一種微化學系統和光熱轉換光譜分析方法

            文檔序號:5867584閱讀:280來源:國知局
            專利名稱:一種微化學系統和光熱轉換光譜分析方法
            技術領域
            本發明涉及一種微化學系統和一種光熱轉換光譜分析方法。
            背景技術
            鑒于化學反應的迅速性,進行反應所需使用的非常少量的試樣,以及現場分析等等,用于在非常小的空間內進行化學反應的集成技術現在已經引起注意,并且全世界都在積極地進行這一技術的研究。
            所謂的微化學系統就是這種集成技術的一個實例。微化學系統是對在小的玻璃基片等中形成的非常纖細的通道中的試樣溶液(包含試樣的液體)進行混合、反應、分離、提取、檢測等的系統。在這樣一種微化學系統中進行反應的例子包括重氮化作用反應、硝化反應和抗原—抗體反應。此外,提取/分離的例子包括溶劑提取、電泳分離和萃取分離(column separation)。可以使用具有一種功能的微化學系統,例如只用于分離,或者使用多種功能結合在一起的微化學系統。
            作為一種在上述功能中只用于分離的微化學系統,已經提出了一種用于分析微量的蛋白質、核酸等的電泳裝置(參見例如日本特開平專利出版物(Kokai)No.H8-178897)。該電泳裝置具有一個用于形成通道的板形元件,該板形元件包括兩個連接在一起的玻璃基片。因為元件是平板形的,所以與具有圓形或者方形截面的玻璃毛細管的情況相比,破裂發生的可能性要小得多,因此很容易操作。
            在這樣一種微化學系統中,由于試樣的量非常小,所以使用一種高靈敏度的檢測方法是必需的。光熱轉換吸收分析方法,作為這樣一種檢測方法已經被提出,該方法利用了熱透鏡效應,該效應是由在非常纖細的通道中的試樣溶液吸收光而產生的。這種光熱轉換光譜分析方法利用了光熱轉換效應,其中光被會聚地輻射在試樣溶液上,于是試樣溶液中的溶質吸收光,并將熱能釋放出來,因此溶劑的溫度由于釋放的熱能而局部地升高了,并改變了試樣溶液的折射率,從而形成了熱透鏡。這種光熱轉換光譜分析方法開辟了一條用于實現微化學系統的道路。
            圖3是用于解釋熱透鏡原理的視圖。
            在圖3中,激勵光經由一個顯微鏡的物鏡會聚地輻射到極少量的試樣溶液上,由此發生光熱轉換效應。對于大多數物質而言,折射率隨溫度的上升而下降,因此在被激勵光會聚地輻射的試樣溶液中,折射率會下降,且折射率下降越大就越接近會聚光的中心,即溫度上升最大的位置。換句話說,折射率隨著離會聚光中心的距離而增加。這就是為什么溫度的上升會由于熱擴散而隨著離會聚光的中心的距離的增加而變小。從光學上講,得到的折射率分布產生與凹透鏡相同的效應,因此這種效應被稱為熱透鏡效應。熱透鏡效應的大小,即凹透鏡的屈光度,與試樣溶液的光吸收性成比例。另外,在折射率隨溫度增加的情況下,折射率中的變化是相反的,因此出現了可產生與凹透鏡相同效應的熱透鏡效應。
            在上述光熱轉換光譜分析方法中,由于試樣溶液中的熱擴散而觀察到了試樣溶液中的折射率的變化,所以該方法適用于檢測極少量試樣的濃度。
            在日本特開平專利出版物(Kokai)No.10-232210中公開了使用上述光熱轉換光譜分析方法的光熱轉換光譜分析儀的一個示例。
            在一個傳統的光熱轉換光譜分析儀中,在顯微鏡的物鏡的下面設置有一個帶有通道的板形元件,并且從一個激勵光源中輸出的預定波長的激勵光引入到該顯微鏡中。這樣該激勵光經由物鏡會聚地輻射到該帶有通道的板形元件的通道中的試樣溶液上。該會聚輻射的激勵光的焦點位置在該溶液試樣中,因此以該焦點位置為中心處形成了一個熱透鏡。
