专利名称：时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学工程技术领域，具体涉及一种向便携式发展的高灵敏的生物体超微弱光子检测系统，以此系统可以对生物体和附着在生物体上/内的其它分子级的物质成分进行灵敏快速和无损检测。例如可适用于对水果、蔬菜中的农药含量，水产品中抗菌素的含量，成粒粮食和粉状粮食中的添加剂等食品安全和生物体特性的评价，农副产品的质量和种子品质的评价等进行无损检测或监测的(包括进口、出口流向)场合。
背景技术：
食品安全检测涵盖的内容广泛，主要包括食品的一般成分分析、微量元素分析、农药残留分析、兽药残留分析、霉菌毒素分析、食品添加剂分析和其他有害物质的分析等。目前主要采用理化技术(如分光光度法、原子荧光光谱法、电化学法、原子吸收光谱法、气相色谱法、高效液相色谱法等)和生物学技术进行食品检验。其中大部分检测需要在实验室进行，且操作过程繁复、检验成本昂贵、耗时较长、一些检测过程还会对样品造成破坏。因此，仪器便携化、检测现场化以及非破坏性分析已经成为当前食品检验发展的方向，特别在进行食品安全无损检测或监测(包括进口、出口流向)的场合，如水果、蔬菜中的农药含量，水产品中抗菌素的含量，成粒粮食和粉状粮食中的添加剂等等，需要快速、无损、便携的检测仪器装置。此外，对于农副产品的质量和种子品质的评价尚须发展简便有效的分析方法和技术。
发明内容本实用新型的目的是在食品安全领域对生物体自身性质变化以及是否受到污染和污染程度等食品质量问题进行方便、快速、无损检测，提供一种时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统，可成为现有检测技术的有益补充。光诱导超弱光子辐射是生物体的固有现象，当生物体自身的性质发生改变，或受到外界因素的影响(如农药、添加剂等)，生物体的光诱导超弱发光特性会发生变化。因此， 光诱导超弱光子辐射可反映生物体由内部变化及环境影响所引起的生物学效应的整体信息，提供一个关于生物系统基本特性的综合指标。使用本实用新型系统装置可通过生物体本征的光诱导超弱发光特性实现对食品质量的快速、无损检测。此外，本系统采用光纤传输和共轭光路设计，简化了光学系统，可实现小型化和便携式，适用于多种场合和各种样品形式的光诱导生物体超弱发光测量。本实用新型提供的时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统包括宽带光源或窄带光源，宽带光源包括氙灯、氘灯和氙闪光灯，窄带光源包括激光、 半导体激光和LED，宽带光源或窄带光源通过耦合光纤或耦合透镜连接到入射端电子光快门；入射端电子光快门依次连接第一光准直透镜、带通滤光片和分光二色镜；分光二色镜分成两路，一路连接物镜，并经物镜将来自所述光源的作为光诱导生
3物体发光的照射光或诱导光照射到样品室中的检测样品上；分光二色镜的另一路依次连接长通或带通或窄带滤光片、第二光准直透镜和出射端电子光快门；分光二色镜同时连接用于消除杂散光以降低杂散光干扰的消光器；出射端电子光快门依次连接准直或成像透镜和光电倍增管，光电倍增管依次连接宽带前置电子放大器、多通道光子计数器和数据处理器；出射端电子光快门、多通道光子计数器、入射端电子光快门以及宽带光源或窄带光源同时与时序控制器连接。时序控制器发出四路程序控制的电平信号，分别触发光源和多通道光子计数器、控制两个电子光快门的开启和关闭。所述的入射端电子光快门、第一光准直透镜、带通滤光片、分光二色镜、物镜、消光器、长通或带通或窄带滤光片、第二光准直透镜、准直或成像透镜、出射端电子光快门和样品室采用光学模块设计制成一个整体。本实用新型的工作过程来自上述宽带光源或窄带光源的作为光诱导生物体发光的照射光或诱导光，被耦合到所述光学系统的入射端电子光快门的光栏中心(下称“入射快门”)，在入射快门开启后，依次通过安装在其后的第一个光准直透镜系统和带通滤光片到达分光二色镜(短反长通，或相反)。透过分光二色镜(短反长通类型)的杂散光进入位于其后的消光器，以降低杂散光干扰；由该分光二色镜反射的大部分有用波段的光经由透镜系统组成的具有不同倍数的物镜，将其聚焦到被测样品上，入射光快门关闭后，完成光诱导作用。