应用光纤耦合器的荧光测量系统 【技术领域】
本发明涉及一种荧光测量系统，本发明还涉及应用光纤耦合器实现该荧光测量系统的方法。
背景技术
现有的样品“顶部激发、顶部接收”的荧光测量光学系统如图1所示：这个荧光测量系统的激发光由光源1发出、通过聚光透镜2后、透过激发滤光片3、然后被二向分色镜4反射，再通过物镜5作用于样品池6；样品池中的样品被光激发后所产生的荧光则是通过物镜5，透过二向分色镜4、荧光滤光片7后，再通过接收光透镜8作用于光电接收器件9的光敏表面，从而实现光电信号转换、完成荧光信号的测量。
这个荧光测量系统的光传输本质上是一个透镜-反射镜系统，不但设计、加工复杂，而且激发光路和荧光接收两个光路的同轴度的装配、调整也很困难；特别是其中的关键元件-二向分色镜要求反射激发光、透过荧光，不但镀膜工艺复杂，用于在系统中的调试更是困难。此外，这个荧光测量系统也未能实现对激发光强度的监测，激发光源的能量波动没有反馈系统予以自动校正，影响测量结果的数据稳定性。
【发明内容】
本发明的目的在于提出二种应用光纤耦合器的新型荧光测量系统：一种是应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统，另一种是应用N型光纤耦合器的荧光测量系统。
本发明提出一种专门用于“顶部激发、顶部接收”的、应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统如图2所示。
比较图2和图1的差别可见，应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统的主要特点是以Y型光纤耦合器取代了现有的透镜-反射镜式荧光测量系统中二向分色镜。图2中，激发光源1发出的激发光经激发透镜2、3及激发光滤光片4后，入射到Y型光纤耦合器5的第一个根光纤束的一端、然后从此光纤束另一端(它是此光纤束和第二根光纤束耦合在一起的“耦合端”)出射并通过光纤透镜6对样品7进行激发，所产生的荧光被光纤透镜5和Y型光纤耦合器的“耦合端”接收而由第二根光纤束的另一端出射，经荧光滤光片8和荧光透镜9后由光电接受器件10进行探测即可测量样品产生的荧光强度。比较图2和图1的差别可见，应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统的主要特点是以Y型光纤耦合器取代了现有的透镜-反射镜式荧光测量系统中二向分色镜。
应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统比之现有的透镜-反射镜式荧光测量系统最大优点就是易于设计，空间位置好安排，装配调整方便。此外，Y型光纤耦合器制造工艺和价格也比二向分色镜简单和便宜。但是它和现有的透镜-反射镜式荧光测量系统一样，都不能监测激发光强度的波动，从而使得所测得的荧光数据有较大的不稳定误差。
本发明提出的第二种应用光纤耦合器的荧光测量系统是应用N型光纤耦合器来实现的一种荧光测量系统。N型光纤耦合器如图3所示。其特点是两个耦合端。当一束光从光纤束1和光纤束2耦合的耦合端A入射后，将从光纤束1的另一端和耦合端B出射；同样，当一束光从光纤束3和光纤束2耦合的耦合端B入射后，将从光纤束3的另一端和耦合端A出射。
将此N型光纤耦合器应用于“顶部激发、顶部接收”的荧光测量系统后的荧光测量系统主要是发挥N型光纤耦合器具有的优点：可实现对激发光、荧光信号和光源强度监测三路光信号的同步传输。
