光纤转接头I 6和液芯光纤转接头II 10包括一个由石英材料制成的弯头26、橡胶空心管I 25、橡胶空心管II 27和一片石英光学玻璃方片28。石英材料制成的弯头26内加工成两个相互垂直交叉的圆孔，其中一圆孔两端面打通，另一圆孔仅一端面打通。两端打通圆孔所在端面的一面与橡胶空心管I 25紧密粘结(橡胶空心管内径I与液芯光纤外径相同)，另一端面与石英光学玻璃方片28紧密粘结在一起。激光通过石英光学玻璃方片28进入液芯光纤8。仅一端面打通圆孔所在的圆孔端面与橡胶空心管II 27紧密粘结(橡胶空心管II 27内径与毛细管I 5和毛细管II 11外径相同)。

所述荧光激发***用于将激发光耦合进入液芯光纤8内，激发产生荧光。包括激光器1(激光器功率可调)、全反射镜2、光纤耦合透镜3、液芯光纤转接头I 6、液芯光纤8。全反射镜3与激光器1出射光的方向夹角为45°。光纤耦合透镜3置于激光反射光束方向上，激光器1、全反射镜2、光纤耦合透镜3和液芯光纤转接头I 6的中心处于同一轴线上。激光顺序经过全反射镜2折转90°后，再经光纤耦合透镜3会聚进入液芯光纤8中。液芯光纤8由液芯光纤转接头I 6和液芯光纤转接头II 10定位，液芯光纤转接头I 6固定于光纤夹具I 7上，液芯光纤转接头II 10固定于光纤夹具II 13上。激光被限制在整个液芯光纤8内传输，激发光与被测液体不断作用，延长了总有效激发光程，激发产生的荧光信号强度被不断累积，从而大大提高了待测液体的荧光强度。

所述分光***用于收集从液芯光纤8另一端出射的荧光，包括光纤夹具III13、石英光纤14、光纤接口15、狭缝16、非球面反射镜17、球面透镜光栅18、线阵CCD19、信号处理模块20、计算机21组成。石英光纤14固定于光纤夹具III 13上，石英光纤14一端紧靠液芯光纤接头II 10中石英光学玻璃中心，另一端与光纤接口15相连，将荧光从液芯光纤8内导入狭缝16。狭缝16正对着非球面反射镜17，非球面反射镜17内壁镀有全反射膜，荧光通过狭缝16后入射至非球面反射镜17，由非球面反射镜17准直成平行光束。狭缝16与非球面反射镜17中间有一球面透镜光栅18，被准直成平行光束的荧光入射至球面透镜光栅18后，由球面透镜光栅18反射，并色散成众多单色平行光束。众多单色平行光束入射至同一非球面反射镜17上，由非球面反射镜17聚焦至非球面透镜17前方的线阵CCD19上，产生模拟信号，模拟信号经过信号处理模块20和计算机21处理后，由光谱软件记录荧光光谱。

液芯光纤8材料选用聚四氟乙烯空心管，该材料具有耐高低温、耐腐蚀，耐强酸强碱，摩擦系数小等优点，并且聚四氟乙烯材料的折射率只有1.29，小于纯净水的折射率1.33。所述液芯光纤的原理图见图2所示，利用聚四氟乙烯管22作为液芯光纤8的包层，待测溶液23作为液芯光纤8的芯径，待测溶液可以是水溶液或其它溶剂。此时，聚四氟乙烯是光疏介质，水溶液或其它溶剂是光密介质。在耦合进入光线角度小于全反射临界角时，由于全反射作用，入射光将被限制在液芯光纤8内传输。