被测样品产生的光诱导超弱发光(下称“超弱光子”)被同一物镜所采集，并再次以平行光方式反向传输进入同一分光二色镜，其透过部分继而进入垂直物镜光轴安装的长通(或带通或窄带)滤光片，滤光后的超弱光子束被位于其后的第二个光准直透镜系统聚焦于出射端电子光快门 (下称“出射快门”)的光栏中心，两个电子光快门的光栏中心相对于分光二色镜处于互共轭位置。该快门打开后，出射的超弱光子束被其后的凸透镜准直到光电倍增管的光阴极上， 完成光电信号转换。光电倍增管输出端连接到宽带前置电子放大器，该前置放大器和多通道光子计数器以及数据处理器组成了高灵敏的时间分辨测量和记录系统。本实用新型的优点和积极效果本实用新型系统具有灵敏度高、暗噪声小、测量延迟发光(相对于关闭诱导光)的滞后时间短、应用灵活性高、扩展性强等优点，可以实现对生物体和附着在生物体的其它分子级的物质成分进行快速无损检测，适用于对水果、蔬菜中的农药含量，水产品中抗菌素的含量，牛奶中的三氯氰胺，成粒粮食和粉状粮食中的添加剂等需要对食品安全进行无损检测或监测(包括该类生物体货物进口、该类生物体货物出口流向)的场合；也可用于开发评价农副产品质量和种子品质的快速检测方法。
图1是时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统原理图。图2是得到时间分辨的光子辐射强度变化曲线。图中，101为宽带或窄带光源；201为入射端电子光快门；301为第一光准直透镜； 401为带通滤光片；501为分光二色镜；601为物镜；701为消光器；801为长通(或带通或窄带)滤光片；901为第二光准直透镜；902为准直或成像透镜；1001为出射端电子光快门；
41002为光电倍增管(包括致冷和高压)；1003为宽带前置电子放大器；1004为多通道光子计数器；1005为数据处理器；1006为时序控制器；100为样品室。光学模块设计包含下列光学元件201入射端电子光快门，301第一光准直透镜， 401带通滤光片，501分光二色镜，601物镜，701消光器，801长通(或带通或窄带)滤光片， 901第二光准直透镜，902准直或成像透镜，1001为出射端电子光快门和100样品室。整体模块化设计包括光学模块，101光源和1002光电倍增管。
具体实施方式
实施例1如图1所示，本实用新型系统的具体构成是闪光氙灯101用作光诱导光源，通过与多模光纤耦合导入至入射端电子光快门 201，经第一光准直透镜301后变为平行光束。通过带通滤光片401选择紫外波段的光作为诱导光(截止波长部分的透过率为10_5)，平行光经分光二色镜501反射后通过物镜601聚焦于被测样品100。同时，经带通滤光片401滤光后残留的可见光和短波紫外光成分通过分光二色镜501进入消光装置701，避免其在装置内的散射对弱信号光的测量产生影响。被测样品受光照后产生的超弱光子发射经物镜601采集，以平行光形式依次通过分光二色镜501、长通滤光片801 (对照射光波长部分的透过率为10_5)后，由第二光准直透镜901会聚于出射端电子光快门1001的小孔光栏中心，然后经准直透镜902进入光电倍增管 1002。光电倍增管1002将超弱光子转换为电脉冲信号，经前置电子放大器1003放大后输入多通道光子计数器1004，得到时间分辨的光子辐射强度变化曲线，如图2所示。最后将该曲线导入数据处理器1005进行数据分析。时序控制器1006分别与光源101、电子光快门201和1001、多通道光子计数器 1004相连。时序控制器发出四路程控的电平信号，分别触发闪光氙灯101、触发多通道光子计数器、并控制入射快门和出射快门交替开启和关闭。本实用新型系统的运行过程如下初始状态下，入射快门201与出射快门1001关闭，光源101和多通道光子计数器 1004处于待机状态。测量时，首先开启入射快门201，当快门完全打开并稳定后，触发闪光氙灯101，使其按预定的方式(预先设定照射光功率和照射时间)输出诱导光。光照结束时，关闭入射快门201以消除激发光余辉和装置外杂散光的影响。在关闭入射快门201的同时，开启出射快门1001和触发多通道光子计数器1004，使样品发出的微弱光子被及时地收集和测量。 当测量结束后，关闭出射快门1001，系统装置回复到初始状态，下一次测量重复上述过程。 整个系统装置在时序控制器1006的电平信号控制下精确、协同运行。多通道光子计数器1004测量得到的光诱导生物体超弱光子辐射强度随时间衰减曲线被导入数据处理器1005进行衰减动力学分析，得到相应的发光衰减动力学特征参数 (发光寿命T，发光初始强度Itl以及总光子数N)。依据T、I0, N值，通过数据存储矩阵表得出相应检测或监测结论值D。实用新型系统应用例
