CN111337392A - 一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，包括光源、起偏装置、入射偏振光光路、散射光接收光路、分光器、信号接收装置以及数据处理端,其中，光源发出的光经过起偏装置后产生入射偏振光，经过入射偏振光光路照射液体中的悬浮颗粒物，散射光接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至分光器，散射光信号由分光器分光后，分别由分光器的荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道输出激发荧光信号和偏振散射信号，再由信号接收装置接收并传送至数据处理端。该装置同时获得悬浮颗粒物的偏振散射信号和激发荧光信号，结合偏振散射特性和激发荧光特性，来区分和识别悬浮颗粒物，能够大大提高悬浮颗粒物识别的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮颗粒物的探测，特别是一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置。
背景技术
快速、准确、大量的获得水体悬浮颗粒的信息，是生态研究、环境监测的重要手段。当前估计水体悬浮颗粒的方法，包括称重、质量或数量浓度等，不能对水体悬浮颗粒分类和识别。光学方法因为高分辨、非接触、非破坏、信息丰富等优势广泛被用于微粒的检测中。目前主要有成像、荧光、散射等方法。微粒内部结构及形态往往是微粒较重要的特性，尤其是微藻、细菌等生物体，然而传统光学方法对于悬浮微粒并不能对其进行较好的表征。光学成像方法需要复杂的光学系统对颗粒的成像，受分辨率和视野的制约；荧光方法通过获得水体颗粒整体的色素信息，散射方法通过光强角分布来获得水体颗粒整体的粒径分布和浓度信息，对颗粒的识别与分类能力有限。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷，提供一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，提高微粒识别的准确性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，包括光源、起偏装置、入射偏振光光路、散射光接收光路、分光器、信号接收装置以及数据处理端,其中，所述光源发出的光经过所述起偏装置后产生入射偏振光，经过所述入射偏振光光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述散射光接收光路接收来自被照射的微粒的散射光信号并传送至所述分光器，所述散射光信号由所述分光器分光后，分别由所述分光器的荧光探测分光通道和所述偏振检偏分光通道输出激发荧光信号和偏振散射信号，再由所述信号接收装置接收并传送至数据处理端，由此，同时获得所述悬浮颗粒物的偏振散射信号和激发荧光信号，结合所述偏振散射特性和激发荧光特性，来区分和识别所述悬浮颗粒物。
进一步地：
所述入射偏振光光路包括光阑和第一透镜，通过所述光阑使所述入射偏振光变细，再经过所述第一透镜聚焦照射至所述悬浮颗粒物。
所述散射光接收光路相对于所述入射偏振光光路设置在所述悬浮颗粒物的后向散射角度处。
所述散射光接收光路包括第二透镜、针孔和第三透镜，所述散射光经过所述第二透镜汇聚在所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第三透镜将所述发散光调制成单束平行光，所述单束平行光进入所述分光器后将被分为多束光，进入所述荧光探测分光通道以及所述偏振检偏分光通道的多个子通道。
所述入射偏振光光路和所述散射光接收光路交汇于一个极小区域使得只有该区域内的悬浮颗粒物才能被探测到其散射信号。
所述荧光探测分光通道处设置入射光波长的滤波片，滤去入射光的散射光，使所述悬浮颗粒物所产生的激发荧光通过，经由光电转换器进行转换后，由所述接收装置将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算激发荧光光强和/或波长，以实现所述悬浮颗粒物的荧光特性的解读。
通过分振幅、分波前或波长、光调制的方式测量光的偏振态。
采用分振幅的测量方式，所述偏振检偏分光通道包括四个子通道，将出射光分成四份，每个子通道分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片即90°偏振片加1/4波片，从而实现出射光的检偏，经由光电转换器进行转换后，由所述接收装置将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算出Stokes向量，以实现悬浮颗粒的偏振特性的解读。
所述光电转换器为光电倍增管。
通过控制所述光源的光功率、波长、脉冲或连续照明来调整偏振散射信号和激发荧光信号的信噪比。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，通过同步测量悬浮颗粒物的偏振散射和激发荧光信号，结合微粒散射光的偏振散射特性和激发荧光特性，来达到区分和识别目标悬浮颗粒物(包括不同类亚微米生物、生物与非生物等)的目的。相对于其他光学方法，本发明同时接收和分析单个粒子的散射光的偏振和荧光信号，增加了信息维度，丰富了微粒的特征数据，利用偏振特征了解微粒的结构，通过激发荧光特征了解微粒色素的构成情况，以实现对微粒的进一步解读，由于结合了微粒的结构和色素等因素，能够大大提高微粒识别的准确性。
