一种黄曲霉毒素检测装置的制作方法

本实用新型涉及光学检测技术领域，具体来说，涉及一种黄曲霉毒素检测装置。

背景技术：

黄曲霉毒素(Aflatoxin，简称AF)是由黄曲霉和寄生曲霉产生一种真菌有毒代谢产物，也是迄今发现的毒性最强的一类真菌毒素。黄曲霉毒素主要有AFB1(黄曲霉素B1)、AFB2、AFG1、AFG2、AFM1这5类。其中，AFB1的毒性最强，其毒性为氰化钾的10倍，为砒霜的68倍，为三聚氰胺的416倍。而且，AFB1致癌能力是二甲基硝胺的75倍，1993年国际肿瘤研究机构(International Agency for Research on Cancer，IARC)就已将其列为I类致癌物，其它4类被列为II类致癌物。黄曲霉毒素不仅毒性大、含量低，且污染范围广，在粮、油、茶、干果、乳、饲料、酱油等100多种农产品及食品中均发现有黄曲霉毒素污染。因此，开展黄曲霉毒素检测技术研究十分重要。

目前关于黄曲霉毒素的检测技术主要包括有损检测和无损检测两类。有损检测技术主要为基于物化原理(如：高效液相色谱法、液相色谱－质谱/质谱法等)，其对样品具有破坏性，进行净化预处理等，检测时间长，不适用于大批量工业在线检测。而无损检测技术具有对检测对象非破坏性的优点，成为人们研究的热点。目前报道的无损检测技术通常是利用紫外荧光强度像的检测技术，其主要利用长波紫外照射待测对象激发可见荧光，并结合相机获得可见荧光强度像。目前利用此技术进行黄曲霉毒素检测的有公开号CN105044062A的专利公开了一种黄曲霉毒素在线检测装置及采用该装置的物料分选设备)和公开号CN103234945A的专利公开了一种黄曲霉毒素检测及分选装置等。由于此技术直接获取的是可见荧光图片，但通常紫外激发产生的荧光很弱，导致强度图像的分辨率较低和信噪比较差，其会影响检测的准确性。

此外，干涉位相测量技术是利用光波干涉形成强度相干叠加的干涉图，进而从干涉图中获取待测对象物理量相关的位相分布。与前述光学成像技术相比，干涉位相测量技术具有大量程、高灵敏度和高精度的特点，已在精密光学检测领域得到广泛应用。2009年，Pierre Bon1等人在Optics Express发表论的题为“Quadriwave lateral shearing interferometry for quantitative phase microscopy of living cells”论文中，报道了利用二维透射光栅剪切干涉仪获得弱光下活体生物的相位图像。其相对与直接获取图像，相位图像进一步提高了图像对比度。然而，此文中所报道检测装置光路整体采用透射式布局结构，其在一定程度了降低了光波传输透射强度，影响到干涉图强度分布，限制了位相测量精度的进一步提高。

针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述问题，本实用新型提出一种黄曲霉毒素检测装置，通过干涉成像获得待测样品的相位图像，可以提高图像对比度，提高检测准确性。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种黄曲霉毒素检测装置，包括：照明系统，照明系统发出的紫外光激发待测物料中的黄曲霉毒素产生荧光信号；反射系统，对荧光信号进行反射；反射光栅，将反射系统反射过来的荧光信号剪切为多个光束；光电探测单元，采集多个光束干涉形成的干涉图；以及处理单元，连接于光电探测单元，处理单元根据干涉图获取多个光束对应的多个方向的差分位相，并根据多个差分位相得到待测位相信息以确定待测物料中是否含有黄曲霉毒素。

优选地，处理单元包括顺序连接的：频谱分布获取子单元，对干涉图进行傅里叶变换得到多个方向对应的多个频谱分布；中心坐标获取子单元，获取多个频谱分布对应的1级频谱的多个中心坐标；频谱分布移动子单元，根据多个中心坐标分别将多个频谱分布移动至坐标原点处；包裹位相获取子单元，对移动后的多个频谱分布进行逆傅里叶变换，得到多个方向的包裹位相。

其中，处理单元还包括：差分位相获取子单元，连接于包裹位相获取子单元，差分位相获取子单元利用位相展开对多个方向的包裹位相进行解包裹处理，以获取多个方向的差分位相。

优选地，反射光栅将反射系统反射过来的荧光信号剪切为四个光束。

优选地，处理单元包括：待测位相获取子单元，利用位相重构技术对多个方向的差分位相进行重构以得到待测位相信息。

优选地，处理单元包括：对比子单元，将待测位相信息与预设位相信息进行对比，其中，预设位相信息为无感染黄曲霉素物料的位相信息；判断子单元，将对比结果与预设的差异阈值比较，以确定待测物料中是否含有黄曲霉毒素。

优选地，反射光栅包括：基底；以及在基底的纵向和横向上阵列排布的反射部分和相位延迟反射部分，反射部分和相位延迟反射部分沿着纵向和横向相邻设置，相邻的反射部分和相位延迟反射部分之间设置有非反射非透光部分，其中，反射部分和非反射非透光部分设置在基底上方，相位延迟反射部分是对基底进行蚀刻形成的凹槽。

