一種利用手機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用手機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的方法及裝置，利用附屬裝置中的近紅外激光器激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，利用手機(jī)內(nèi)置的相機(jī)獲取熒光圖像，基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移和標(biāo)準(zhǔn)曲線法檢測淬滅或者脫敏上轉(zhuǎn)換發(fā)光的物質(zhì)，可以應(yīng)用于生物和化學(xué)計(jì)量、水質(zhì)與食品分析、醫(yī)學(xué)與藥品檢驗(yàn)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一種吸收低能量激發(fā)光并輻射高能量發(fā)射光的新型熒光標(biāo)記材料，由于它的能量轉(zhuǎn)換方式不遵循斯托克斯定律，所以又被稱為反斯托克斯材料。目前人們已經(jīng)掌握了能量傳遞、激發(fā)態(tài)吸收、雙光子吸收等多種上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制，發(fā)明了溶膠-凝膠法、水熱溶劑法、沉淀法、燃燒法和微乳液法等多種上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料制備方法。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料因具有能量上轉(zhuǎn)換、熒光壽命長、發(fā)光穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在可見激光器、顯示屏、太陽能電池、光纖放大器、光信號存儲、防偽等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。此外，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料具有低背景噪音、低生物毒性、高組織穿透性等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像、熒光標(biāo)記、光動力治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。
[0003]目前專門用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料檢測的儀器和設(shè)備還比較少。實(shí)驗(yàn)人員主要通過熒光光譜儀來對上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料進(jìn)行檢測。但是，多數(shù)熒光光譜儀的光源波長范圍在紫外到可見光范圍內(nèi)，不能滿足上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的要求。因此，需要專門外接近紅外激光器和改造激發(fā)光路，才能應(yīng)用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料檢測。
[0004]隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)成為人們生活不可或缺的一部分，給人們的學(xué)習(xí)和工作帶來了極大的便利，其強(qiáng)大的信息感知和處理能力也催生了大量應(yīng)用。而基于智能手機(jī)開發(fā)各類即時檢測應(yīng)用是當(dāng)前的熱點(diǎn)所在。鑒于此，將光電檢測技術(shù)和移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，利用智能手機(jī)的高性能相機(jī)、計(jì)算處理模塊和信息交流功能，可以開發(fā)新型的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料檢測方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]上轉(zhuǎn)換發(fā)光檢測目前仍然存在著一系列挑戰(zhàn)性問題，尤其是要面向手機(jī)實(shí)現(xiàn)移動檢測，面臨的困難有:
[0006](一 )上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的轉(zhuǎn)化效率不高，小功率激光器難以點(diǎn)亮低濃度樣品，不利于系統(tǒng)功耗的降低；
[0007]( 二)近紅外激發(fā)光背景干擾強(qiáng)，容易煙沒被激發(fā)的上轉(zhuǎn)換熒光信號，造成獲取的熒光圖像信噪比不高，影響后續(xù)的處理和定量分析。
[0008]本發(fā)明提出一種利用手機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的方法及裝置，具有靈敏度高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，能有效克服上轉(zhuǎn)換發(fā)光檢測所面臨的問題，其技術(shù)解決方案如下:
