專利名稱：Ccd光柵集成全波長光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜檢測儀器。
光譜儀是物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及環(huán)境科學(xué)等廣泛使用的分析儀器。其目的是通過光譜信號(hào)對測試物品進(jìn)行表征。常規(guī)使用的光柵光譜儀其基本原理為一束光經(jīng)光譜儀的入射狹縫射入光譜儀，經(jīng)反射式凹面鏡，由于入射狹縫位于凹面鏡的焦面上，所以這束光經(jīng)此凹面鏡后，成為平行光，投向平面衍射光柵上，經(jīng)光柵衍射作用后，分散成各種不同波長的的平行單色光，再經(jīng)物鏡后成像在光譜儀的聚焦譜板上。對于光譜的檢測通常有攝譜法和光電法。攝譜法采用感光板記錄光譜，經(jīng)顯影定影等過程，制得光譜底片，再用映譜儀或測微光度計(jì)進(jìn)行光譜定性與定量分析。光電法通常采用光電倍增管來檢測譜線的強(qiáng)度。光電倍增管是通常光譜儀中應(yīng)用最多的檢測元件，由于光電倍增管具有靈敏度，線性響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短特點(diǎn)，但在檢測過程中通常是對光譜范圍進(jìn)行波長掃描而獲得，要獲得一個(gè)完整的光譜圖需一定時(shí)間。最近，也有采用CCD為檢測器，其使用方式也與光電倍增管一樣，通過移動(dòng)光柵，進(jìn)行波長掃描才能得到全光譜，要獲得一個(gè)完整的光譜圖需一定時(shí)間。
本發(fā)明的目的是，研制一種CCD光柵集成全波長光譜儀，它可在任意時(shí)間獲得實(shí)時(shí)的完整光譜圖，具有高靈敏度、高空間分辨率、寬波帶響應(yīng)及寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，也是測量弱光信號(hào)的理想檢測器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，所述CCD光柵集成全波長光譜儀包括將光源發(fā)出的光束衍射為不同波長平行單色光的平面光柵和檢測器以及接受檢測器的信號(hào)并生成相應(yīng)光譜圖的電子計(jì)算機(jī)，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是，采用平面線陣結(jié)構(gòu)CCD光電荷耦合器作檢測器而使所述平面光柵衍射出的平行單色光成像在該CCD光電荷耦合器上，所述CCD光電荷耦合器向電子計(jì)算機(jī)輸送相應(yīng)的電荷量信號(hào)并由所述電子計(jì)算機(jī)生成全波長光譜圖。
以下結(jié)合附圖做出進(jìn)一步說明。


圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)；圖2是本發(fā)明一種實(shí)施例實(shí)際結(jié)構(gòu)；圖3是做為實(shí)施例的表面等離子體子共振傳感器原理結(jié)構(gòu)。
在所述附圖中1-平面光柵 8-光源2-CCD光電荷耦合器 9-反射式準(zhǔn)光鏡3-電子計(jì)算機(jī)10-物鏡4-反射鏡11-玻璃5-反射鏡12-金膜6-入射狹縫 13-介質(zhì)7-表面等離子體子共振傳感器由圖1可知，本發(fā)明包括將光源發(fā)出的光束S衍射為不同波長的平行單色光的平面光柵(1)和檢測器以及接受檢測器的信號(hào)并生成相應(yīng)光譜圖的電子計(jì)算機(jī)，其技術(shù)特點(diǎn)是，采用平面線陣結(jié)構(gòu)CCD光電荷耦合器(2)作檢測器而使所述平面光柵(1)衍射出的平行單色光成像在該CCD光電荷耦合器上，所述CCD光電荷耦合器(2)向電子計(jì)算機(jī)(3)輸送相應(yīng)電荷量信號(hào)并由所述電子計(jì)算機(jī)(3)生成全波長光譜圖。
本發(fā)明采用平面線陣結(jié)構(gòu)的CCD作為檢測器，它以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，以電荷量表示光量大小(已有技術(shù)的大多數(shù)光電元件以電流或電壓做信號(hào))，用耦合方式傳輸電荷量；而CCD的平面陣列決定了它具有多道同時(shí)分析的特點(diǎn)，它的所有像元同時(shí)曝光，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍可達(dá)10個(gè)數(shù)量級，且過度曝光不會(huì)損壞CCD。CCD具備高靈敏度、高空間分辨率、寬波帶響應(yīng)及寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，是測量弱光信號(hào)的理想檢測器。由上述工作原理可知，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的全波長實(shí)時(shí)獲得，即可在任意時(shí)間獲得一個(gè)完整的光譜圖。
由以上可知，本發(fā)明為一種CCD光柵集成全波長光譜儀，可實(shí)時(shí)獲得全波長光譜信號(hào)，具有高靈敏度、高空間分辨率、寬波帶的響應(yīng)和寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。