附图说明
图1是本发明一种实施例的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
偏振光有着对细微结构敏感的特性，微粒因细微结构、形态、吸收等所产生的退偏、各向异性以及其他偏振参量差异，为提高微粒识别率提供了可能。微藻类生物由于有叶绿素a、叶绿素b等色素能够激发荧光，并且激发荧光光谱和强度取决于其色素种类和含量，因此荧光能够特异性识别微藻等生物。由于水体中同时含有生物和非生物颗粒，测量荧光能够获取更多信息去区别不同的颗粒。发明人意识到，若能设法同时获取水体中单个颗粒物的偏振和荧光信息，将两者结合起来进行颗粒物的识别，将能大大地提高微粒区分和识别的准确性和可靠性。
图1是本发明一种实施例的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置的结构示意图。本发明实施例提供一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，包括光源1、起偏装置2、入射偏振光光路、散射光接收光路、分光器9、信号接收装置以及数据处理端,其中，所述光源1发出的光经过所述起偏装置2后产生入射偏振光，经过所述入射偏振光光路照射液体中的悬浮颗粒物5，所述散射光接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物5的散射光信号并传送至所述分光器9，所述散射光信号由所述分光器9分光后，分别由所述分光器9的荧光探测分光通道和所述偏振检偏分光通道输出激发荧光信号和偏振散射信号，再由所述信号接收装置10接收并传送至数据处理端11进行处理，由此，同时获得所述悬浮颗粒物5的偏振散射信号和激发荧光信号，结合所述偏振散射特性和激发荧光特性，来区分和识别所述悬浮颗粒物5。
本发明实施例中的分光器9包括偏振检测器和荧光探测器的组合，可以同步测量悬浮颗粒的偏振信息和激发荧光信息。
本发明实施例的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置通过同步测量悬浮颗粒物的偏振散射和激发荧光信号，结合微粒散射光的偏振散射特性和激发荧光特性，来达到区分和识别目标悬浮颗粒物(包括不同类亚微米生物、生物与非生物等)的目的。相对于其他光学方法，本发明同时接收和分析单个粒子的散射光的偏振和荧光信号，增加了信息维度，丰富了微粒的特征数据，利用偏振特征了解微粒的结构，通过激发荧光特征了解微粒色素的构成情况，以实现对微粒的进一步解读，由于结合了微粒的结构和色素等因素，能够大大提高微粒识别的准确性。
如图1所示，偏振光源经过起偏装置2后产生特定的入射偏振光，再通过光阑3将光束变细，经过透镜4聚焦照亮水体中的悬浮颗粒物5。在后向散射角度(比如120度)处设有接收臂，接收被照亮微粒的散射光信号。微粒的散射光被透镜6收集，由物像关系可知，通过透镜6的汇聚点即为像点，在此处设置有一个针孔7，进行空间滤波，然后再通过透镜8，将发散光调制成平行光。单束平行光进入分光器9后将被分为多束光进入荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道，例如5束光分别进入1个荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道的4个子通道，信号通过分光器9的荧光探测分光通道和偏振检偏分光通道后进入多个光电转换器中，实现散射信号的收集，再利用悬浮微粒的偏振和荧光性质来解读微粒，从而达到识别微粒的目的。
在优选的实施例中，该测量装置通过设计限制探测体积，可以实现微粒的单个测量。限制探测体积，即限制被照明-被探测区域的大小。为达到测量单个颗粒物散射信号的目的，该测量装置中入射偏振光光路与散射光接收光路交汇于一个极小区域，使得只有该区域内的粒子才能被探测到其散射信号。该区域被称为探测体积。为了探测体积足够小，从而使颗粒物概率上单个穿过探测体积，可以采取让入射端光路变细以及对物像关系的像点进行空间限制的方法。
在不同的实施例中，为了保证偏振、荧光信号的信噪比，光源的光功率、波长、脉冲或连续照明等可选择根据需要设计。
在不同的实施例中，可用多种方法来测量光的偏振态，包括分振幅、分波前等方法。对于一束光，可以将其分成四份，分别同时测量。也可以在假设波前是均匀的情况下，在空间上同时测4个(或多个)偏振分量，此为分振幅法。此外，也可以采用波长、光调制等方法，实现偏振同步测量。
图1示出了本发明悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置的一种具体实现方式。光源1采用450nm附近的大功率激光器，光功率大于0.2W，连续照明。由起偏器调制好的偏振激光束通过光阑后照亮悬浮颗粒，120°处设有单通道接收装置接收到该颗粒物的散射信号，散射信号包括偏振信号和激发荧光信号，主要通过分光器9的偏振检偏分光通道和荧光探测分光通道分别获得。偏振检偏分光通道采用分振幅的方法，即将出射光分成四份，每个通道分别加水平偏振片P4、135度偏振片P1、45度偏振片P2，以及左旋偏振片即90°偏振片P3加上1/4波片QW，从而实现出射光的检偏。各通道的输出端设置有光电转换器，其采用PMT光电倍增管，信号经过光电倍增管放大传输到接收装置，到达数据处理端并进一步算出Stokes向量，以实现悬浮颗粒的偏振特性的解读。同时，荧光探测分光通道在通道处设置有入射光波长的滤波片，滤去入射光的散射光，剩下微粒所产生的激发荧光，然后经过光电倍增管放大传输到接收装置，到达数据处理端并进一步算出激发荧光光强，以实现悬浮颗粒的荧光特性的解读。