            另外,具有不同于激勵光的波長的檢測光從一個檢測光源輸出,并引入到顯微鏡中。該檢測光穿過顯微鏡并從顯微鏡出射,會聚地輻射到由激勵光在試樣溶液中產生的熱透鏡上,然后透過試樣溶液,從而檢測光或者發散(在熱透鏡具有凹透鏡效應的情況下)或者會聚(在熱透鏡具有凸透鏡效應的情況下)。將從試樣溶液出射的發散或者會聚的檢測光用作為信號光。該信號光經過一聚光透鏡和一濾光器,或只經過一濾光器,然后又檢測器接收并進行檢測。該檢測到的信號光的強度依賴于形成在試樣溶液中的熱透鏡的折射率。應該指出的是,檢測光可以具有與激勵光相同的波長,或者激勵光也可以用作檢測光。
            在上述光熱轉換光譜分析儀,即微化學系統中,在激勵光的焦點位置形成熱透鏡,然后利用檢測光檢測所形成的熱透鏡的折射率的變化,其中檢測光或者具有與激勵光相同的波長,或者具有與激勵光不同的波長。
            然而,具有上述光熱轉換光譜分析儀的用作光源的光學系統等,測量部分和檢測部分(光熱轉換部分)都具有復雜的結構,因此這種裝置尺寸會很大,從而不便于攜帶。因此,存在這樣一個問題,即對于光熱轉換光譜分析儀的安裝位置和操作具有局限性,從而給用戶帶來工作效率低下的問題。
            另外,在光熱轉換光譜分析儀中,激勵光和檢測光是通過開放空間照射到試樣溶液上的,因此在測量過程中必須防止各光學系統元件例如光源、反光鏡和透鏡移動,這就需要一個牢固的固定這些元件的基板。此外,激勵光和檢測光的光軸會隨著環境的變化例如溫度的變化而移出準線,因此需要用于調節這種移動的夾具。這些夾具也是使光熱轉換光譜分析儀尺寸變大而不便于攜帶的一個原因。
            另外,在使用光熱轉換光譜分析方法的微化學系統中,在許多情況下需要使激勵光的焦點位置和檢測光的焦點位置彼此不同。圖4A和4B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測光在激勵光傳播的方向上的焦點位置的視圖;圖4A示出了一種其中物鏡具有色像差的情況,而圖4B示出了一種其中物鏡不具有色像差的情況。
            在物鏡130具有色像差的情況下,如圖4A所示,熱透鏡131形成于激勵光的焦點位置132之上,檢測光的焦點位置133從激勵光的焦點位置132移動了一個量ΔL,所以在熱透鏡131中的折射率的變化可以隨著檢測光的焦距的變化被檢測到。另一方面,在物鏡130不具有色像差的情況下,如圖4B所示,檢測光的焦點位置133幾乎與在激勵光的焦點位置132處形成的熱透鏡的位置完全相同。結果,檢測光不會被熱透鏡131折射,從而檢測不到熱透鏡131中的折射率的變化。
            然而,顯微鏡的物鏡通常制作成無色像差,所以,出于如上所述原因,檢測光的焦點位置133幾乎與在激勵光的焦點位置132處形成的熱透鏡的位置完全相同(圖4B)。所以,檢測不到熱透鏡131中的折射率的變化。這樣就存在一個問題,即每次進行測量時,都要從檢測光的焦點位置133移動其中形成有熱透鏡131的試樣溶液的位置,如圖5A或5B所示,或者在檢測光經過物鏡130之前,使用透鏡(未示出)將其略微發散或會聚,從而檢測光的焦點位置133從熱透鏡131處移開,如圖6所示;其結果可能會犧牲測量的靈敏度,而且用戶的工作效率較低。
            本發明的一個目的在于提供一種微化學系統,和由該微化學系統執行的光熱轉換光譜分析方法,其能夠進行高靈敏度的測量,此外還提供一種小尺寸的微化學系統,該微化學系統使用戶的工作效率得到提高。

            發明內容