其中，反射部分和相位延迟反射部分均呈正方形，反射部分和相位延迟反射部分的尺寸相同；对基底进行蚀刻以形成凹槽的蚀刻深度为荧光信号的平均波长的四分之一。

本实用新型通过干涉成像获得待测样品的相位图像，相对于现有的紫外荧光成像技术可以提高图像对比度，提高检测准确性；还通过采用多个方向差分波面获得待测物料的位相信息，进一步提高了位相检测的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的黄曲霉毒素检测装置的示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的反射式二维位相光栅I的平面示意图；

图3(a)和图3(b)分别是图2中反射式二维位相光栅I的波面干涉示意图及其频谱图；

图4示是本实用新型另一个实施例的反射式二维位相光栅II的平面示意图；

图5(a)和图5(b)是图4中反射式二维位相光栅II的波面干涉示意图及其频谱图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的实施例，提供了一种黄曲霉毒素检测装置。

如图1所示，根据本实用新型实施例的黄曲霉毒素检测装置包括：包括：照明系统(201A，201B)，照明系统(201A，201B)发出的紫外光激发待测物料102中的黄曲霉毒素产生荧光信号；反射系统202，对荧光信号进行反射；反射光栅203，将反射系统202反射过来的荧光信号剪切为多个光束；光电探测单元204，采集多个光束干涉形成的干涉图；以及处理单元205，连接于光电探测单元204，处理单元205根据干涉图获取多个光束对应的多个方向的差分位相，并根据多个差分位相得到待测位相信息以确定待测物料102中是否含有黄曲霉毒素。

优选地，处理单元205包括顺序连接的：频谱分布获取子单元，对干涉图进行傅里叶变换得到多个方向对应的多个频谱分布；中心坐标获取子单元，获取多个频谱分布对应的1级频谱的多个中心坐标；频谱分布移动子单元，根据多个中心坐标分别将多个频谱分布移动至坐标原点处；包裹位相获取子单元，对移动后的多个频谱分布进行逆傅里叶变换，得到多个方向的包裹位相。

其中，处理单元205还包括：差分位相获取子单元，连接于包裹位相获取子单元，差分位相获取子单元利用位相展开对多个方向的包裹位相进行解包裹处理，以获取多个方向的差分位相。

优选地，处理单元205包括：待测位相获取子单元，利用位相重构技术对多个方向的差分位相进行重构以得到待测位相信息。

优选地，处理单元205包括：对比子单元，将待测位相信息与预设位相信息进行对比，其中，预设位相信息为无感染黄曲霉素物料的位相信息；以及判断子单元，将对比结果与预设的差异阈值比较，以确定待测物料102中是否含有黄曲霉毒素。

优选地，反射光栅203将反射系统202反射过来的荧光信号剪切为四个光束。

其中，本实用新型的黄曲霉毒素检测装置可通过以下步骤进行检测：

S12，紫外光激发待测物料中的黄曲霉毒素产生荧光信号，并对荧光信号进行反射和剪切形成多个光束；

S14，采集多个光束干涉形成的干涉图；以及

S16，根据干涉图获取多个光束对应的多个方向的差分位相，并根据多个差分位相得到待测位相信息以确定待测物料中是否含有黄曲霉毒素。

在一个具体的实施例中，参考图2-图5(b)，可以由照明系统发出的光束经过反射式准直系统准直后进入反射式二维位相光栅后来形成上述四个光束X₁、X₂、X₃和X₄；并在步骤S14处，此四个光束X₁、X₂、X₃和X₄干涉形成的四方向干涉图I可以由诸如光电探测单元的元件进行采集。在此具体的实施例中，根据四方向干涉图I获取待测物料的待测位相信息进而确定黄曲霉毒素有无感染信息，可采用如下步骤来获取：

步骤S101、对干涉图I进行傅里叶变换，获得干涉图I的频谱分布(F₁,F₂,F₃和F₄)；并进一步从(F₁,F₂,F₃和F₄)的频谱分布中分别获取对应的1级频谱的中心坐标(f₁,f₂,f₃和f₄)的值；

步骤S102、利用中心坐标(f₁,f₂,f₃和f₄)值对获得四方向的频谱(F₁,F₂,F₃和F₄)的中心分别移到坐标点(0，0)处；

步骤S103、在步骤102的基础上，对干涉图I四方向的频谱(F₁,F₂,F₃和F₄)进行逆傅里叶变换，得到四方向的包裹位相和

步骤S104、利用位相展开技术对四方向的包裹位相和进行解包裹处理，获得四方向的差分位相Φ₁，Φ₂,Φ₃和Φ₄；

步骤S105、利用四方向位相重构技术对四方向的差分位相Φ₁，Φ₂,Φ₃和Φ₄进行重构，此时可以获得待测位相信息Φ；

步骤S106、对比从待测位相信息Φ中测得的感染黄曲霉毒素物料位相Φ_H和事先测得的无感染黄曲霉毒素物料位相Φ_N，并设定一定差异阈值，从而可实现感染黄曲霉毒素物料的剔除。