實(shí)施例圖2為一個(gè)實(shí)施例的實(shí)際組成，其中，入射狹縫(6)為直狹縫，寬度范圍0-2mm連續(xù)可調(diào)，光源(8)發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫(6)，而狹縫(6)位于反射式準(zhǔn)光鏡(9)的焦面上，通過狹縫(6)射入的光束經(jīng)準(zhǔn)光鏡(9)反射后成為平行光束投向平面光柵(1)上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡(10)成像在CCD(2)上，通過數(shù)據(jù)采集卡傳送至計(jì)算機(jī)(3)中。為除去光柵光譜儀中的高級次光譜，在使用中可根據(jù)需要在狹縫(6)的玻璃窗前安裝合適的濾光片。本發(fā)明所述CCD是指平面線陣結(jié)構(gòu)光電荷耦合器(件)。本發(fā)明可根據(jù)需要在圖1所示的基本結(jié)構(gòu)中增設(shè)其它輔助性光學(xué)器件(例如圖2所示結(jié)構(gòu))。
本發(fā)明裝置主要技術(shù)參數(shù)焦距 500mm相對孔徑 D/F＝1/17雜散光 ≤0.001分辨率 優(yōu)于0.1nmCCD的接收單元2048鏡(9)(10)焦距為500mm光柵(1)每毫米刻線1200條，閃耀波長250nmCCD的詳細(xì)技術(shù)規(guī)格TCD1206SUP攝像頭為2048像元線陣CCD，為使TCD1206SUP能正常工作，驅(qū)動(dòng)器必須提供4路脈沖SH(轉(zhuǎn)移脈沖)、FR(復(fù)位脈沖)、F1(驅(qū)動(dòng)脈沖)和F2(驅(qū)動(dòng)脈沖)，這4路脈沖均可為5V脈沖。
AD12-2K-2型數(shù)據(jù)采集卡，采集卡硬件由A/D轉(zhuǎn)換器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、地址產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)總線接口電路及A/D啟動(dòng)、數(shù)據(jù)讀寫控制電路等構(gòu)成。整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作均在驅(qū)動(dòng)器時(shí)鐘統(tǒng)一支配下同步工作，為同步型數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)的讀出是在軟件的控制下一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)寫入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。本發(fā)明的本實(shí)施例所用的CCD器件及所連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)選用購自天津港東科技發(fā)展有限公司產(chǎn)出的市售產(chǎn)品，型號(hào)為WGD-8。
表面等離子體子共振(Surface PlasmonResonance，SPR)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，利用此現(xiàn)象所構(gòu)成的傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3中的棱鏡起光學(xué)波導(dǎo)器件的作用，它由非吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，在棱鏡底面鍍一層厚度在50nm左右的高反射率的金屬薄膜(一般為金或銀)作為傳感器的傳感面。由光源發(fā)出的P-偏振光以一定的角度入射到棱鏡中，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)入射角θ0大于θC的臨界角時(shí)，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，即全部返回到棱鏡中，從棱鏡的另一側(cè)面折射出去。
在全內(nèi)反射的情況下，電場在金屬與棱鏡的界處并不立即消失，而是向金屬介質(zhì)傳輸振幅隨入射深度呈指數(shù)衰減的消失波。該消失波可與金屬薄膜中的自由電子作用，形成一種在金屬表面振蕩的電磁波，稱之為表面等離子體子(Surface Plasmon，SP)，是一種橫波。
理論分析表明，若在可能發(fā)生共振的角度范圍內(nèi)固定入射光角度為某一值，而采用不同波長的入射光，則可得到波長隨反射率的SPR光譜，SPR光譜的改變將映體系的變化。
SPR的實(shí)驗(yàn)方法一般為首先在傳感片表面固定一個(gè)反應(yīng)物，使其形成分子敏感膜。然后，含待測物的樣品以恒定的流速通過傳感片，傳感片上分子間相互使用的情況可由SPR信號(hào)的改變反映出來，并通過計(jì)算機(jī)將整個(gè)反應(yīng)過程顯示和記錄下來。