            為了獲得上述目的,本發明的第一方面,提供一種微化學系統,包括一個用于輸出激勵光的激勵光源;一個用于輸出檢測光的檢測光源;一個光導光學系統,用于將激勵光和檢測光合并且進行導向;一個輻射透鏡,用于將由光導光學系統導向的激勵光和檢測光輻射到試樣上;檢測裝置,用于檢測透過由激勵光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測光;以及分析裝置,用于根據檢測到的檢測光來分析試樣,其中微化學系統包括第一光引入光纖,其將從激勵光源輸出的激勵光引入到光導光學系統中,第二光引入光纖,其將從檢測光源輸出的檢測光引入到光導光學系統中,在光導光學系統中設置一個雙波長復用裝置,用于將由第一光引入光纖和第二光引入光纖引入的激勵光和檢測光進行復用,以及一個光導光纖,用于將復用的激勵光和檢測光導向到輻射透鏡上。
            在本發明的第一方面,優選地,雙波長復用裝置具有根據光的波長,對光進行反射或透射的多層薄膜,其中在由多層薄膜反射和透射的光束之間的邊界位置處的光的波長介于激勵光的波長和檢測光的波長之間。
            在本發明的第一方面,優選地,雙波長復用裝置包括兩個串聯連接在一起的梯度折射率柱形透鏡,和多層電介質薄膜濾光器,該濾光器是由電介質制成的多層薄膜,所述薄膜濾光器形成在兩個連接在一起的梯度折射率柱形透鏡的粘合表面。
            在本發明的第一方面,優選地,多層的電介質薄膜濾光器形成在梯度折射率柱形透鏡上。
            優選地,光導光纖以單模傳播激勵光和檢測光。
            在本發明的第一方面,優選地,輻射透鏡固定在光導光纖的端部,其中激勵光和檢測光從光導光纖射出。
            在本發明的第一方面,優選地,激勵光和檢測光具有彼此不同的頻率,并且輻射透鏡具有色相差。
            在本發明的第一方面,優選地,輻射透鏡是梯度折射率透鏡。
            在本發明的第一方面,優選地,上述梯度折射率透鏡是柱形透鏡。
            為了獲得上述目的,在本發明的第二方面,提供一種光熱轉換光譜分析方法,包括經由輻射透鏡將激勵光和檢測光輻射到試樣上;通過檢測透過由激勵光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測光來分析試樣,其中分別利用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵光和檢測光引入到雙波長復用裝置中,該復用裝置將兩種不同波長的光復用起來,然后利用單模的光導光纖將由雙波長復用裝置復用的激勵光和檢測光導向輻射透鏡。
            在本發明的第二方面,優選地,利用在兩個梯度折射率柱形透鏡之間形成的多層電介質薄膜濾光器,通過反射激勵光和檢測光中的一種并透射激勵光和檢測光中的另一種,雙波長復用裝置將激勵光和檢測光復用在一起,其中梯度折射率柱形透鏡是串聯連接在一起的。
            附圖簡述

            圖1示意性地示出了根據本發明第一實施例的微化學系統的結構圖;圖2示意性地示出了根據本發明第二實施例的微化學系統的結構圖;圖3是用于解釋熱透鏡原理的視圖;圖4A和4B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測光在激勵光傳播的方向上的焦點位置的視圖;具體地;圖4A示出了一種物鏡具有色像差的情況;圖4B示出了一種物鏡不具有色像差的情況;圖5A和5B是用于解釋熱透鏡的形成位置和檢測光在激勵光傳播的方向上的焦點位置的視圖;具體地;圖5A示出了一種在比檢測光的焦點位置更靠近物鏡處形成熱透鏡的情況;圖5B示出了一種在比檢測光的焦點位置更遠離物鏡處形成熱透鏡的情況;圖6是用于解釋傳統的光熱轉換分析儀中,用于檢測熱透鏡的折射率的變化的方法的視圖,并示出了將凹透鏡設置在光路中,以使得檢測光成為發散光,從而檢測光的焦點位置遠離激勵光的焦點位置的情況。
