专利名称：紫外激光生物粒子计数器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紫外激光生物粒子计数器，主要用于测量空气中悬浮生物粒子的直径及其生物学特性。
背景技术：
漂浮于空气中的悬浮粒子，有非生物粒子；也有生物粒子，如细菌和菌团等浮游微生物。生物粒子细胞内含有核黄素、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和色氨酸等荧光分子，在光子能量很高的波长在320～360nm之间的紫外激光照射下，将同时产生散射光和荧光。散射光的波长与紫外照明激光的波长相同，而荧光的波长大于紫外照明激光的波长，其波长范围在390～600nm之间。通过测量悬浮生物粒子的散射光强度来实时确定其几何尺寸，而通过测量其荧光强度来实时确定其生物学特性。
在先技术中，由苏州苏净集团公司提供的专利号为ZL97241940.3的“激光尘埃粒子计数器的微型光学传感器”，如图1所示。该光学传感器主要由相互垂直的照明光路和散射光接收光路组成。其中的照明光路由激光二极管1、前凸透镜2、后凸透镜3、凹透镜4、光敏区5和光陷阱7组成；散射光接收光路上只有光电二极管6。
该光学传感器存在如下缺点1.测量功能单一，只能测量悬浮粒子的几何尺寸。如果通过光敏区5的是悬浮生物粒子，则除散射出与照明光波长相同的散射光信号时，也会产生波长大于照明光波长的荧光。而该光学传感器只接收散射光，所以只能通过测量散射光强度判断其尺寸大小，无法获得其生物学特性。
2.信噪比低，对悬浮粒子的探测灵敏度低。原因如下第一、该光学传感器照明光路将激光二极管1射出的激光束经前凸透镜2、后凸透镜3、凹透镜4后变为近似平行光照明光敏区5，所以照明光束横截面积大，光敏区5照明光功率密度小，导致信噪比低；第二、散射光接收光路上只有光电二极管6，它对光敏区5的接收立体角小，导致对散射光的接收效率比较低，所以信号弱，信噪比较低；第三、光电二极管6接收散射光的同时，还会接收到来自照明激光束的衍射杂光，导致光噪声大，信噪比低。
发明内容
本发明提供一种紫外激光生物粒子计数器，通过测量悬浮生物粒子的散射光强度来确定其几何尺寸，而通过测量其荧光强度来确定其生物类别。本发明含有三条光路和一条采样气路。三条光路是紫外激光照明光路、散射光接收光路和荧光接收光路，分别用于照明被测悬浮粒子、接收来自被测悬浮粒子的散射光和荧光。在散射光接收光路和荧光接收光路之后，分别有相应的电子线路和计算机以处理信号、给出测量结果。
本发明的具体结构如图2和图3所示，包含三条光路紫外激光照明光路、散射光接收光路和荧光接收光路。紫外激光照明光路的光轴为O1O′，散射光接收光路的光轴为OO2，荧光接收光路的光轴为OO3，而且散射光接收光路光轴OO2和荧光接收光路光轴OO3在同一直线上，又与紫外激光照明光路的光轴O1O′垂直相交于光敏区5的中心点O。散射光接收光路和荧光接收光路位于光敏区5的两侧。在紫外激光照明光路上，依次置有紫外激光器8、扩束镜组9、柱面镜10和光陷阱7。光敏区5位于柱面镜10和光陷阱7之间，且柱面镜10的焦点O与光敏区5的中心点O重合。
在散射光接收光路上，在光敏区5与散射光接收器13之间，从光敏区5开始同光轴OO2依次置有散射光接收镜组11和散射光光阑12，其中散射光接收镜组11由第一准直镜111、散射光滤光片112和第一聚焦镜113组成，且散射光滤光片112置于第一准直镜111和第一聚焦镜113之间。第一准直镜111的前焦点O与光敏区5的中心点O重合，散射光光阑12置于第一聚焦镜113的后焦点O2上。散射光接收器13的输出经过散射光放大器14与计算机21相连。