[0009]一種利用手機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的方法，該方法包括以下步驟:
[0010](I)通過樣品池采樣微量上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；[0011 ] (2)會聚近紅外激光光斑來激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；
[0012](3)采用手機(jī)內(nèi)置的相機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光信號并獲得熒光圖像；
[0013](4)通過手機(jī)上轉(zhuǎn)換發(fā)光檢測應(yīng)用程序分析熒光圖像的紅、綠、藍(lán)三基色分量，計(jì)算得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的濃度信息，標(biāo)記整理好熒光圖像和分析結(jié)果；
[0014](5)通過手機(jī)通訊模塊遞交熒光圖像、分析結(jié)果以及標(biāo)記信息到數(shù)據(jù)庫中。
[0015]所述的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在980納米或800納米或1064納米波段的近紅外激光激發(fā)下，發(fā)射出近紅外熒光或紅色熒光或綠色熒光或藍(lán)色熒光或紫外熒光。
[0016]本發(fā)明還提供一種利用手機(jī)檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的裝置，包括:
[0017]用于微量采樣的樣品池；
[0018]用于激發(fā)和接收的光學(xué)系統(tǒng)；
[0019]用于檢測和成像的檢測模塊；
[0020]用于計(jì)算和分析的應(yīng)用程序以及用于存儲和共享的數(shù)據(jù)庫。
[0021]所述的樣品池為用于油相上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料檢測的點(diǎn)樣毛細(xì)管或?yàn)橛糜谒嗌限D(zhuǎn)換發(fā)光材料檢測的凹孔載玻片。
[0022]所述的光學(xué)系統(tǒng)由呈垂直關(guān)系或在一條直線上激發(fā)光路與接收光路構(gòu)成。
[0023]激發(fā)光路由依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光二極管、紅外光濾光片、準(zhǔn)直鏡構(gòu)成，準(zhǔn)直鏡與樣品池相鄰；通過激發(fā)光路的紅外光濾光片、準(zhǔn)直鏡可以將半導(dǎo)體激光二極管激發(fā)光束會聚，在樣品池的樣品處的光強(qiáng)是激光器輸出口的數(shù)十倍，有效降低激光器功率或者在額定功率下激發(fā)更低濃度的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料；接收光路由自上而下設(shè)置的雙面凹鏡、可見光濾光片構(gòu)成，通過可見接收光路來抑制近紅外激發(fā)光的干擾。
[0024]所述的激發(fā)光路與接收光路位于避光外殼內(nèi)，避光外殼設(shè)有透光孔。
[0025]所述的檢測模塊為內(nèi)置高性能相機(jī)的智能手機(jī)。
[0026]所述的智能手機(jī)安裝有上轉(zhuǎn)換熒光檢測應(yīng)用程序。
[0027]所述的上轉(zhuǎn)換熒光檢測應(yīng)用程序安裝和運(yùn)行于智能手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)熒光信號的檢測和熒光圖像的處理，應(yīng)用程序具有獲取熒光圖像、保存熒光圖像、處理熒光圖像、解析上轉(zhuǎn)換發(fā)光樣品、標(biāo)記數(shù)據(jù)和結(jié)果、存取數(shù)據(jù)庫功能。
[0028]本發(fā)明面向智能手機(jī)開發(fā)了專門的光譜分析應(yīng)用程序，針對上轉(zhuǎn)換發(fā)光檢測設(shè)計(jì)了專門的附屬裝置，包含樣品池、激發(fā)光源、激發(fā)光路和接收光路，形成定量檢測上轉(zhuǎn)換發(fā)光的手機(jī)裝置，通過激發(fā)光路會聚近紅外激發(fā)光，點(diǎn)亮毛細(xì)管或者載玻片上凹孔中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，經(jīng)接收光路調(diào)制后，被手機(jī)內(nèi)置的相機(jī)所獲取，經(jīng)應(yīng)用程序處理和分析后得到樣品數(shù)據(jù)，遞交保存于數(shù)據(jù)庫。
[0029]本發(fā)明采用半導(dǎo)體激光二極管作為小功率激發(fā)光源，直接從半導(dǎo)體激光器發(fā)射出來的激光束可以近似描述為高斯分布，但隨著光束傳播而逐漸偏離。在遠(yuǎn)場時，激光束的橫向和側(cè)向都有較大的發(fā)散角。
