一种荧光物质检测装置的制作方法

本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种荧光物质检测装置及方法。

背景技术：

荧光是一种光致发光的冷发光现象，荧光物质则是指在某种波长和强度的光照的激发下，物质中的电子可以进入激发态，再跃迁回到基态，并产生一定波长的荧光的物质。其中，水中油污便含有多种可荧光物质，如单环、多环芳香族碳氢化合物，这类化合物在在适当波长和强度的激光照射下，会发出特有波长的荧光。

目前，已有许多基于上述原理提出的用于检测水中油污的检测仪器或装置，包括接触式和非接触式水中油检测装置。然而，由于检测装置易受背景噪声(如自然光、暗电流等)的影响，信噪比通常较低(一般低于1)，又受自身结构的限制而难以提高，因此大部分检测装置还局限于在实验室进行分析测试，而不能用于野外分析检测。

可见，现有荧光物质检测装置存在信噪比较低的问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种荧光物质检测装置及方法，以解决现有荧光物质检测装置存在信噪比较低的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是这样实现的：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种荧光物质检测装置，包括：激光发射模块、荧光接收模块、同步控制器和数据处理器，所述同步控制器分别与所述激光发射模块和所述荧光接收模块连接，所述荧光接收模块还与所述数据处理器连接；

其中，所述激光发射模块用于向待测物发射激光脉冲；

所述荧光接收模块用于接收所述待测物被激发后发射出的荧光信号；

所述同步控制器用于控制所述激光发射模块和所述荧光接收模块处于同步工作状态；

所述数据处理器用于对所述荧光信号进行处理，以确定所述待测物中的荧光物质成分。

第二方面，本实用新型实施例提供一种荧光物质检测方法，应用于荧光物质检测装置，所述荧光物质检测装置包括：激光发射模块、荧光接收模块、同步控制器和数据处理器，所述同步控制器分别与所述激光发射模块和所述荧光接收模块连接，所述荧光接收模块还与所述数据处理器连接；

本实用新型实施例中，由于荧光物质检测装置包括激光发射模块、荧光接收模块、同步控制器和数据处理器，所述同步控制器分别与所述激光发射模块和所述荧光接收模块连接，所述荧光接收模块还与所述数据处理器连接。这样，可通过所述同步控制器控制所述激光发射模块和所述荧光接收模块处于同步工作状态，从而不仅可保证所述荧光接收模块能够接收到所述待测物发射出的荧光信号，且能减少背景噪声。此外，还可通过增大所述激光发射模块发射出的激光脉冲的能量、脉冲数，或者减小所述荧光接收模块的视场角的方式来提高信噪比，使所述荧光物质检测装置具备较高的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的荧光物质检测装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的荧光物质检测装置的工作原理图。

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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，图1是本实用新型实施例提供的一种荧光物质检测装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括：激光发射模块11、荧光接收模块12、同步控制器13和数据处理器14，所述同步控制器13分别与所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12连接，所述荧光接收模块12还与所述数据处理器14连接；

其中，所述激光发射模块11用于向待测物发射激光脉冲；

所述荧光接收模块12用于接收所述待测物被激发后发射出的荧光信号；

所述同步控制器13用于控制所述激光发射模块11和所述荧光接收模块 12处于同步工作状态；

所述数据处理器14用于对所述荧光信号进行处理，以确定所述待测物中的荧光物质成分。

本实施例中，如图1所示，所述荧光物质检测装置包括激光发射模块11、荧光接收模块12、同步控制器13和数据处理器14，所述同步控制器13分别与所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12连接，所述荧光接收模块12 还与所述数据处理器14连接。

本实施例中，所述激光发射模块11可包括能够发射出激光脉冲的激光器，也还可以包括可对激光器发射出的激光进行扩束的扩束器，以及可对扩束后的激光进行准直的准直器，以使所述激光发射模块11发射出的激光脉冲能够较好的照射到所述待测物上，减少因激光发散而影响检测效果。

所述荧光接收模块12可包括能够接收所述待测物被激发后发射出的荧光号的器件，例如：包括会聚透镜和光电转换器件，通过会聚透镜将发散的荧光信号聚集到一起，然后经光电转换器件将荧光信号转换为电信号。

所述同步控制器13可以是同步控制芯片或同步电路，且所述同步控制器 13可以通过同时向所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12发射同步触发信号以控制所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12处于同步工作状态。所述数据处理器14可以是可对所述荧光信号进行处理的处理器芯片或者微型计算机。

具体地，如图1所示，所述同步控制器13可以分别通过总线15和总线 16与所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12连接，所述荧光接收模块 12还可以通过另一总线与所述数据处理器14连接，需说明的是，为避免线条覆盖，图1中未示出该总线。