            本發明最優實施方式下面將結合附圖詳細說明根據本發明的實施例的微化學系統。
            圖1示意性地示出了根據本發明第一實施例的微化學系統的結構圖。
            在圖1中,微化學系統1具一個有光纖單元10,該光纖單元具有內置的透鏡(在下文中稱為“光纖單元10”)。光纖單元10包括一個位于管104內的前端的用作物鏡的梯度折射率柱形透鏡102(圖1的下部),和一個光纖101,用于單模傳播激勵光和檢測光,該光纖單元從管的后端插入到管104中(圖1的上部)。光纖101的插入端與梯度折射率柱形透鏡102的一端相連接。
            此外,將一個外徑與梯度折射率柱形透鏡102的外徑相同的金屬環103,套在光纖單元10中管104的內部的上述梯度折射率柱形透鏡102端面上。金屬環103是用于使光纖101的外徑與梯度折射率柱形透鏡102的外徑相同,如此安裝光纖101使其穿過金屬環103。光纖101由金屬環103固定在適當的位置上,梯度折射率柱形透鏡102和金屬環103固定在管104的內部。這里,光纖101和梯度折射率柱形透鏡102可以彼此緊密地接觸,或者在它們之間也可以有間隙。利用夾具30將光纖單元10固定在適當的位置上,使得從光纖單元10出射的光垂直地入射到帶有通道的板形元件20上,如下面所描述的。
            梯度折射率柱形透鏡102是一個透明的圓柱形透鏡,并設置成使得其折射率從透鏡的中心軸位置沿徑向方向連續地變化,該中心軸沿該柱形透鏡地縱向方向延伸。這種柱形透鏡公知為一種會聚光透射體,從而在徑向方向距離中心軸為r的位置處的折射率n(r)可近似由r的二次方程給出,n(r)=n0{1-(g2/2)×r2},其中n0表示中心軸線處的折射率,g表示二次分布常數。
            如果梯度折射率柱形透鏡102的長度z0選擇在0<z0<π/2g范圍內,那么即使梯度折射率柱形透鏡102端面都是平的,梯度折射率柱形透鏡102將與一個常用的凸透鏡的成像構成特性相同;當平行的光束入射到梯度折射率柱形透鏡102上時,在與梯度折射率柱形透鏡102的端面距離s0的位置處形成一個焦點,光束從該端面射出,其中s0=cot(gz0)n0g。
            例如,這種梯度折射率柱形透鏡102可以按如下方法制得。
            具有扁平端面的玻璃圓柱體是由玻璃制成的,該玻璃的主要成份為57-63mol%的SiO2,17-23mol%的B2O3,5-17mol%的Na2O,和3-15mol%的Tl2O,然后在一種離子交換介質例如硝酸鉀鹽中處理該玻璃圓柱體,從而在玻璃中的鉈離子和鈉離子與離子交換介質中的鉀離子之間進行離子交換,這樣在玻璃圓柱體中產生了折射率分布,其中折射率從圓柱體的中心向外連續降低。梯度折射率柱形透鏡就是這樣制成的。
            因為梯度折射率柱形透鏡的底部是平的,所以很容易安裝在光纖101的端面上,而且梯度折射率柱形透鏡的光軸和光纖101的光軸易于彼此對齊。此外,由于梯度折射率柱形透鏡是圓柱形的,因此光纖單元10也能容易制成圓柱形。從而可以非常容易地利用夾具30夾緊光纖單元10。
            如此使用一個只有一種傳播模式的單模光纖作為光纖101,以使得當利用光熱轉換光譜分析方法在試樣溶液中檢測非常小量的溶劑時,激勵光能盡可能地變窄,從而增加在光熱轉換中利用的能量,而且由激勵光產生的熱透鏡幾乎沒有色像差。
            從單模光纖101射出的光總是具有高斯(Gaussian)分布,因此激勵光的焦點在尺寸上會很小。此外,在由激勵光產生的熱透鏡的尺寸很小的情況下,為了使經過熱透鏡的檢測光的量盡可能地高,最好是也使檢測光盡可能地變窄。從這一點來看,最好是光纖能以單模傳播激勵光和檢測光。