应用N型光纤耦合器的荧光测量系统如图4所示。
图4中，这个测量系统的特点是：当激发光源1发出的光经一组激发透镜2、3和激发光滤光片4后，入射到N型光纤耦合器5的A端(即图3中的A端)的光束就被分为两路，一路通过N型光纤耦合器的B端(即图3中的B端)出射后、被物镜7聚焦去激发样品8，另一路激发光则通过图2所示地光纤束(丝)1出射到专为监测光源强度的硅光二极管6上。样品8产生的荧光被物镜接收耦合入B端，通过由图二所示的光纤束(丝)3后，再通过荧光滤光片9和荧光透镜10出射到光电接收器件11的光敏表面上、从而实现对荧光信号进行测量的目的，光电接收器件11所输出的光电信号和荧光强度成比例。由于激发光源的输出强度有着光电二极管6的监测反馈的控制，会减少激发光源的电源波动误差，从而使得整个激发光系统处于比较稳定的光输出状态，所以荧光检测的稳定性也有了很大提高。
本发明与现有荧光测量系统相比，具有的有益效果：
本发明提出的两种应用光纤耦合器的荧光测量系统与现有的透镜-反射镜式的荧光测量系统相比具有易于设计，空间位置好安排，装配调整方便。此外，光纤耦合器制造工艺和价格也比二向分色镜简单和便宜。
应用N型光纤耦合器的荧光测量系统由于N型光纤耦合器可实现对激发光、荧光信号和光源强度监测三路光信号的同步传输，因此这个荧光测量系统比之于现有的透镜-反射镜式的荧光测量系统还具有监测激发光强度波动的功能。当以此监测数据作为反馈信号对激发光源的电源进行稳定性控制，将使得整个激发光系统处于稳定的光输出状态，从而使得所测得的荧光数据的稳定性获得很大的提高。
【附图说明】
图1为现有的“顶部激发、顶部接收”的荧光测量系统，图中，1-光源，2-聚光透镜，3-激发光滤光片，4-二向分色镜，5-物镜，6-样品池，7-荧光滤光片，8-接收光透镜，9-光电接收器件。
图2所示是一种应用Y型光纤耦合器实现“顶部激发、顶部接收”的光纤荧光测量系统的示意图。图1中，1--激发光源，2、3-激发透镜，4-激发光滤光片，5-Y型光纤耦合器，6-物镜，7-样品，8-荧光滤光片，9-荧光透镜，10-光电接受器件。
图3为本发明提出的第二种应用光纤耦合器的荧光测量系统所应用的N型光纤耦合器的示意图；
图4为本发明提出的应用N型光纤耦合器的荧光测量系统，图中，1-激发光源，2、3-聚光镜，4-激发光滤光片，5-N型光纤耦合器，6-监测激发光强的光电二极管，7-物镜，8-样品池，9-荧光滤光片，10-接收聚光镜，11-光电接收元件。此光纤荧光测量系统的特征是应用了N型光纤耦合器实现同时对激发光、荧光信号和光源强度监测三路光信号的传输。
【具体实施方式】
本发明的具体实施方式拟分别以应用Y型光纤耦合器和N型光纤耦合器来实现血液中苯丙氨酸(Phe)水平的定量测量的一种荧光测量仪作为实例来加以说明。测量血液中苯丙氨酸(Phe)水平是基于血液样品中的苯丙氨酸在合适pH值及温度下的茚三酮反应会形成一种荧光复合物，加入二肽L-亮氨酸-L-丙氨酸的增强了这一反应。再加入铜试剂以稳定该荧光复合物并提高荧光强度。该荧光复合物在波长390nm的光激发下所产生的荧光波长为485nm，其强度和苯丙氨酸(Phe)的浓度成正比，因此，可以应用本发明提出的应用Y型光纤耦合器的荧光测量系统(图一所示)来实现的血液样品中的苯丙氨酸(Phe)荧光测量。其具体实施方式如下：
1)、光源1采用卤素灯，可以选用含有较强390nm波长辐射的碘钨灯；