在荧光接收光路上，在光敏区5至荧光接收器17之间，从光敏区5开始同光轴OO3地依次置有荧光接收镜组15和荧光光阑16，其中荧光接收镜组15由第二准直镜151、荧光滤光片152和第二聚焦镜153组成，且荧光滤光片152置于第二准直镜151和第二聚焦镜153之间。第二准直镜151的前焦点O与光敏区5的中心点O重合，荧光光阑16置于第二聚焦镜153的后焦点O3上。荧光接收器17的输出通过荧光放大器18放大后，分别经过峰值保持器19和光子计数器20与计算机21相连。
本发明中的采样气路上含有置于光敏区5相对两侧的进气管22和排气管23，其中心轴线O4O″穿过光敏区5的中心点O，垂直于由紫外激光照明光路光轴O1O′、散射光接收光路光轴OO2和荧光接收光路光轴OO3构成的平面。如图3所示。
从本发明的结构图2、3和在先技术的结构图1比较，本发明的特点就是含有三条光路紫外激光照明光路、散射光接收光路和荧光接收光路。在紫外激光照明光路上，在紫外激光器8和光敏区5之间置有一维扩束镜组9和柱面镜10；在散射光接收光路上，在光敏区5与散射光接收器13之间置有散射光接收镜组11和散射光光阑12，且散射光接收镜组11由第一准直镜111、散射光滤光片112和第一聚焦镜113构成；在荧光接收光路上，在光敏区5与荧光接收器15之间置有荧光接收镜组15和荧光光阑16，且荧光接收镜组15由第二准直镜151、荧光滤光片152和第二聚焦镜153构成。
所说的扩束镜组9是由一个短焦距的凹柱面镜901和一个长焦距的凸柱面镜902组成，其扩束倍率在4～6倍之间。它将紫外激光器8发出的圆形激光束在垂直于采样气路轴线O4O″方向上扩束，使之成为椭圆形激光束，并使激光照明面积与光敏区5的尺寸一致。
所说的柱面镜10是凸柱面镜，它把经扩束镜组9扩束后的激光束线聚焦于光敏区5，使照明激光束在紫外激光照明光路光轴O1O′、散射光接收光路光轴OO2和荧光接收光路光轴OO3构成的平面内形成一条焦线。紫外激光照明光路的作用一是扩大了光敏区5的照明面积，保证流过光敏区5的被测悬浮粒子都得到照明；二是大大减小了光敏区5照明激光束的横截面积，从而提高了光敏区5的照明光功率密度。
所说的散射光接收镜组11由第一准直镜111、散射光滤光片112和第一聚焦镜113构成。第一准直镜111的前焦点O与光敏区5的中心点O重合。流过光敏区5的被测悬浮粒子发出的散射光和荧光被第一准直镜111准直为平行光后，射向散射光滤光片112。散射光滤光片112是一种窄带型带通滤光片，其透过的中心波长位于紫外激光器8的波长处，它对荧光全反射，而对紫外激光起尽可能高的透射作用，如图4所示。散射光滤光片112将荧光按原路反射回光敏区5，进入另一侧的荧光接收光路。透过散射光滤光片112的散射光经第一聚焦镜113聚焦于置于后焦点O2上的散射光光阑12上，滤除杂光后投射到散射光接收器13。散射光接收镜组11的特点是尽可能多地接收散射光，而把荧光反射回另一侧的荧光接收光路，使荧光接收光路接收到的荧光强度增加1倍。
所说的准直镜111对光敏区5中心点O的张角大，对散射光和荧光的接收效率高。