5[0032]下面结合实际应用例子，进一步说明本实用新型系统，所述例子不影响本实用新型的进一步保护。例如，随机抽取一个水果检测其农药的残留量。将水果放在100的位置。在时序控制器1006的控制下，光源101发出的诱导光依次通过入射快门201、第一光准直透镜301、带通滤光片401，再经分光二色镜501反射后由物镜601聚焦于被测水果 100 ；被测水果100经照射后，在时序控制器1006的控制下，入射快门201关闭，同时出射快门1001开启。被测水果置于样品室100内，受光诱导后产生的微弱的光子发射被物镜 601采集后依次通过分光二色镜501、长通滤光片801、第二光准直透镜901，出射快门1001、 准直透镜902后由光电倍增管1002转变成电脉冲信号。此电脉冲信号通过前置电子放大器1003和多通道光子计数器1004，得到时间分辨的光子辐射强度变化曲线。实验数据被导入数据处理器1005进行衰减动力学分析，得到相应的发光衰减动力学特征参数(发光寿命T，发光初始强度Itl以及总光子数N)。依据T、I0, N值和事先通过大量实验建立的农药残留量与这些发光衰减动力学参数之间的对应关系，得出此水果相应检测或监测农药残留量结论值D。
权利要求1.一种时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统，其特征在于该系统包括宽带光源或窄带光源，宽带光源包括氙灯、氘灯和氙闪光灯，窄带光源包括激光、半导体激光和LED，宽带光源或窄带光源通过耦合光纤或耦合透镜连接到入射端电子光快门； 入射端电子光快门依次连接第一光准直透镜、带通滤光片和分光二色镜； 分光二色镜分成两路，一路连接物镜，并经物镜将来自所述光源的作为光诱导生物体发光的照射光或诱导光照射到样品室中的检测样品上；分光二色镜的另一路依次连接长通或带通或窄带滤光片、第二光准直透镜和出射端电子光快门；分光二色镜同时连接用于消除杂散光以降低杂散光干扰的消光器；出射端电子光快门依次连接准直或成像透镜和光电倍增管，光电倍增管依次连接宽带前置电子放大器、多通道光子计数器和数据处理器；出射端电子光快门、多通道光子计数器、入射端电子光快门以及宽带光源或窄带光源同时与时序控制器连接。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于所述的入射端电子光快门、第一光准直透镜、带通滤光片、分光二色镜、物镜、消光器、长通或带通或窄带滤光片、第二光准直透镜、准直或成像透镜、出射端电子光快门和样品室采用光学模块设计制成一个整体。
专利摘要一种时间分辨的光诱导生物体超微弱光子检测系统。该系统由光源、光学模块、光子计数和时序控制系统组成。光源经光纤耦合到光学模块的入射快门，该模块是由两套电子光快门、两套准直透镜、带通和长通滤光片、分光二色镜和物镜组成的两条共焦光路系统，诱导光被准直后，由分光二色镜反射至物镜，聚焦在被测样品上。样品产生的超弱发光由同一物镜采集，沿原路返回并透过二色镜进入互为共轭的另一光路，经出射快门后被透镜耦合到光电倍增管。光电倍增管的输出信号经前置放大后进入多通道光子计数器和数据处理器。全部测量由时序电路进行程控。本系统可对生物体及其污染物进行灵敏快速无损检测，广泛适用于食品安全和农作物产品质量评价与监测等场合。
文档编号G02B27/10GK202149881SQ20112016913
公开日2012年2月22日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者林列, 母国光, 汤国庆, 白华, 陈平 申请人:南开大学