            可以使用任何形式的光纖作為光纖101,只要它能夠透射激勵光和檢測光。然而,在使用多模式的光纖的情況下,出射光將不具有高斯分布,而且出射光的圖樣將隨著不同的情況例如光纖101的曲率的狀態而發生變化,因此不能夠獲得穩定的出射光。對非常小量的溶劑進行測量將十分困難,而且測量值可能缺乏穩定性。因此最好是光纖10為上述單模光纖。
            在與光纖101的插入端相對的光纖的另一端附近,設置有一個激勵光源105,用于輸出用以激勵試樣溶液的激勵光,一個檢測光源106,用于輸出檢測光,該檢測光被輻射到試樣上以檢測信息以對試樣溶液進行分析等,一個調制器107,用于調制激勵光,一個雙波長復用裝置108,用于將引入到光纖101中的激勵光和檢測光復用在一起。
            雙波長復用裝置500具有兩個梯度折射率柱形透鏡501和502。梯度折射率柱形透鏡501和502彼此具有大概相同的總長度。梯度折射率柱形透鏡501和502被串聯地固定在一起,每個透鏡的一個端面連接在一起。一個如下面描述的薄膜干涉濾光器503形成于這兩個端面之間。(梯度折射率柱形透鏡501和502)激勵光源105通過光纖505與梯度折射率柱形透鏡501的一個端面(此處稱為“進入端面504”)連接。光纖505連接在偏離進入端面504的中心的位置處。光纖101的一端也連接在進入端面504。此外,檢測光源106通過光纖508與梯度折射率柱形透鏡502的一端連接。光纖508連接在偏離該端面中心的位置處。
            梯度折射率柱形透鏡501的總長度大概是進入偏心軸的光束的曲線長的1/4。薄膜干涉濾光器503包括多層電介質薄膜,并利用薄膜形成方法例如濺蝕制得。該薄膜干涉濾光器503具有可將經過光纖505的激勵光反射,但是將經過光纖508的檢測光透射的特性。
            使用這種雙波長復用裝置500,從光纖505射出的激勵光光束從進入端面504進入梯度折射率柱形透鏡501,其中激勵光來自激勵光源105通過光纖505傳播。該光束即為光束506,當該光束506蜿蜒通過梯度折射率柱形透鏡501時,該光束506的直徑將增大,然后光束506射到薄膜干涉濾光器503上。在薄膜干涉濾光器503處該光束被反射,變成光束507,然后該光束507進入光纖101。
            另一方面,從檢測光射向光纖508的光束進入梯度折射率柱形透鏡502,其中檢測光通過光纖508傳播,然后當該光束509蜿蜒前行時,該光束直徑增大,接著光束509射到薄膜干涉濾光器503上。該光束509穿過薄膜干涉濾光器503,就變成光束507,與激勵光一起進入光纖101。
            如上所述,雙波長復用裝置500只包括兩個固定在一起的梯度折射率柱形透鏡501和502,以及這兩個透鏡之間的薄膜干涉濾光器503,該薄膜干涉濾光器是一個多層的電介質薄膜;元件的數量如此之少,而且所有的元件都能固定在一個位置上,因此在雙波長復用裝置500中激勵光和檢測光幾乎不會損失,并可以為長期使用提供穩定性,從而測量靈敏度和穩定性得到了提高。此外,雙波長復用裝置的尺寸可以非常的小,這樣微化學系統也能以小尺寸制造。
            由雙波長復用裝置500復用的激勵光和檢測光經過光纖101,進入光纖單元10,然后從梯度折射率柱形透鏡102射出。由梯度折射率柱形透鏡102射出的光束垂直地入射到帶有通道的板形元件20上。該帶有通道的板形元件20在其中具有通道204,試樣溶液可從通道中流過,該板形元件包括三個頂部彼此粘結的玻璃基片201、202和203。當進行混合、攪拌、合成、分離、提取、檢測等類似過程時,在玻璃基片202上形成供試樣溶液流過的通道204。
