采用柱鏡末端光纖照射毛細管的制作方法
【專利摘要】采用柱鏡末端光纖照射毛細管。一種新型毛細管柱上光學(xué)檢測裝置。使用末端具有柱鏡的光纖照射毛細管。光纖末端為兩個斜面區(qū)夾一個曲面區(qū)，或兩個斜面區(qū)夾一個平面區(qū)，使從光纖發(fā)出的光會聚在毛細管內(nèi)腔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明擴大了光吸收檢測的線性范圍，提高了信噪比。
【專利說明】采用柱鏡末端光纖照射毛細管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及毛細管電泳光學(xué)檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電泳是一種熟知的分離技術(shù)，廣泛用于分離具有不同電荷與大小的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、DNA。有兩種主要的電泳裝置。一種是平面電泳裝置，使用凝膠作為介質(zhì)，電極位于凝膠兩端，樣品放在一個電極附近。施加電壓后，帶有電荷的樣品分子就會向另一電極移動，帶電荷多或體積小的分子移動比帶電荷少或體積大的分子要快，從而實現(xiàn)分離。另一種是毛細管電泳裝置，是在一支很細的管子里做上述分離，圖1和圖2是毛細管電泳裝置的示意圖。圖中所示的裝置使用柱上光吸收檢測，即光源和光檢測器放置在做分離的毛細管兩側(cè)。樣品從毛細管一端引入，然后在毛細管兩端加上電壓，驅(qū)動樣品向另一端移動。該裝置包括毛細管100，電源105，正電極110，負電極115，兩個電極以導(dǎo)線135和130與電源105連接。光源120與光檢測器125放置在毛細管100兩側(cè)，使光透過毛細管。毛細管100里面有緩沖液140 (即當(dāng)少量酸或堿加入時能保持pH不變的溶液)。毛細管兩端插入含有溶液的容器116、118或117中。毛細管100通常由石英制成，內(nèi)徑50-100 μ m，外徑200-360 μ m，長度20-50cm，其它尺寸也可采用。
[0003]圖1顯示該裝置在進樣狀態(tài)。樣品145帶有正電荷，將從正電極110向負電極115移動。如果樣品帶負電荷，則電源極性需要反向，或者改為從負電極進樣。進樣時，先將電源105和光源120關(guān)閉，將正電極110和毛細管100的左端放入含有被分析溶液145的容器116中。施加短時間的壓力差或電壓，使少量樣品溶液進入毛細管，然后用容器117取代容器116，按圖2進行分析。
[0004]圖2顯示該裝置在分析狀態(tài)。電源105和光源120被打開，光檢測器125(光電二極管或光電倍增管)連接到計算機或其它數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由正負電極110和115施加的電場驅(qū)動樣品145的分子向負電極115移動。光源120和光檢測器125位于負電極115附近。光源120發(fā)射給定波長和強度的光，透過毛細管100，并被光檢測器125接收。樣品145中的分子會吸收部分照射其上的光。從光源120發(fā)出的入射光強和到達光檢測器125的光強被記錄，并按照熟知的比爾-朗伯定律計算樣品分子的濃度。
[0005]使用柱鏡末端光纖集光是光纖通訊領(lǐng)域常用的技術(shù)。Becker (US專利3，910，677，1975-10-07)最早提出了一種雙曲線鏡末端光纖(圖3)，用于接收激光二極管發(fā)出的光。該光纖的光入射端被制成一個柱鏡，中部為雙曲線形，兩側(cè)各有一個斜面，可提高光接收效率。雖然Becker沒有指出其光纖的直徑要求，但指出光纖用于光纖通訊。一般而言，用于通訊的光纖是單模光纖，光纖芯直徑為10 μ m或更小。Modavis (US專利
5,455, 879, 1995-10-03)展不了一種楔形鏡末端光纖,用于接收激光。該光纖末端由兩對斜面組成，用于單模光纖，光纖芯直徑約2 μ m。Tsushima (US專利5，845，024，1998-12-01)展示了在光纖末端制造柱鏡的方法，包括有錐度的橢圓和多種形狀的柱鏡。該發(fā)明適用于光纖芯6 μ m左右。Irie (US專利6，317，550，2001-11-13)提出了一種楔形鏡末端光纖(圖4)，用于接收激光。該光纖末端中部為一個垂直于光纖軸的平面，兩側(cè)各有一個斜面，用于光纖芯小于10 μ m。Jie (US專利6，597，835，2003-07-22)提出了一種楔形鏡末端光纖，用于接收激光。該光纖末端中部為實質(zhì)上的平面，兩側(cè)各有一個斜面，斜面與平面以曲面相結(jié)合，適用光纖芯直徑6 μ m左右。
