一种可穿戴式光纤探头的制作方法

本发明涉及到光学探测和物质分析领域，尤其是利用光谱分析法对待测样品同一点在微米尺度上进行实时精确及无创探测和物质的定性定量分析领域。

背景技术：

近年来，光学探测技术，特别是适用于人体的可穿戴式无创探测设备越发受到人们的青睐。拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等光学探测技术已经运用到人体生理指标的检测领域。

拉曼光谱(raman)可以揭示有机和无机物质的分子和晶体的振动模式，raman光谱仪通过拉曼光谱的频移信息可以识别物质成分。将其运用到人体上，可以实现人体血糖、血脂等各项生理指标，甚至是癌细胞的快速检测以及动态实时检测。

红外光谱可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物。通过近红外光谱有望检测出人体组织氧含量、人体血液酒精含量等信息。

拉曼光纤探头基本原理是激发光从输入光纤进入探头，聚焦照射到被测物质产生拉曼散射，之后被采集透镜收集，经输出光纤送至光谱仪，获得拉曼光谱数据。拉曼光纤探头的出现简化了样品外光路，使得光谱仪在线分析、实时分析、活体分析、现场监测成为可能，为仪器的便携化、手持化铺平道路。

拉曼光纤探头依据入射/采集接口的不同可以分为双光纤结构、单光纤结构和多光纤结构。市场上已有的拉曼光纤探头(如海洋公司的rip-rpb系列探头，必达泰克公司的拉曼光谱仪采样附件bac100和inphonics公司的实验室探头系列)，可分为实验室型和工业型。工业型往往外壳为金属制成，坚固耐用，探头的探针较长，适合于伸进液体样本里面检测。实验室拉曼光纤探头多为双光纤结构，其中有代表性的是必达泰克公司的产品。该探头的一束光纤用来照射样品，另一束光纤收集拉曼散射信号。其光纤探头输入输出分为两路，通过二向色镜将光路分开，避免使用小反射镜，不会存在中心遮挡问题，但引入了新的元件。此结构的优点是结构紧凑，探头整体体积小，但是收集光路较长，元件多。光学元件的增加，提高了探头成本。

拉曼光谱对测试条件非常敏感，现有光学探头的采集透镜有固定的焦距，但是在实际测量中，特别是活体检测时，往往不能保证光源准确聚焦到被测样品，导致测量结果的准确性、稳定性和可重复性十分不理想，无法满足活体检测、动态实时监测、快速检测的要求。

此外，现有的光学探头没有专门针对活体检测，特别是人体检测的设计研发，无论从其形制、规格还是操作使用上都不能很好地适用于对人体的探测，无法满足活体检测对方便性、舒适性的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前传统光学探头在人体检测中的短板，以及raman光谱、红外光谱、荧光光谱等光学探测技术在人体无创检测的优势，提供一种既能稳定、准确地探测光谱又便于人体穿戴的舒适、安全的光纤探头。

一种可穿戴式光纤探头，包括激光通道、拉曼散射收集通道、检测通道；

激光通道内沿入射激光的传播方向依次设置有入射光纤、第一准直透镜、第一滤光片；

所述检测通道通过第一滤光片分别与激光通道和拉曼散射通道相连接；

检测通道内沿入射激光经过第一滤光片反射后得到的反射激光的传播方向依次设置有第二准直透镜、检测光纤、自聚焦透镜；

所述拉曼散射收集通道内沿反射激光的拉曼反射的方向依次设置有第一滤光片、第三准直透镜、采集光纤、第二滤光片；

所述自聚焦透镜的光谱范围为805～906nm；

所述第一滤光片和第二滤光片的对805-906nm光的透过率均大于92％，且对785nm光的反射率大于等于92％。

进一步地，还包括腕带，所述自聚焦透镜设置在腕带上。

进一步地，所述自聚焦透镜和腕带之间设有一挡光板。

进一步地，所述入射激光的波长为785nm。

进一步地，所述入射光纤和检测光纤均为105/125um光纤，所述采集光纤为200/220光纤。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明使用自聚焦透镜作为采集透镜，能够准确聚焦，确保光源汇聚到被测物表面，这种接触测量的方式保证探头与被测物间无空隙，避免了环境中的信号进入探头；同时，无论腕带松紧、活动等都不会影响焦点位置，从而保证光谱信息的准确采集；

(2)本发明在设计上将探头分为2部分：一部分是壳体包裹的光路及元器件主体；另一部分是通过腕带固定在被测物表面的探头端，这2部分通过传输光纤连接，保证与被测物直接接触的探头端更加独立、小巧，便于固定及测试，符合人体工学，结构紧凑、体积小、重量轻，人机结合效果好；

(3)本发明涉及的探头可根据需求与不同波长、不同功率的激光器以及不同类别的光纤光谱仪耦合成光学测试系统，可以采集拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等各类光谱信息，使用范围广；

(4)本专利使用的光学元件体积小、光学性能好，能够达到实验室级的检测精度。

附图说明

图1为本发明光学探头的结构原理图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明raman光谱采集结果；