如果将液芯光纤8平放，液芯光纤8内的待测溶液24将漏出，因此需要对液芯光纤8采取封口或加装转接头的方式，以保证液芯光纤8内的待测溶液24不会溢出。由于液芯光纤8要多次使用，不宜采取封口方式，设计制作一种液芯光纤转接头I 6、液芯光纤转接头II 10。图3是液芯光纤转接头I 6和液芯光纤转接头II 10的结构图，图4是液芯光纤转接头结构的剖面图，液芯光纤转接头I 6、液芯光纤转接头II 10由橡胶空心管25、石英材料制成的弯头26、橡胶空心管27和石英光学玻璃方片28组成。石英材料制成的弯头26内有两个相互垂直交叉的圆孔，其中一圆孔两端面打通，另一圆孔仅一端面打通。两端打通圆孔所在端面的一面与橡胶空心管I 25(橡胶空心管I内径与液芯光纤8内径相同)紧密相粘，另一端面与石英光学玻璃方片28紧密粘接在一起。仅一端面打通圆孔所在的端面与橡胶空心管II 27(橡胶空心管II内径与毛细管I和毛细管II外径相同)紧密相粘。将液芯光纤8连接到液芯光纤转接头6上，由于橡胶空心管I25对液芯光纤8的挤压作用，保证液芯光纤8内待测溶液23不会溢出。

所述分光***采用交叉对称结构，由光学软件模拟优化后得到的最佳光学结构。图5为分光***的原理图，由光纤接口15、狭缝16、非球面反射镜17、球面透镜光栅18、线阵CCD19、信号处理模块20构成。激发产生的荧光从石英光纤14经光纤接口15进入，通过狭缝16后入射到非球面反射镜17上，入射光束经非球面反射镜17反射后被准直成平行光束，平行光束入射到球面透镜光栅18后反射并色散成不同波长的平行光束，不同波长的平行光束再次入射到非球面反射镜17后，被聚焦到线阵CCD19上产生模拟信号，模拟信号经信号处理模块20和计算机21处理后，由光谱软件记录荧光光谱。其中非球面反射镜17与球面透镜光栅18同轴，具有安装调试简单的特点。

图6是本发明所述一种使用液芯光纤的激光诱导液体荧光光谱检测装置和不使用液芯光纤的普通荧光光谱检测装置所获取的橄榄油荧光归一化光谱对比图。图中“---”所表示的曲线为本发明所述一种使用液芯光纤的激光诱导液体荧光的检测装置所测得的橄榄油激光诱导荧光光谱，“-”所表示的曲线为不使用液芯光纤的普通荧光光谱检测装置所测得的橄榄油荧光光谱。由图6可看出，本发明所述使用液芯光纤的激光诱导液体荧光光谱检测装置所测荧光特征峰比普通荧光光谱检测装置所测丰富。普通荧光光谱检测装置所测的橄榄油荧光光谱中，只有679处有谱峰，该谱峰为橄榄油油所含叶绿素的特征峰。而本发明所述一种激光诱导液体荧光的检测装置所测得的橄榄油荧光光谱中，有590nm、634nm、718nm、780nm处4个谱峰，其中590nm、634nm谱峰为橄榄油所含维生素E的特征峰，718nm、780nm为橄榄油所含叶绿素的特征峰。说明本发明所述的激光诱导液体荧光的检测装置利用液芯光纤增加荧光激发长度，能获得更多荧光特征峰信息，并且具有非常高的灵敏度，可用于低浓度残留荧光物质的分析。

Claims (6)

1.一种激光诱导液体荧光的检测装置，其特征在于包括自动进样清洗***、荧光激发***、分光***；其中自动进样清洗***位于整个装置中间，荧光激发***和分光***分别位于自动进样***的两边。

2.根据权利要求1所述的一种激光诱导液体荧光的检测装置，其特征在于所述自动进样清洗***包括液体样品池、真空泵、毛细管I、液芯光纤转接头I、光纤夹具I、液芯光纤、光纤夹具II、液芯光纤转接头II、毛细管II；其中液芯光纤由光纤夹具I和光纤夹具II固定；液芯光纤的两端通过液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II分别紧密连接毛细管I和毛细管II，毛细管I与液体样品池相连，毛细管II与真空泵连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光诱导液体荧光的检测装置，其特征在于其中所述液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II包括一个由石英材料制成的弯头、橡胶空心管I、橡胶空心管II和一片石英光学玻璃方片；石英材料制成的弯头内加工成两个相互垂直交叉的圆孔，其中一圆孔两端面打通，另一圆孔仅一端面打通；两端打通圆孔所在端面的一面与橡胶空心管I紧密粘结，其中橡胶空心管内径I与液芯光纤外径相同，另一端面与石英光学玻璃方片紧密粘结在一起；激光通过石英光学玻璃方片进入液芯光纤内；仅一端面打通圆孔所在的圆孔端面与橡胶空心管II紧密粘结，即橡胶空心管II内径与毛细管I和毛细管II外径相同。

