荧光检测器杂散光抑制研究

　　荧光检测器是高压液相色谱(High Perform-ance Liquid Chromatography,HPLC)中常用的一种检测器,其特点是:选择性高,只对荧光物质有响应;灵敏度高,极低的检出限,适合于多环芳烃及各种荧光物质的痕量分析,广泛应用于石油化工、有机合成、生理生化、医药卫生等领域[1-2].同时,由于荧光检测器检测的样品量很少(通常只有12μL甚至8μL),荧光信号十分微弱,对外界干扰与背景杂散光非常敏感,因此,研究荧光检测器中杂散光的抑制问题有着十分重要的意义.

　　目前,对于杂散光的分析主要采取光学软件建模方法:测量表面材料的双向反射率分布系数(Bi-directional Reflectance Distribution Function,BRDF)等,进而建立不同材料的数据库,利用测量数据或已有数据库,分析表面散射特性与透射特性,模拟光学系统的杂散光分布情况[3-4].杂散光分析软件主要有FRED, ASAP, LightTools, TracePro等[5].杂散光的抑制主要通过设计遮光系统,如遮光罩、挡光片[6]、各类光阑和截止滤光片[7]等实现.

　　本文利用光学模拟软件ASAP建立了双扫描双单色器型荧光检测器模型,提出了适用于荧光检测器的单色器的几种杂散光抑制结构,包括叶片、挡光环结构和挡板.在建立的ASAP模型中加入杂散光抑制结构模型,设计了针对模型模拟结果的验证性实验,模拟和实验结果比较一致,模型可靠,杂散光抑制结构效果较好.

　　1　模型建立

　　本文以实验室自行研制荧光检测器为建模对象和实验平台,利用ASAP软件对其单色器进行光学建模和杂散光分析.荧光检测器结构框图如图1所示.包括光源、激发单色器、样品池、发射单色器和探测器等.光源为氙灯,由激发单色器产生的单色光作为激发光激发样品,样品发射的荧光由发射单色器分光并探测.

　　由ASAP建立的模型如图2所示.模型各部分主要参数设定为:整体尺寸严格按照实际样机1∶1绘制;光源采用复色光使用单色光的叠加;辐射强度,单色光源统一使用Flux Total =1 000,复色光源按照实际使用氙灯的光谱功率分布按比例设定;光线条数根据所选波长数选择1万~50万条;透镜采用理想凸透镜;平面反射镜的反射率为90%;凹面光栅为1200线/mm,32 mm×32 mm,焦距94mm,考虑3级衍射;内壁与支架表面采用朗伯散射模型,散射系数为0.1;探测器计为全吸收,有效面积同实际所用探测器.

　　2　模型模拟

　　2.1　激发单色器

　　对图2中激发单色器进行模拟.重点考察出射波长350 nm处的杂散光,实验时所用光源为氙灯,光谱范围为220~650 nm,在300~400 nm波段内基本为一平坦区域,因此本文选取其中心波长350nm作为标称波长.光源用多个单色光叠加成复色光,波长范围取300~400 nm,波长间隔取为5 nm,光栅面与单色器后表面夹角42.485°.各面散射设为朗伯散射,即出射角在各个方向上概率是一样的,与入射角无关[8],散射系数为0.1.所加结构(叶片,光阑,挡板)的散射行为同样用朗伯散射加以近似.