图4为本发明的整体示意图。

图中标号代表为：1—激光器；2—fc接口；3—入射光纤；4—第一准直透镜；5—第三准直透镜；6—光谱探测器；7—第二滤光片；8—sma905接口；9—采集光纤；10—第一滤光片；11—第二准直透镜；12—检测光纤；13—自聚焦透镜；14—挡光板；15—腕带。

具体实施方式

本发明采用两步离子交换法对铊掺杂自聚焦透镜进行制备，包括：先进行铊离子tl+与钾离子k+交换,再进行铊离子tl+与钠离子na+交换。用两步离子交换工艺制备自聚焦透镜,其径向折射率分布可以得到明显的改善,从而更接近理想分布。

进一步地，第一次离子交换时，铊玻璃纤维在kno3熔盐中进行离子交换，温度范围为300-600℃；第二次离子交换时，把第一次交换的铊玻璃纤维放入nano3熔盐中进行离子交换,实际交换的是玻璃中的tl+与熔融盐中的na+(可以不考虑k+和na+交换对折射率的影响)，温度范围为300-600℃；

进一步地，自聚焦透镜的成分范围为：sio2：40％-60％，pbo：10％-25％，na2o：7％-14％，tl2o：12％-24％。

下面通过附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例提供了一种可穿戴式光纤探头，如图1所示，包括激光通道、拉曼散射收集通道，还包括检测通道，所述激光通道通过一滤光片与检测通道相连接；

激光通道内沿入射激光的传播方向依次设置有入射光纤3、第一准直透镜4、第一滤光片10；

所述入射光纤3将入射激光传递至第一准直透镜4，通过第一准直透镜4控制入射激光的方向，使得入射激光精确地射向第一滤光片10，第一滤光片10只允许特定波长的激光通过；

所述检测通道通过第一滤光片10分别与激光通道和拉曼散射通道相连接；

检测通道内沿入射激光经过第一滤光片10反射后得到的反射激光的传播方向依次设置有第二准直透镜11、检测光纤12、自聚焦透镜13；

所述入射激光经过第一滤光片10反射后通过第二准直透镜11控制方向后，通过检测光纤12传递至自聚焦透镜13,通过自聚焦透镜13的聚焦，使得入射激光聚焦到样本表面。

所述拉曼散射收集通道内沿反射激光的拉曼反射的方向依次设置有第一滤光片10、第三准直透镜5、采集光纤9、第二滤光片7；

入射激光聚焦到样本表面后，得到拉曼反射光谱，拉曼反射光谱经第一滤光片10后经过第三准直透镜5控制方向后，经过采集光纤9传递至第二滤光片7，第二滤光片7只允许特定波长的激光通过。

所述自聚焦透镜13的光谱范围为805～906nm；

本实施例以铊掺杂自聚焦透镜作为采集透镜，这种采集方式保证了光谱采集过程中焦点始终位于样本表面，与传统的光谱采集方式相比，这种新的光谱采集方式极大提高了光谱采集的稳定性、准确性和方便性。

为了保证光通量尽可能大，以及采集到更全面的光谱信息，本发明涉及的自聚焦透镜长度为0.49周期，出射光聚焦于透镜端面外0.5mm处，即人体表皮组织处。

本实施例涉及的自聚焦透镜可实现宽光谱(805-906nm)汇聚，保证采集的光谱信息足以支撑对血糖浓度的定量分析。

所述第一滤光片10和第二滤光片7对805-906nm光的透过率大于92％，且对785nm光的反射率大于等于92％。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，还包括腕带15，所述自聚焦透镜13设置在腕带15上。

实施例1所提供的探头可通过腕带及魔术贴固定在活体，特别是人体身上(如人体手腕、手臂等)，不仅能够单次检测，还可以做到动态实时监测。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，所述自聚焦透镜13和腕带15之间设有一挡光板14，避免激光直射人体。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，所述入射激光的波长为785nm。

实施例5

本实施例在实施例1的基础上，所述入射光纤2和检测光纤12均为105/125um光纤，所述采集光纤9为200/220光纤。

实施例6

本实施例在实施例1的基础上，采用两步离子交换法对铊掺杂自聚焦透镜进行制备，包括：先进行铊离子tl+与钾离子k+交换,再进行铊离子tl+与钠离子na+交换。用两步离子交换工艺制备自聚焦透镜,其径向折射率分布可以得到明显的改善,从而更接近理想分布。

第一次离子交换时，铊玻璃纤维在kno3熔盐中进行离子交换，温度范围为300-600℃；第二次离子交换时，把第一次交换的铊玻璃纤维放入nano3熔盐中进行离子交换,实际交换的是玻璃中的tl+与熔融盐中的na+(可以不考虑k+和na+交换对折射率的影响)，温度范围为300-600℃；自聚焦透镜的成分范围为：sio2：40％-60％，pbo：10％-25％，na2o：7％-14％，tl2o：12％-24％。

如图3所示，拉曼光谱以拉曼位移作为横坐标，以785nm为激发光源，拉曼光谱的拉曼位移为316-1701cm^-1，换算为光谱为805-906nm，即最后制备出的自聚焦透镜的光谱为805-906nm。