这样，在利用所述荧光物质检测装置检测某待测物是否含某种荧光物质 (如碳氢化合物、有色可溶性有机物、叶绿素或其它可发射出荧光的物质)时，可以通过所述激光发射模块11向所述待测物发射激光脉冲，具体地，由于不同的荧光物质所需照射的激光的波长不同，因此可以根据所需测量的目标荧光物质的特性，向所述待测物发射相对应的波长的激光脉冲。

若所述待测物中含有目标荧光物质，则所述待测物中的目标荧光物质将会受所述激光脉冲的激发而发射出波长相对于所述激光脉冲的波长较短的荧光信号。因此，可以通过所述荧光接收模块12接收所述待测物被激发后发射出的荧光信号，具体地，由于激光和荧光的发射速度均比较快，几乎接近于光速，因此为避免所述荧光接收模块12无法接收到荧光信号，以及为降低背景噪声的影响，可以通过所述同步控制器13控制所述激光发射模块11和所述荧光接收模块12处于同步工作状态。

所述激光发射模块11在接收到所述荧光信号之后，便可以将所接收的荧光信号送入所述数据处理器14进行处理，具体地，可以是对所接收的荧光信号经数据处理后生成荧光光谱，且由于不同的荧光物质受激发后所发射的荧光信号的荧光峰值不同，因此根据所述荧光光谱，得到荧光峰值，最后可根据荧光峰值确定所述待测物中是否含有目标荧光物质，从而确定所述待测物中所含有的荧光物质成分。

可选的，如图1所示，所述激光发射模块11包括脉冲激光器111和扩束镜，所述扩束镜安装于所述脉冲激光器111的发射端，其中，所述脉冲激光器 111发射的激光脉冲经所述扩束镜扩束准直后发射至所述待测物。

具体地，如图1所示，所述激光发射模块11可包括脉冲激光器111和扩束镜，所述扩束镜安装于所述脉冲激光器111的发射端，且如图1和图2所示，所述扩束镜可由一凹透镜L1和一凸透镜L2组成，其中，凹透镜L1用于对脉冲激光器发射出的激光进行扩束，凸透镜L2用于对扩束后的激光进行准直，且同步控制器可以通过同时向脉冲激光器和ICCD发射同步触发信号以控制脉冲激光器和ICCD处于同步工作状态。

所述脉冲激光器111可发射指单个激光脉冲，脉冲宽度一般小于0.25秒，且每间隔一定时间才发射工作一次，它具有较大输出功率，可发射出较大能量的激光脉冲，因此其发射的激光脉冲较适合于作为激发光源。具体地，所述脉冲激光器111可以选择钇铝石榴石晶体Nd:YAG激光器，且可选择采用空气制冷的激光器，由于这种类型的激光器长度较短，结构紧凑，体积小，从而可使所述荧光物质检测装置的体积也相对较小。

这样，所述脉冲激光器111发射的激光脉冲将经所述扩束镜扩束准直后发射至所述待测物，从而可使所述脉冲激光器111发射出的激光信号能够准确且不发散地照射到待测物上，进而保证较好的检测效果。

可选的，如图1所示，所述荧光接收模块12包括会聚透镜L3、滤光片F 和增强电荷耦合器件(IntensifiedCharge-coupled Device，简称ICCD)121，所述会聚透镜L3安装于所述滤光片F的前端，所述滤光片F安装于所述ICCD121 的接收端，其中，所述荧光信号依次穿过所述会聚透镜L3、所述滤光片F和所述ICCD121。

具体地，如图1所示，所述荧光接收模块12可包括会聚透镜L3、滤光片 F和ICCD121，所述会聚透镜L3安装于所述滤光片F的前端，所述滤光片F 安装于所述ICCD121的接收端。由于所述待测物被激发后发射出的荧光物质是散射在四周各个方向，因此，且如图2所示，可通过会聚透镜L3对散射的荧光信号进行汇聚，且可将汇聚后的荧光信号经滤光片F进行滤波处理，以允许目标波段的荧光信号通过，最后可通过所述ICCD对滤波后的荧光信号进行光电转换，以将光信号转换为电信号，使用电荷量表示光信号大小，以方便所述数据处理器14对其进行处理。

其中，所述目标波段可以是与所述待测物中的目标荧光物质发射出的波长范围相对应，这样，可在一定程度上保证检测结果的准确性，有效避免其他无关光信号造成的干扰，且所述滤光片也可以根据具体待测物进行参数选择，且在使用时便于更换。所述ICCD由像增强器与电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)耦合而成，包括像增强器、CCD和中继耦合组件等几部分，具备良好的时间分辨率(可达到纳秒量级)，且还具备量子效率高、动态范围大、响应速度快和稳定性好等优点，因此，采用所述ICCD作为光电转换器件，可保证所述荧光物质检测装置具备较高的品质，且具备较高的精确度。