[0030]為了克服關(guān)鍵問題(一)，本發(fā)明首先利用紅外光濾光片、準(zhǔn)直鏡將半導(dǎo)體激光二極管發(fā)射的光束會聚到微量樣品處，數(shù)十倍提高焦點(diǎn)處的光強(qiáng)，一方面降低對激發(fā)光源的功率要求，同時也提高檢測低濃度上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的能力。
[0031]其次，本發(fā)明針對油相和水相上轉(zhuǎn)換發(fā)光樣品分別設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的樣品池和光路結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高檢測的靈敏度。油相上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的溶劑一般是熔點(diǎn)較低并且容易揮發(fā)的有機(jī)溶劑，本發(fā)明采用點(diǎn)樣毛細(xì)管作為油相檢測系統(tǒng)的樣品池，可以將點(diǎn)樣毛細(xì)管兩端用石蠟密封實(shí)現(xiàn)樣品的長期保存。用點(diǎn)樣毛細(xì)管作為上轉(zhuǎn)換發(fā)光檢測系統(tǒng)的樣品池有以下優(yōu)點(diǎn):
[0032]取樣方便:通過毛細(xì)管作用只需將點(diǎn)樣毛細(xì)管一端浸入樣品溶液就能在點(diǎn)樣毛細(xì)管中形成一段樣品液柱；
[0033]耗樣量少:點(diǎn)樣毛細(xì)管內(nèi)徑較小，取樣量少，完成一次檢測只需20微升樣品；
[0034]占用空間小:點(diǎn)樣毛細(xì)管內(nèi)徑較小，光路結(jié)構(gòu)可以做得很緊湊；
[0035]會聚熒光:激光束垂直照射到樣品液柱上，受激發(fā)的熒光主要沿著樣品液柱橫截面向四周輻射。
[0036]相比較而言，水相上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的水溶性較差，被檢測的樣品溶液容易發(fā)生沉淀。以傳統(tǒng)的樣品池比色皿為例，樣品溶液容易發(fā)生沉淀，使得上轉(zhuǎn)換材料的受激發(fā)光效果不穩(wěn)定，檢測結(jié)果一致性較差。本發(fā)明為液相上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料設(shè)計(jì)了帶凹孔的載玻片作為樣品池，激光束從載玻片凹孔底部激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。由于凹孔較淺，即使含有上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的樣品溶液發(fā)生沉淀，不會改變被激發(fā)的熒光通量，所以檢測結(jié)果的一致性較好。
[0037]本發(fā)明采用手機(jī)內(nèi)置的相機(jī)作為檢測設(shè)備。手機(jī)內(nèi)置的相機(jī)包含有三層光路系統(tǒng):第一層為提高采光率的微型鏡頭，其中有濾除紅外光的可見光高通濾光片；第二層是由紅、綠、藍(lán)濾光片組成的分色濾光片；第三層是由光敏傳感器陣列組成的感光片。
[0038]為了解決關(guān)鍵問題(二)，本發(fā)明一方面采用了雙面凹鏡、可見光濾光片，抑制近紅外激發(fā)光干擾；同時，采用手機(jī)內(nèi)置的對可見光敏感的相機(jī)作為光電傳感器，進(jìn)一步抑制近紅外激發(fā)光干擾。
[0039]如圖4、圖5所示，本發(fā)明以HTML5為核心開發(fā)了專門的手機(jī)應(yīng)用程序，除了獲取、保存、處理熒光圖像等功能外，還有手機(jī)定位和數(shù)據(jù)庫功能。要定量檢測含有上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的樣品，應(yīng)用程序首先調(diào)用內(nèi)置相機(jī)獲取熒光圖像，然后將熒光圖像渲染到畫布中，從而將圖像信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息，然后基于算法得到熒光光斑的中心位置，對光斑中指定區(qū)域的紅、綠、藍(lán)三原色信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對比，從而得到樣品濃度信息。
[0040]標(biāo)準(zhǔn)曲線是上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光強(qiáng)度與樣品濃度之間的對應(yīng)信息。不同濃度的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在額定功率的激發(fā)光激勵下發(fā)射的熒光強(qiáng)度不同，與之對應(yīng)的熒光圖像的紅、綠、藍(lán)三原色數(shù)字信息也不同。因此，可以通過分析熒光圖像的三原色分量，就能實(shí)現(xiàn)含有上轉(zhuǎn)換材料樣品的定量檢測。
[0041]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明充分利用了智能手機(jī)的高性能相機(jī)、計(jì)算處理模塊和信息交流功能，具有微量采樣、高效激發(fā)、靈敏檢測