[0006]細小的光纖對于單模光傳播是最佳選擇，但嚴(yán)重限制了傳遞的總光能。
[0007]牛金福等人(牛金福，徐劍秋，中國專利申請?zhí)?00710047627.2，2007_10_31)采用了柱面自聚焦光纖使激光光束準(zhǔn)直。該光纖直徑可達500 μ m，兩端均為平凸型柱面且互成角度取向。該光纖對長度有嚴(yán)格限制，典型長度為16.2mm。
[0008]為了提高柱上光學(xué)檢測的信噪比，照射到毛細管內(nèi)腔的光強越強越好。因此，光源 120 是非常關(guān)鍵的部件。Bruno (Bruno, A.E.et al., “Theoretical considerationson the design of cylindrical flow cells utilizing optical fibres，，，AnalyticaChimica Acta, 234(1990)259-262)展示了用平末端光纖直接照射毛細管，設(shè)計極為簡單。但由于光纖出射光為發(fā)散狀態(tài)，明顯減少了透過毛細管內(nèi)腔的光，只有從小于毛細管內(nèi)徑的光纖部分發(fā)出的光才可能通過毛細管內(nèi)腔，因而使信噪比受到損害。Hlousek (US專利5,037，199，1991-08-06XSMoring (US 專利 5, 239, 360, 1993-08-24)提出了用球鏡聚光照射毛細管，這是目前商品儀器最常用的方法。盡管使用球鏡聚焦大大增加了照射到毛細管內(nèi)腔的光，但由于球鏡較大的球差，損害了檢測的線性范圍。
[0009]上述發(fā)明對于其各自選定的應(yīng)用都很有價值，同時也具有如上指出的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提出了一種新的照射毛細管的方法，用于毛細管電泳及毛細管液相色譜的柱上光學(xué)檢測。本發(fā)明取消了聚焦用的球鏡，使用較大直徑的光纖，其光入射端仍為簡單平面，其光出射端被制成不同形狀的柱鏡，使光纖出射光會聚到毛細管內(nèi)腔，從而提高了檢測的信噪比，擴大檢測線性范圍。本發(fā)明對光纖長度沒有限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中毛細管電泳裝置進樣狀態(tài)示意圖。
[0012]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中毛細管電泳裝置分析狀態(tài)示意圖。
[0013]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中用于集光的光纖末端設(shè)計(Becker)。
[0014]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中用于集光的光纖末端設(shè)計(Irie)。
[0015]圖5為實施例1的側(cè)面示意圖。
[0016]圖6為實施例1的端面示意圖。
[0017]圖6A為實施例1的立體示意圖。
[0018]圖7為實施例2的側(cè)面示意圖。
[0019]圖8為實施例2的端面示意圖。
[0020]圖8A為實施例2的立體示意圖。
[0021]圖9為實施例3的示意圖。
[0022]附圖標(biāo)記說明
[0023]100毛細管105電源110正電極[0024]115負電極120光源125光檢測器
[0025]130導(dǎo)線135導(dǎo)線140緩沖液
[0026]145樣品300光纖305包層
[0027]310光纖芯315斜面500光纖
[0028]505光纖芯510包層515毛細管
[0029]520 內(nèi)腔525斜面區(qū)530 曲面區(qū)
[0030]700平面區(qū)705斜面區(qū)900光吸收檢測裝置
[0031]905光源909光纜端子910長方座
[0032]915套管920安裝套925光檢測器室
[0033]930平臺935環(huán)氧樹脂940通槽
[0034]945 中心孔950V形槽
【具體實施方式】
[0035]實施例1