所说的荧光接收镜组15由第二准直镜151、散射光滤光片152和第二聚焦镜153构成。第二准直镜151的前焦点O与光敏区5的中心点O重合。流过光敏区5的被测悬浮粒子发出的散射光和荧光被第二准直镜151准直为平行光后，射向荧光滤光片152。荧光滤光片152是一种长通型滤光片，它对荧光起尽可能高的透射作用，而对小于荧光波长的紫外激光束起全反射作用，如图5所示。荧光滤光片152将散射光即紫外激光束按原路反射回光敏区5，进入另一侧的散射光接收光路。透过荧光滤光片152的荧光经第二聚焦镜153聚焦于置于后焦点O3上的荧光光阑16上，滤除杂光后投射到荧光接收器17。荧光接收镜组15的特点是尽可能多地接收荧光，而把散射光反射回另一侧的散射光接收光路，使散射光接收光路接收到的散射光强度增加1倍。
所说的准直镜151对光敏区5中心点O的张角大，对散射光和荧光的接收效率高。
所说的散射光放大器14是把散射光接收器13输出的与散射光强度成正比的电信号放大后，送入计算机21。
所说的荧光放大器18把荧光接收器17输出的与荧光强度成正比的电信号放大后，分别送入峰值保持器19和光子计数器20后，输入计算机21。计算机21对峰值保持器19和光子计数器20输出的电信号进行采集与处理。本发明的电子线路和计算机的特点是第一、计算机21只有在接收到散射光放大器14输出的散射光信号时，才对峰值保持器19和光子计数器20输出的电信号进行采集与处理，然后将散射光信号及与其对应的荧光信号作为一个数据组保存到计算机21的内存中；第二、峰值保持器19和光子计数器20同时处理荧光信号。由于生物粒子的荧光强度变换范围很大，有的生物粒子的荧光极其微弱，只有几个荧光光子；而有的生物粒子的荧光强度较大，经过放大后都可以得到一个具有一定幅度电压值。
本发明的紫外生物粒子计数器的工作过程是由紫外激光器8发出的圆形激光束经扩束镜组9在垂直于采样气路轴线O4O″方向上扩束成为椭圆形激光束后，被柱面镜10线聚焦于光敏区5，即椭圆形激光束的短轴得到压缩，然后进入光陷阱7。待测悬浮粒子以一定速度经进气管22流过光敏区5，然后从排气管23流出。悬浮粒子流过光敏区5时，产生与其大小成一定比例的散射光信号，如果悬浮粒子是生物粒子，则还会产生与其所含荧光分子数量成正比的荧光信号。在与紫外激光照明光路光轴O1O′垂直的两个方向上一定立体角范围内的散射光信号和荧光信号同时进入散射光接收镜组11和荧光接收镜组15，进入散射光接收镜组11的荧光信号经准直镜111准直后被散射光滤光片112按原路反射回去，穿过光敏区5后进入另一侧的荧光接收镜组15；而进入荧光接收镜组15的散射光信号经准直镜151准直后被荧光滤光片152按原路反射回去，穿过光敏区5后进入另一侧的散射光接收镜组11。
进入散射光接收镜组11的两束散射光信号透过散射光滤光片112后被第一聚焦镜113聚焦于散射光光阑12，穿过散射光光阑12后投射于散射光接收器13，散射光接收器13输出的电脉冲信号的脉冲幅度与悬浮粒子大小成一定比例。计算机21接收到这个电脉冲信号后，首先根据其幅度大小给出悬浮粒子的尺寸；同时，对荧光放大器18之后的峰值保持器19和光子计数器20分别输出信号进行采集与处理。进入荧光接收镜组15的两束荧光信号透过荧光滤光片152后被第二聚焦镜153聚焦于荧光光阑16，穿过荧光光阑16后投射于荧光接收器17，荧光接收器17输出的电脉冲信号与悬浮粒子所含的荧光分子数量成正比。计算机21将悬浮粒子的尺寸值、荧光强度作为一个数据组保存在内存中，待计算机21进行处理，从而完成对悬浮粒子尺寸和荧光强度的测量。
本发明与在先技术相比1.测量功能多。本发明采用具有高光子能量的紫外激光器8作为照明光源，可同时测量悬浮粒子的尺寸大小和荧光强度，即既可给出被测悬浮粒子的几何尺寸，又可给出其生物学特性。
