生物体液荧光在位检测仪的设计

　　大多数生物样品都有一定的光谱特性,检测及分析其特性是研究生物特性的一个重要方面[1]。许多光学仪器(如各种波段的分光光度计,荧光光度计,化学发光仪,原子吸收分光光度计等),都有一个共同的缺点,就是不能实现在位检测。它们必须先进行生物样品的取样、样品预处理,然后转置于各种分析仪器的样品池中,才能进行测量。样品转来转去也很容易受污染,导致测量误差。

　　这里介绍的光纤光谱仪,带有光纤探头,可直接插入生物体液中实现在位连续检测。借助计算机,数容易处理和保存,并可实时显示其光谱。通过对数据进行不同的处理,该光谱仪可以测量许多生物量。其测量灵敏度及精度都可以达到一般分析的要求。

　　1　仪器设计

　　1.1　仪器结构框图

　　如图1所示,光源发出的光由透镜耦合进入探头,经入射光纤传输到探头的顶端,与生物样品作用后,其信息光经出射光纤传至暗盒内,经准直、色散后,其光谱经狭缝由光电倍增管接收,倍增管输出的信号供计算机实时采集并显示。

　　1.2　探头设计

　　本仪器测量对象是生物体液。为了实现在位测量,探头必须很细,能直接插入生物体内,取样量又必须很少。利用毛细管采集生物体液,可以达到此要求。毛细管插入生物体内,根据浸润原理[1-2],体液进入毛细管内并上升一定的高度。把毛细管插入光纤束内,使得体液处于光纤束的光路中。光纤束中每根光纤的端面都是45°的镀银反射面,其端部的包层已除去。沿入射光纤传输的光传至探头顶端,经45°的反射面后,正好射到出射光纤的45°反射面上经反射后沿出射光纤传输至光谱接收部分。毛细管中的体液恰好处于两光纤之间的光路上,如图2所示。

　　在本仪器中,毛细管的直径是0.9 mm,插入体液中的一端外面包一层铝皮,其外径达到1.2 mm,可满足在位检测的要求。仪器所用光纤是芯径为0.2 mm的石英光纤,其芯径折射率ng=1.458,包层折射率nc=1.41,根据光的传输特性,可推出该光纤的数值孔径nasina=0.37,光纤芯-包层界面的最小入射角为75.3°,即入射角只有介于75.3°~90.0°之间光线才能实现全反射而向前传播。这些光线经端面45°的反射面后,其出射光线的角度可推得22.2°,即出射光线的角度范围介于0°~22.2°之间。这些光线射到毛细管上,毛细管与光纤之间充满折射率与体液相近的匹配液,这样可消除毛细管及待测液所构成的折射柱面对光线的影响。对于垂直于光纤轴线出射的光,经毛细管后仍然垂直进入出射光纤,经45°的反射面后沿出射光纤传至光谱接受器。对于有一定出射角的光线,经毛细管折射后,以同样的角度进入出射光纤,由于折射角较小(小于22°),这些光线进入出射光纤后不可能全部以全反射方式传播至光谱接收器,因此会损失一部分光能。