[0036]圖5、6和6A分別顯不了本實施例的側(cè)面、端面和立體不意。圓形光纖500由光纖芯505和包層510組成。光纖500右端為一柱鏡，由一個凸面區(qū)530和兩個斜面區(qū)525和525’組成。斜面區(qū)從凸面區(qū)530向后延伸。毛細管515放在預(yù)定的與光纖500距離為D的位置。毛細管515的軸線與光纖500的軸線垂直。一般而言，毛細管內(nèi)腔520的直徑為50-100 μ m，光纖芯505直徑為100-200 μ m。其它尺寸也可使用。如圖5-6A所示，光纖500右端有三個區(qū)域:半徑為r的凸面區(qū)530，兩個與光纖軸對稱并與光纖端面成α角的斜面525和525’。斜面525和525’所夾的凸面530的寬度與毛細管內(nèi)腔520的直徑相近，一般為50-100 μ m,且在0.5-2倍內(nèi)腔直徑范圍都可采用。凸面區(qū)530的半徑r選擇為使凸面區(qū)530的焦點落在毛細管內(nèi)腔520的中心軸處，如圖5中F和G兩線所示。斜面角度α選擇為使從斜面525和525’中部發(fā)出的光線落在毛細管內(nèi)腔520的中心軸處，如圖5中E和H兩線所示。一般地，半徑r為100-150 μ m，角度α為20-30度，其它值也可采用。但如果角度α大于42度，光纖500會發(fā)生全反射，出射光將會減少。
[0037]實施例2
[0038]圖7、8和8Α分別顯不了本實施例的側(cè)面、端面和立體不意。圓形光纖500’由光纖芯505’和包層510’組成。光纖500’右端為一柱鏡，由一個平面區(qū)700和兩個斜面區(qū)705和705’組成。斜面區(qū)從平面區(qū)700向后延伸。毛細管515放在預(yù)定的與光纖500’距離為D’的位置。毛細管515的軸線與光纖500’的軸線垂直。一般而言，毛細管內(nèi)腔520的直徑為50-100 μ m，光纖芯505’的直徑為100-200 μ m，其它尺寸也可采用。如圖7-8A所示，光纖500’右端有三個區(qū)域:平面區(qū)700，兩個與光纖軸對稱并與光纖端面成α ’角的斜面區(qū)705和705’。斜面區(qū)705和705’所夾的平面區(qū)700的寬度等于或小于毛細管內(nèi)腔520的直徑，且在0.5-2倍內(nèi)腔直徑范圍也可采用。斜面角度α ’選擇為使從斜面705和705’中部發(fā)出的光線落在毛細管內(nèi)腔520的中心軸處，如圖7中Ε’和H’兩線所示。一般地，角度α ’為20-30度，其它值也可采用。但如果α ’大于42度，光纖500’會發(fā)生全反射，出射光將會減少。
[0039]在以上兩個實施例中，有三個特征與現(xiàn)有技術(shù)不同:1.本發(fā)明中斜面角度α和α，為20-30度,且不能大于42度。而用于集光的柱鏡末端光纖的斜面角度一般為40-50度。2.本發(fā)明中光纖芯直徑一般為100-200 μ m,而用于通訊的鏡末端光纖芯直徑不大于IOum0 3.本發(fā)明中的光纖入射端不需要柱鏡，且長度無限制。
[0040]一般地，毛細管515和光纖500為石英制成，其它材料如玻璃，塑料也可采用。入射光可為白光，也可為單一波長或幾個選定波長的光，從紫外到紅外均可采用。光源可采用發(fā)光二極管，激光器，氣體放電燈，弧光燈，白熾燈及其它類似光源。
[0041]實施例3
[0042]圖9所示是將實施例1和2進一步用于光吸收檢測。光吸收檢測裝置900包括光源905，光纜500’ ’，光纜端子909，安裝套920，毛細管515和光檢測器室925。光纜500’ ’可包含一支或多支光纖，一般不多于4支。光纜端子909插入安裝套的中心孔945中，放在毛細管515—側(cè)。毛細管另一側(cè)放置光檢測器室925。光吸收檢測裝置900由不透光的材料制成，如金屬，塑料或木材。光纜端子909由長方座910和套管915組成。套管915右端有一平臺930。光纖從長方座910插入套管915并延伸至平臺930，用環(huán)氧樹脂935固定在平臺930上。各支光纖對毛細管515的排列如圖5和圖7所示。安裝套920左側(cè)有一通槽940，內(nèi)部有一中心孔945，分別允許光纜端子的長方座910和套管915插入。安裝套920右側(cè)端面有一對過直徑的V形槽950，尺寸與毛細管515配合，當(dāng)光檢測器室925從右側(cè)施壓時，將毛細管515固定在V形槽內(nèi)。
[0043]當(dāng)上述裝置組裝完成后，光纖500的凸面區(qū)530或光纖500’的平面區(qū)700與毛細管515軸心的距離分別為預(yù)定距離D和D’(見圖5，圖7)。