2.探测灵敏度高。第一、本发明的紫外激光照明光路采用柱面镜10将照明激光束一维线聚焦于光敏区5，在保证光敏区5照明面积不变的情况下大大提高了其照明光功率密度，提高了散射光和荧光的激发效率；第二、散射光接收镜组11和荧光接收镜组15的数值孔径大，对散射光和荧光的接收效率高；第三、散射光接收光路11中的散射光滤光片112将荧光信号反射到荧光接收光路，而荧光接收光路15中的荧光滤光片152将散射光信号反射到散射光接收光路，又使本发明对散射光和荧光的接收效率均提高了1倍。上述三个技术措施大大提高了本发明对悬浮粒子的探测信噪比，即提高了探测灵敏度。
图1是在先技术激光尘埃粒子计数器的微型光学传感器的结构示意图。
图2是本发明紫外激光生物粒子计数器在y、x坐标面上，三条光路示意图。
图3是本发明紫外激光生物粒子计数器在z、x坐标面上，即图2中的A-A剖视面上紫外激光照明光路和采样气路结构示意图。
图4是本发明紫外激光生物粒子计数器中散射光滤光片112的光谱透过率曲线图。
图5是本发明紫外激光生物粒子计数器中荧光滤光片152的光谱透过率曲线。
具体实施例方式如图2和3的结构所示。紫外激光器8是由半导体激光器泵浦的钇铝石榴石(YAG)激光器经三倍频后的全固体激光器，其波长为355nm，光束直径为φ0.25mm，功率为100mW。扩束镜组9的扩束倍率为4倍，即由扩束镜组9输出的激光束的横截面为椭圆形，其长轴与短轴的长度分别为1.0mm和0.25mm。柱面镜10的焦距为50mm，它在光敏区5形成的焦线尺寸为1.0mm×0.173mm。散射光接收镜组11和荧光接收镜组15中的两准直镜111和151、两聚焦镜113和153采用相同的结构，两准直镜111和151的焦距均为17.8mm，数值孔径为0.52，对光敏区5中心点O所张的立体角为0.226π球面度。两聚焦镜113和153的焦距均为32mm。散射光光阑12和荧光光阑16的通光孔径均为18mm×0.32mm，散射光滤光片112的透过率曲线如图4所示。其透过的中心波长为355nm，带宽为46nm，中心波长处的透过率大于58％。荧光滤光片152的透过率曲线如图5所示，其对于大于390nm波长光的透过率大于90％，而对于与紫外激光具有相同波长的散射光的透过率＜10-6。散射光接收器13和荧光接收器17均为具有多碱光电阴极材料的侧窗式光电倍增管，在180～910nm波段内具有很高的量子效率。进气管22的出口直径与排气管23的入口直径分别为φ1.0mm和φ1.2mm。散射光放大器14和荧光放大器18均是以高性能场效应管型双运算放大器为核心构成的电流/电压转换与电压放大电路。峰值保持器19可将较强荧光信号产生的电信号峰值保持下来。光子计数器20可探测单个光子产生的脉冲信号。计算机21对散射光放大器14、峰值保持器19和光子计数器21输出的电信号进行采集与处理，最终给出被测悬浮粒子的几何尺寸和荧光强度值。
实施例的最小探测粒径为0.15μm，最小可探测的荧光强度为1个光子。空气采样流量为5升/分钟。
权利要求