4.根据权利要求1所述的一种激光诱导液体荧光的检测装置，其特征在于所述荧光激发***用于将激发光耦合进入液芯光纤内激发产生荧光；包括激光器其中激光器功率可调、全反射镜、光纤耦合透镜、液芯光纤转接头I、液芯光纤；全反射镜与激光出射的方向夹角为45°，光纤耦合透镜置于激光反射光束方向上，激光器、全反射镜、光纤耦合透镜和液芯光纤转接头I的中心处于同一轴线上；激光顺序经过全反射镜折转90°后，再经光纤耦合透镜会聚进入液芯光纤中；液芯光纤由液芯光纤转接头I和液芯光纤转接头II定位，液芯光纤转接头I固定于光纤夹具I上，液芯光纤转接头II固定于光纤夹具II上；激光被限制在整个液芯光纤内传输，激发光与被测液体不断作用，延长了总有效激发光程，激发产生的荧光信号强度被不断累积，从而大大提高了待测液体的荧光强度。

5.根据权利要求1所述的一种激光诱导液体荧光的检测装置，其特征在于所述分光***用于收集从液芯光纤另一端出射的荧光，包括光纤夹具III、石英光纤、光纤接口、狭缝、非球面反射镜、球面透镜光栅、线阵CCD、信号处理模块、计算机组成；石英光纤固定于光纤夹具III上，石英光纤一端紧靠液芯光纤接头II的石英光学玻璃中心，另一端与光纤接口相连，将荧光从液芯光纤内导入狭缝；狭缝正对着非球面反射镜，非球面反射镜内壁镀有全反射膜，荧光通过狭缝后入射至非球面反射镜，由非球面反射镜准直成平行光束；狭缝与非球面反射镜中间有一球面透镜光栅，被准直成平行光束的荧光入射至球面透镜光栅后，由球面透镜光栅反射并色散成众多单色平行光束；众多单色平行光束入射至同一非球面反射镜上，由非球面反射镜聚焦至非球面透镜前方的线阵CCD上产生模拟信号，模拟信号经过信号处理模块和计算机处理后，由光谱软件记录荧光光谱。

6.利用上述激光诱导液体荧光检测装置获取液体物质的荧光光谱方法，其特征在于按照下述步骤进行：

(1)将毛细管I一端***装有待测液体的液体样品池中，另一端连接液芯光纤转接头I；毛细管II一端连接真空泵，另一端连接液芯光纤转接头II；

(2)打开真空泵，样品池内待测液体经过毛细管I、液芯光纤转接头I吸入至液芯光纤管中构成液芯光纤；

(3)打开激光器，激光器发出的激光束由全反射镜折转90度，折转后的激光束被光纤耦合透镜经液芯光纤转接头I的石英光学玻璃方片端面耦合进入液芯光纤内；此时，激光被限制在液芯光纤内传输，在液芯光纤长度范围内不断和待测液体作用激发产生荧光；激发产生的荧光大部分从液芯光纤的另一端经液芯光纤转接头II的石英光学玻璃方片射出；石英光纤一端紧贴在液芯光纤转接头II的石英光学玻璃方片上，另一端连接光纤接口，将从液芯光纤转接头II射出的荧光传输至狭缝；通过狭缝的荧光经过非球面反射镜反射后变成平行光束，平行光束经球面透镜光栅反射后色散成不同波长的平行光束，色散后的平行光束经同一片非球面反射镜聚焦到线阵CCD上，产生模拟信号，模拟信号经过信号处理模块和计算机处理后，由光谱软件记录荧光光谱。