可选的，所述激光发射模块11发射的波长为355nm，所述滤光片F允许通过的波段为450nm至510nm。

该实施方式中，为便于对水中油污进行检测，所述激光发射模块11发射的波长可以为355nm，具体地，可以是所述脉冲激光器111发射的波长为355nm，所述滤光片F允许通过的波段为450nm至510nm。由于水中油污含有大量的发射荧光基质，如单环、多环芳香族碳氢化合物，因此这些化合物被具有适当波长(如254nm或355nm)的激光照射时，会发出特有波长为400nm至600nm 之间的荧光，其荧光峰值为480nm。

依据此原理，又由于波长为355nm的激发光受大气衰减较小，且便于后期区分其他荧光物质，因此，可控制所述激光发射模块11向待测水面发射波长为355nm的激光脉冲，并选择带宽为60nm，允许通过波段为450nm至510nm 的滤光片，以保证所述荧光物质检测装置能对水中油污进行准确检测。

可选的，所述会聚透镜L3的视场角为1mrad，所述激光发射模块11的脉冲频率为100Hz，所述激光发射模块11发射的单个激光脉冲的能量为5μJ。

为验证所述荧光物质检测装置具备较高的信噪比，可以探测水中浮油为例，按照如下公式(1)对其信噪比进行计算：

其中，SNR(R)为信噪比，Nd为所述荧光物质检测装置的暗电流噪声，n 为脉冲数，M(R)为所述荧光物质检测装置所接收到的光子数，Nb为太阳光辐射所产生的光子数，M(R)和Nb可分别采用如下公式(2)和公式(3)进行计算：

其中，η(λ)为在波长λ处的量子效率，h为普朗克常量，λ和λL分别为荧光峰值和激光脉冲的波长，σ^F(λL,λ)为荧光散射截面，τd为ICCD的门宽，A为荧光接收模块的口径，R为探测距离，R0为待测物到荧光接收模块的距离，EL为单个激光脉冲的能量，K0(λ)为滤波函数，ζ(R)为几何覆盖因子(一般假设为1)， N(R)为距离R处的浮油表面基态粒子数密度，T(R0)e-σ(R-R0)为大气传输因子，当R等于R0时，大气传输因子为T(R0)，σ表示油膜消光系数，c为光速，LS为水面的光辐射亮度，在夜晚可取为0，θ为荧光接收模块的视场角，Δλ为滤光片的带宽，Δt为ICCD的响应时间。

这样，可根据以上各参数的值计算出所述荧光物质检测装置的信噪比，且由公式(1)、公式(2)和公式(3)可知，在设计时，可通过增大所述激光发射模块发射出的激光脉冲的能量、脉冲数，或者减小所述荧光接收模块的视场角的方式来提高所述荧光物质检测装置的信噪比，使得所述荧光物质检测装置能够用于野外分析检测，其中，脉冲数可以通过调整所述激光发射模块的脉冲频率来实现。

因此，该实施方式中，可使所述会聚透镜L3的视场角为1mrad，所述激光发射模块11的脉冲频率为100Hz，所述激光发射模块11发射的单个激光脉冲的能量为5μJ时，具体可以是所述脉冲激光器111的脉冲频率为100Hz，其发射的单个激光脉冲的能量为5μJ，以保证所述荧光物质检测装置具备较高的信噪比，在实际探测中，探测时间可以在0.5s至1s之间，单个激光脉冲的能量可以在5μJ至50μJ之间。具体地，为验证，当给定其他各项参数的值如下表1所示时，可计算出所述荧光物质检测装置的信噪比为10，由此可见，本实用新型实施例所提供的荧光物质检测装置的确具备较高的信噪比。

表1荧光物质检测装置的各项参数的参考数值

可选的，所述荧光物质检测装置的探测距离为5m至15m之间，其中，所述探测距离为所述荧光物质检测装置至所述待测物的距离。

具体地，所述荧光物质检测装置的探测距离可以在5m至15m之间，从而不仅能满足远距离探测需求，还能保证所述荧光物质检测装置具备较高的信噪比，适用于野外快速检测分析。

本实用新型实施例中，由于荧光物质检测装置包括激光发射模块、荧光接收模块、同步控制器和数据处理器，所述同步控制器分别与所述激光发射模块和所述荧光接收模块连接，所述荧光接收模块还与所述数据处理器连接。这样，可通过所述同步控制器控制所述激光发射模块和所述荧光接收模块处于同步工作状态，从而不仅可保证所述荧光接收模块能够接收到所述待测物发射出的荧光信号，且能减少背景噪声。此外，还可通过增大所述激光发射模块发射出的激光脉冲的能量、脉冲数，或者减小所述荧光接收模块的视场角的方式来提高信噪比，使所述荧光物质检测装置具备较高的信噪比。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘) 中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本实用新型的保护之内。