1.一种紫外激光生物粒子计数器，包括照明光路和接收光路，其特征在于<1>所说的照明光路是以紫外激光器(8)作为光源的紫外激光照明光路，所说的接收光路分为散射光接收光路和荧光接收光路，还含有一条采样气路；<2>散射光接收光路的光轴(OO2)与荧光接收光路的光轴(OO3)在同一条直线上，并与紫外激光照明光路的光轴(O1O′)垂直相交于光敏区(5)的中心点(O)，采样气路的中心轴线(O4O″)穿过光敏区(5)的中心点(O)，并垂直于由紫外激光照明光路的光轴(O1O′)、散射光接收光路的光轴(OO2)和荧光接收光路的光轴(OO3)所构成的平面；<3>在紫外激光照明光路上，沿紫外激光器(8)发射光束前进的方向上，由紫外激光器(8)至光陷阱(7)之间，依次同光轴(O1O′)地置有扩束镜组(9)、柱面镜(10)和光陷阱(7)，在柱面镜(10)与光陷阱(7)之间是光敏区(5)，光敏区(5)的中心点(O)在柱面镜(10)的焦点(O)上；<4>在散射光接收光路上，在光敏区(5)与散射光接收器(13)之间，同光轴(OO2)地置有由第一准直镜(111)、散射光滤光片(112)和第一聚焦镜(113)构成的散射光接收镜组(11)和散射光光阑(12)，其中第一准直镜(111)的前焦点(O)与光敏区(5)的中心点(O)重合，散射光光阑(12)置于第一聚焦镜(113)的后焦点(O2)上，散射光接收器(13)的输出经过散射光放大器(14)与计算机(21)相连；<5>在荧光接收光路上，在光敏区(5)至荧光接收器(17)之间，同光轴(OO3)地置有由第二准直镜(151)、荧光滤光片(152)和第二聚焦镜(153)构成的荧光接收镜组(15)和荧光光阑(16)，其中第二准直镜(151)的前焦点(O)与光敏区(5)的中心点(O)重合，荧光光阑(16)置于第二聚焦镜(153)的后焦点(O3)上，荧光接收器(17)的输出经过荧光放大器(18)后，分别通过峰值保持器(19)和光子计数器(20)与计算机(21)相连；<6>在采样气路上，含有置于光敏区(5)相对两侧，中心轴线(O4O″)穿过光敏区(5)中心点(O)的进气管(22)和排气管(23)。
2.根据权利要求1所述的紫外激光生物粒子计数器，其特征在于所说的置于紫外激光照明光路上的扩束镜组(9)是由一个短焦距的凹柱面镜(901)和一个长焦距的凸柱面镜(902)组成。
3.根据权利要求1所述的紫外激光生物粒子计数器，其特征在于所说的散射光滤光片(112)是一种窄带型带通滤光片，透过的中心波长位于紫外激光器(8)的波长处，对紫外激光器(8)发射的激光束透过，而对荧光是全反射的。
4.根据权利要求1所述的紫外激光生物粒子计数器，其特征在于所说的荧光滤光片(152)是一种长通型滤光片，对荧光是透过的，对小于荧光波长的紫外激光器(8)发射的紫外激光束是全反射的。
5.根据权利要求1所述的紫外激光生物粒子计数器，其特征在于所说的柱面镜(10)是凸柱面镜。
全文摘要
一种紫外激光生物粒子计数器，适用于测量空气中悬浮生物粒子的直径及生物学特性。含有以紫外激光器作照明光源的紫外激光照明光路、散射光接收光路、荧光接收光路和采样气路。置于散射光接收光路上的散射光滤光片对荧光全反射，使荧光接收光路接收到的荧光强度增加1倍。置于荧光接收光路上的荧光滤光片对紫外激光束全反射，使散射光接收光路上接收到的紫外激光强度增加1倍。与在先技术相比，本发明的粒子计数器测量功能多，不仅能测量悬浮粒子的尺寸，还能测量荧光强度。对光敏区的接收立体角比较大，探测灵敏度高，接收效率较高，信噪比较高。
文档编号C12Q1/02GK1401788SQ02136858
公开日2003年3月12日 申请日期2002年9月6日 优先权日2002年9月6日
发明者黄惠杰, 赵永凯, 任冰强, 程兆谷, 杜龙龙, 路敦武 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所