圖2所示裝置的工作原理是其光源(8)發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡和偏振片后，變成準(zhǔn)平行偏振光，射入等腰直角三棱鏡，經(jīng)全內(nèi)反射，平行射入狹縫(6)，(6)位于反射式準(zhǔn)光鏡(9)的焦平面上，通過(6)射入的光束，投向平面光柵(1)上，衍射后的平行光束，經(jīng)物鏡(10)成像在CCD上，相應(yīng)信號(hào)再傳送到計(jì)算機(jī)中。
傳感器(7)使用方法1)將光譜儀調(diào)成水平，再調(diào)整光學(xué)支架，使光源經(jīng)凸透鏡和偏振片后水平入射到光譜儀的入射狹縫中。
2)放入等腰直角三棱鏡及流通池，調(diào)節(jié)流通池的支撐平臺(tái)，使光線經(jīng)流通池后，照射到流通池的樣品槽正上方，光線經(jīng)全內(nèi)反射，射出三棱鏡后水平射入狹縫中。
3)在無入射光的條件下測定暗電流并將其扣除，在流通池中無樣品情況下使光源的發(fā)射光譜歸一化(將此時(shí)信號(hào)定為一，隨后的測量都相對這一數(shù)值)。采用注射器直接注射樣品。
4)在400-800nm波長范圍內(nèi)，用計(jì)算機(jī)檢索合適的波長范圍，記錄注射不同樣品溶液時(shí)，反射光強(qiáng)度隨波長變化的SPR光譜。
5)用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，找出不同樣品的SPR光譜所對應(yīng)的共振峰波長。
傳感器(7)特點(diǎn)目前商品化的SPR分析儀器多采用He-Ne激光為光源，固定光源入射波長，通過旋轉(zhuǎn)光源來改變?nèi)肷涔饨嵌龋M(jìn)行掃描；或通過點(diǎn)光源發(fā)散作用，測定角度變化。觀測SPR共振角度隨體系和時(shí)間的變化，所需儀器價(jià)格昂貴。與商品化的SPR分析儀器相比，本發(fā)明研制的SPR傳感器具有以下特點(diǎn)我們自行組裝了全波長SPR傳感裝置，采用固定光源入射光角度，以波長為變量的工作模式，以CCD作檢測器，實(shí)驗(yàn)中各部件不需轉(zhuǎn)動(dòng)，裝置簡單廉價(jià)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程中共振波長位移的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測，理論上的靈敏度高于以角度為變量的工作模式，性價(jià)比高。
1)采用固定光源入射光角度，以波長為變量的工作模式，理論上的靈敏度高于以角度為變量的工作模式。
2)采用溴鎢燈作光源，光源在200～800nm范圍內(nèi)是連續(xù)波長的光源，在該范圍內(nèi)有共振響應(yīng)的物質(zhì)都可以研究，擴(kuò)大了研究范圍。
3)實(shí)驗(yàn)過程中，整個(gè)裝置固定不動(dòng)，穩(wěn)定性好，測量準(zhǔn)確。
4)實(shí)驗(yàn)過程中，不需要旋轉(zhuǎn)臺(tái)，不需要精密的角度測量部件，使成本有較大降低，且操作更加簡便。
5)波長靈敏度為0.1nm我們利用此裝置用于乙肝表面抗原(HBsAg)的研究，研制成功了SPR乙肝表面抗原免疫傳感器。以胱胺在金膜表面形成的自組裝膜為基底，以戊二醛為偶聯(lián)劑，固定乙肝表面抗原單克隆抗體，樣品血清中的HBsAg可與之特異性結(jié)合，引起SPR共振信號(hào)的變化。作為對照以蛋白質(zhì)A為基底固定乙肝表面抗原單克隆抗體，進(jìn)行同樣測定。結(jié)果表明，該SPR傳感器的檢測限為0.01ng/ml，比臨床檢測常用的酶聯(lián)免疫法(ELISA)1ng/ml的檢測限更低，且特異性好，對陰性血清無反應(yīng)，可望用于乙型肝炎的早期臨床診斷。
權(quán)利要求
1.一種CCD光柵集成全波長光譜儀，包括將光源發(fā)出的光束衍射為不同波長平行單色光的平面光柵(1)和檢測器以及接受檢測器的信號(hào)并生成相應(yīng)光譜圖的電子計(jì)算機(jī)，其特征是，采用平面線陣結(jié)構(gòu)CCD光電荷耦合器(2)作檢測器而使所述平面光柵(1)衍射的平行單色光成像在該CCD光電荷耦合器(2)上，所述CCD光電荷耦合器(2)向電子計(jì)算機(jī)(3)輸送相應(yīng)的電荷量信號(hào)并由所述電子計(jì)算機(jī)(3)生成全波長光譜圖。
全文摘要
本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)是,它包括將光源發(fā)出的光束衍射為不同波長平行單色光的平面光柵(1),其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是,采用平面線陣結(jié)構(gòu)CCD光電荷耦合器(2)作檢測器,使平面光柵(1)的衍射光束成像在該CCD光電荷耦合器(2)上,所述CCD光電荷耦合器向電子計(jì)算機(jī)(3)輸送相應(yīng)的電荷量信號(hào)并由所述電子計(jì)算機(jī)(3)生成全波長光譜圖像。本光譜儀具有高靈敏度、高空間辨率、寬波帶響應(yīng)和寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1366175SQ01114410
公開日2002年8月28日 申請日期2001年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月13日
發(fā)明者王柯敏, 肖丹, 羊小海 申請人:湖南大學(xué)