[0044]上述實施例中包含許多具體設(shè)計和數(shù)值，這些不應(yīng)被視為對本發(fā)明的限制，許多變動仍屬于本發(fā)明范圍。例如，所用光纖可以具有給定顏色或給定傳輸波長。光纖長度可為幾毫米到幾米。光吸收檢測裝置的通槽940可以取消，代之以手工調(diào)整位置。光纜端子909的長方座910與平臺930可以為垂直取向。本發(fā)明所用的柱鏡末端光纖也可用于毛細管液相色譜檢測和熒光檢測的入射光。
【權(quán)利要求】
1.一種用于照射毛細管內(nèi)腔的鏡末端光纖，其特征是: 光纖有第一、第二端面和軸，光從第一端面入射，從第二端面出射； 所述第二端面具有給定的形狀，由第一、第二斜面區(qū)和夾在這兩個斜面區(qū)之間的第三面區(qū)組成，第一、第二斜面區(qū)與垂直于光纖軸的端面之間的角度小于42度； 所述第三面區(qū)可選為曲面或平面，曲面具有給定的半徑； 所述第三面區(qū)夾在第一、第二斜面之間的尺度為被照射的毛細管內(nèi)腔直徑的0.5-2倍; 依此設(shè)計，光源的光從所述光纖第一端面?zhèn)鬏斨恋诙嗣娌⑸涑?，出射的光會聚在距離D處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征是:所述第一、第二斜面與光纖端面的角度選擇為使從斜面發(fā)射出的光線會聚在處于給定距離D處的毛細管內(nèi)腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征是:所述第三面區(qū)的半徑選擇為使從曲面發(fā)射出的光線會聚在處于給定距離D處的毛細管內(nèi)腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征是:光纖的光纖芯直徑等于或大于50μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征是:光纖可選用玻璃，塑料或石英制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其特征是:通過光纖的光至少為紫外、可見或紅外光區(qū)的某一波長。
7.一種照射毛細管內(nèi)腔的方法，其特征是: 具有毛細管、光源和光纖，光纖具有第一、第二端面和軸； 所述光纖的第二端面由第一、第二斜面區(qū)和夾在這兩個斜面區(qū)之間的第三面區(qū)組成，第一、第二斜面區(qū)與垂直于光纖軸的端面之間的角度小于42度； 所述第三面區(qū)可選為曲面或平面，曲面具有給定的半徑； 所述第三面區(qū)夾在第一、第二斜面區(qū)之間的尺度為被照射的毛細管內(nèi)腔直徑的0.5-2倍; 所述光纖的第二端面放在與所述毛細管軸距離為D之處； 所述光纖的第二端面的斜面區(qū)與所述毛細管的軸平行； 依此設(shè)計，光源的光從所述光纖第一端面?zhèn)鬏斨恋诙嗣娌⑸涑?，出射的光會聚在所述毛細管的?nèi)腔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其特征是:光纖第一、第二斜面區(qū)與光纖端面的角度選擇為使從斜面發(fā)射出的光線會聚在處于給定距離D處的毛細管內(nèi)腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其特征是:光纖第三面區(qū)的半徑選擇為使從曲面發(fā)射出的光線會聚在處于給定距離D處的毛細管內(nèi)腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖,其特征是:光纖的光纖芯直徑等于或大于50μ m。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其特征是:光纖可選用玻璃，塑料或石英制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光纖，其特征是:通過光纖的光至少為紫外、可見或紅外光區(qū)的某一波長。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光源，其特征是:光源可選為激光，發(fā)光二極管，氣體放電燈，弧光燈或白熾燈。
【文檔編號】G02B6/42GK103513346SQ201310250148
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】王天松 申請人:王天松