2)、两个聚光镜是一个倒象透镜组，把卤素灯灯丝像耦合到Y型光纤耦合器的光纤束1中去，耦合效率≥80％；两个聚光镜之间是平行光，可以安放激发光滤光片；
3)激发光滤光片镀宽带滤光膜，其中心透过波长λ0＝390nm，带宽Δλ≌50-100nm，中心波长处的透过率T≥75％；
4)、Y型光纤耦合器可以采用单丝的单模光纤或多模光纤，这里推荐采用多丝光纤制成的Y型光纤耦合器，每一根光纤束由一定数量的光学纤维丝组成，光纤束数值孔径N≥0.2，束径Φ≥2mm，光纤束的传光效率η≥80％；
5)、物镜的作用是把Y型光纤耦合器的耦合端输出的激发光聚焦到样品池的样品表面，然后又把样品产生的荧光收集、聚焦到Y型光纤耦合器的耦合端并从光纤束2输出。此物镜的数值孔径N.A≥0.2，应和光纤束数值孔径相匹配；
6)、荧光滤光片为窄带干涉滤光片，透过中心波长λ0＝485nm，带宽Δλ≌±10nm，中心波长处的透过率T≥70％；
7)、荧光透镜是把通过Y型光纤耦合器输出光纤束的荧光成像到光电接收器件的光敏靶面上，以把光信号转换为电信号。荧光透镜的数值孔径N.A≥0.2，和物镜匹配。
8)、光电接收器件选用高灵敏度的光电倍增管，此光电倍增管的光敏区域应包含485nm。
通过以上8项具体技术实施，一台应用Y型光纤耦合器、专用于血液样品中苯丙氨酸(Phe)水平的定量测量的荧光测量仪将成功实现。
下面再简述应用N型光纤耦合器、专用于血液中苯丙氨酸(Phe)水平定量测量的荧光测量仪的具体实施方式：
1)、光源1采用卤素灯，可以选用含有较强390nm波长辐射的碘钨灯；
2)、两个聚光镜是一个倒象透镜组，把卤素灯灯丝像耦合到N型光纤耦合器的光纤束1和光纤束2的耦合端A中去，耦合效率≥80％；两个聚光镜之间是平行光，可以安放激发光滤光片；
3)激发光滤光片镀宽带滤光膜，其中心透过波长λ0＝390nm，带宽Δλ≌50-100nm，中心波长处的透过率T≥75％；
4)、N型光纤耦合器可以采用单丝的单模光纤或多模光纤，这里推荐采用多丝光纤制成的N型光纤耦合器，每一根光纤束由一定数量的光学纤维丝组成，光纤束数值孔径N≥0.2，束径Φ≥2mm，光纤束的传光效率η≥80％；
5)、物镜的作用是把X型光纤耦合器的耦合端B输出的激发光聚焦到样品池的样品表面，然后又把样品产生的荧光收集、聚焦到N型光纤耦合器的耦合端B并从和光纤束2耦合在一起并形成耦合端B的光纤束3输出。此物镜的数值孔径N.A≥0.2，应和光纤束数值孔径相匹配；
6)、荧光滤光片为窄带干涉滤光片，透过中心波长λ0＝485nm，带宽Δλ≌±10nm，中心波长处的透过率T≥70％；
7)、荧光透镜是把通过N型光纤耦合器的光纤束3输出的荧光成像到光电接收器件的光敏靶面上，以把光信号转换为电信号。荧光透镜的数值孔径N.A≥0.2，和物镜匹配。
8)、光电接收器件选用高灵敏度的光电倍增管，此光电倍增管的光敏区域应包含485nm。
9)、在N型光纤耦合器中，和光纤束2耦合在一起形成耦合端A的光纤束1传递了一部分激发光到光电二极管上作为监测激发光强度的信号。
10)、光电二极管的作用是测量激发光源的强度波动，其光电信号可反馈控制卤素灯电源的供电稳定性。
通过以上10项具体技术实施，一台应用N型光纤耦合器、专用于血液中苯丙氨酸(Phe)水平的定量测量的荧光测量仪将成功实现。此仪器的重要特点是充分应用了N型光纤耦合器可实现对激发光、荧光信号和光源强度监测三路光信号的同步传输，因此这个荧光测量仪比之于现有的透镜-反射镜式的荧光测量仪还具有监测激发光强度波动的功能，所以其荧光测量的稳定性会高出几倍。