用Stokes向量来表示光的偏振态，如公式(1)所示，其中S表示Stokes向量，其是一个4*1的向量，I，Q，U，V分别是四个偏振分量。I表示光强在0°线偏振分量(I(0°))和90°线偏振分量(I(90°))的和，Q表示光强0°线偏振分量和90°线偏振分量的差，U为光强在45°线偏振分量(I(45°))和135°线偏振分量(I(135°))的差，V为光强右旋圆偏振分量(I(R))和左旋圆偏振分量(I(L))的差。
某一入射偏振态下，出射Stokes向量的某些组合可以很好的表征该微粒的特性，该特异性的偏振性质为特异性参数。可以通过入射光的类型、偏振分量的选择、偏振分量之间的运算、组合等，来提取微粒的偏振参数，实现微粒的识别。同时，由于微粒内部色素构成的不同，激发荧光的波长和强度都会因为微粒的不同而有特异性的表现。
本发明实施例中，通过探测体积的限制，能实现颗粒物的单次测量，从而通过光电转换器(比如光电倍增管PMT)接收到脉冲信号，进而计算出射光Stokes向量和获得激发荧光强度。若激发荧光强度接近或趋于0，则能识别粒子为非生物微粒或是没有色素的微粒；若激发荧光强度较强，则能识别粒子为含有色素的生物微粒，并且根据强度大小对微粒进行区分。利用Stokes向量和激发荧光强度的数据，即结合了微粒的结构和色素等因素，将大大提高微粒识别的准确性。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，包括光源、起偏装置、入射偏振光光路、散射光接收光路、分光器、信号接收装置以及数据处理端,其中，所述光源发出的光经过所述起偏装置后产生入射偏振光，经过所述入射偏振光光路照射液体中的悬浮颗粒物，所述散射光接收光路接收来自被照射的悬浮颗粒物的散射光信号并传送至所述分光器，所述散射光信号由所述分光器分光后，分别由所述分光器的荧光探测分光通道和所述偏振检偏分光通道输出激发荧光信号和偏振散射信号，再由所述信号接收装置接收并传送至所述数据处理端，由此，同时获得所述悬浮颗粒物的偏振散射信号和激发荧光信号，结合所述偏振散射特性和激发荧光特性，来区分和识别所述悬浮颗粒物。
2.如权利要求1所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述入射偏振光光路包括光阑和第一透镜，通过所述光阑使所述入射偏振光变细，再经过所述第一透镜聚焦照射至所述悬浮颗粒物。
3.如权利要求1或2所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述散射光接收光路相对于所述入射偏振光光路设置在所述悬浮颗粒物的后向散射角度处。
4.如权利要求1至3任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述散射光接收光路包括第二透镜、针孔和第三透镜，所述散射光经过所述第二透镜汇聚在所述针孔处，通过所述针孔进行空间滤波后形成发散光，再通过所述第三透镜将所述发散光调制成单束平行光，所述单束平行光进入所述分光器后将被分为多束光，进入所述荧光探测分光通道以及所述偏振检偏分光通道的多个子通道。
5.如权利要求1至4任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述入射偏振光光路和所述散射光接收光路交汇于一个极小区域使得只有该区域内的悬浮颗粒物才能被探测到其散射信号。
6.如权利要求1至5任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述荧光探测分光通道处设置入射光波长的滤波片，滤去入射光的散射光，使所述悬浮颗粒物所产生的激发荧光通过，经由光电转换器进行转换后，由所述接收装置将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算激发荧光光强和/或波长，以实现所述悬浮颗粒物的荧光特性的解读。
7.如权利要求1至6任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，通过分振幅、分波前或波长、光调制的方式测量光的偏振态。
8.如权利要求1至6任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，采用分振幅的测量方式，所述偏振检偏分光通道包括四个子通道，将出射光分成四份，每个子通道分别加水平偏振片、135度偏振片、45度偏振片，以及左旋偏振片即90°偏振片加1/4波片，从而实现出射光的检偏，经由光电转换器进行转换后，由所述接收装置将信号传送到所述数据处理端，所述数据处理端计算出Stokes向量，以实现悬浮颗粒的偏振特性的解读。
9.如权利要求6或8所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，所述光电转换器为光电倍增管。
10.如权利要求1至9任一项所述的悬浮颗粒偏振荧光同步测量装置，其特征在于，通过控制所述光源的光功率、波长、脉冲或连续照明来调整偏振散射信号和激发荧光信号的信噪比。
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