优选地，反射光栅203包括：基底；以及在基底的纵向和横向上阵列排布的反射部分b1和相位延迟反射部分b2，反射部分b1和相位延迟反射部分b2沿着纵向和横向相邻设置，相邻的反射部分b1和相位延迟反射部分b2之间设置有非反射非透光部分a1，其中，反射部分b1和非反射非透光部分a1设置在基底上方，相位延迟反射部分b2设置在基底的凹槽内。

其中，反射部分b1和相位延迟反射部分b2均呈正方形，反射部分b1和相位延迟反射部分b2的尺寸相同；对基底进行蚀刻以形成凹槽的蚀刻深度为荧光信号的平均波长的四分之一。

在一个实施例中，正方形的第一边长与横向平行，正方形的第二边长与纵向平行，第一边长和第二边长垂直。

在另一个实施例中，正方形的第一边长与横向呈45°夹角，正方形的第二边长与纵向呈45°，第一边长和第二边长垂直。

具体地，上述反射光栅203可为反射式二维位相光栅，并具体设计为反射式二维位相光栅I或反射式二维位相光栅II两种结构。参考图2和图4所示，包括阵列排布的反射部分b1和相位延迟反射部分b2，反射部分b1和相位延迟反射部分b2沿着纵向和横向相邻设置，相邻的反射部分b1和相位延迟反射部分b2之间设置有非反射非透光部分a1，即反射部分b1和非反射非透光部分a1设置在基底上方，相位延迟部分设置在基底的凹槽内反射光栅I在二维方向上的周期相同，而且两个方向一个周期内均包含非反射非透光单元和反射光单元。其中，非反射非透光单元包含非反射非透光部分a1和非反射非透光部分a2，反射光部分包含直接反射部分b1和相位延迟反射部分b2，而且，a1与a2的尺寸相同，b1与b2的尺寸相同，反射部分b1和相位延迟反射部分b2均呈正方形，反射部分b1和相位延迟反射的尺寸相同，同时该正方形的第一边长与横向平行，正方形的第二边长与纵向平行，第一边长和第二边长垂直。同理，反射光栅II与反射光栅I类似，其具体区别为正方形的第一边长与横向呈45°夹角，正方形的第二边长与纵向呈45°，第一边长和第二边长垂直。反射式二维位相光栅203采用上述特殊结构设计，将入射光束主要衍射到(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)、(+1，-1)四束反射光，减小或消除其它级次衍射光影响。

此外，反射光栅203的基底材料采用SiO2，非反射非透光部分为Cr膜，反射光栅203中直接反射部分b1为Al膜，且相位延迟反射部分b2为反射光栅203基底刻蚀获得，刻蚀后的表面镀有Al膜。

下面以反射光栅I为例进行说明，设反射光栅203的非透光部分a1和非透光部分a2的宽度均为w_a，反射光部分中直接反射部分b1和相位延迟反射部分b2的宽度均为w_b，相位延迟反射部分b2相对于直接反射部分b1的位相延迟为根据傅里叶变换理论，反射光栅203的反射光远场强度分布可以表示为：

其中，m,n为反射光级次。

从上述公式(1)中可以看出：当反射光栅I的反射光部分中直接反射部分b1和相位延迟反射部分b2相位差时，此时反射光栅I反射的0级及所有偶数级次衍射光均消失；当w_a＝2w_b时，反射光栅I的±3级及±3的倍级衍射光均消失，反射光栅I将入射的光波主要衍射成(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)、(+1，-1)四束反射光。

同理，基于类似的依据，反射光栅II也可将入射的光波主要衍射成(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)、(+1，-1)四束反射光。

另外，相位延迟反射部分b2刻蚀深度计算如下：

假设反射光栅203中相位延迟反射部分b2刻蚀深度为h引入位相为由于相位延迟反射光部分b2经刻蚀传输介质为空气，则根据光程差与位相之间的关系，相对于直接反射光部分b1，相位延迟反射光部分b2引入的位相延迟计算公式如下所示：

其中，为了减小反射可见荧光中光谱的影响，取反射可见荧光的平均波长进行计算。

根据前面分析可知，从而结合公式(2)计算得到相位延迟反射部分b2刻蚀深度为：

因此，本实用新型的反射光栅203将入射的荧光信号主要衍射成(+1，+1)、(-1，+1)、(-1，-1)、(+1，-1)四束反射光。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，采用反射式结构布局，避免透射式结构对微弱荧光吸收的问题，提高微弱荧光干涉图图像对比度，进而提高检测精度；通过干涉成像获得待测对象的位相图像，相对于现有的紫外荧光成像技术，本实用新型获得的相位图像可以进一步提高了图像对比度，提高检测准确性；通过采用多个方向差分波面获得待测物料的位相信息，进一步提高了位相检测的准确度；采用特殊结构设计的反射式二维位相光栅仅仅产生四束反射光，减小或消除其它级次衍射光影响，从而提高检测的准确度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。