            考慮到耐用性和耐化學性,帶有通道的板形元件20的材料最好是玻璃。尤其是,考慮到使用生物試樣例如在DNA分析中使用細胞試樣,優選具有良好的耐酸性和耐堿性的玻璃,尤其是硼硅酸玻璃、鈉鈣玻璃、鋁硼硅酸玻璃、石英玻璃或者類似的玻璃。然而如果相應的使用受到了限制,那么可以通過使用有機物質例如一種塑料作為替代品來制造帶有通道的板形元件20。
            可以用來將玻璃基片201、202和203粘結在一起的粘合劑的例子包括有機粘合劑,例如丙烯酸粘合劑、環氧樹脂粘合劑,和無機粘合劑;粘合劑可以是例如紫外光固化型的、熱固型的或者雙液體固化型的。可選擇的是,玻璃基片201、202和203可以利用熱熔解熔合在一起。
            用于檢測檢測光的光電轉換器401,和用于分離激勵光和檢測光并且選擇地只透射檢測光的波長的濾波器403設置在面向光纖單元10的位置,帶有通道的板形元件20設置在波長波器403和光纖單元10之間。為了使得只有部分的檢測光選擇地透射過去,還可以設置具有在其中形成有針孔的元件,使得針孔位于光電轉換器401的上游位置的檢測光的光路上。由光電轉換器401獲得的信號被輸送到鎖定放大器404中,執行與調制器107的同步,其中調制器107用于調制激勵光,然后由計算機405進行分析。
            根據本發明微化學系統1,將激勵光和檢測光進行復用的雙波長多路復用裝置500包括兩個尺寸非常小的梯度折射率柱形透鏡501和502;因此,微化學系統可以在尺寸上制作得很小。此外,梯度折射率柱形透鏡102與傳播激勵光和檢測光的光纖單元101的導向端(leading end)連接;從而,每次進行測量時不需要調節激勵光和檢測光的光軸和梯度折射率柱形透鏡102的光軸,此外也不需要用于將光軸和牢固的基板定位的夾具,因此能夠提高用戶的工作效率,并且微化學系統在尺寸上可以做得更小。
            從梯度折射率柱形透鏡102射出的激勵光的焦點位置必須在帶有通道的板形元件20的通道204中。梯度折射率柱形透鏡102不必與帶有通道的板形元件20相接觸,但是在梯度折射率柱形透鏡102與帶有通道的板形元件20相接觸的情況下,可以通過帶有通道的板形元件20的上部玻璃基片201的厚度來調節梯度折射率柱形透鏡102的焦點位置。在上部玻璃基片201的厚度不足的情況下,可以在梯度折射率柱形透鏡102和上部玻璃基片201之間插入用于調節焦點距離的墊片(spacer)。在以這種方式將激勵光的焦點位置預先固定在帶有通道的板形元件20的通道204中的情況下,就不需要后續調節焦點距離,從而微化學系統在尺寸上可以制作得更小。
            梯度折射率柱形透鏡102設置成使得檢測光的焦點位置相對于激勵光的焦點位置略微移動了一個量ΔL(參見圖4A)。
            共焦長度Ic(nm)由Ic=π×(d/2)2/λ1給定。其中d表示艾里斑的直徑(NIARII disk),并且d由d=1.22×λ1/NA給定,λ1表示激勵光的波長(nm),NA表示梯度折射率柱形透鏡102的數值孔徑。在使用光纖的情況下,從光纖射出的光的數值孔徑很小,因此當使用具有大數值孔徑的柱形透鏡時,數值孔徑就被用在共焦長度的計算中。
            上述ΔL值根據待測量的試樣的厚度改變。當在一個具有小于共焦長度的厚度的試樣上進行測量時,ΔL最好是等于3×Ic.]]>該ΔL值表示檢測光的焦點位置和激勵光的焦點位置之間的差值,因此無論檢測光的焦點位置是長于還是短于激勵光的焦點位置其結果都是一樣的。
            如果將光纖的導向端做成球形或類似的形狀來制作透鏡,就能夠使激勵光和檢測光變窄,而無需在光纖的導向端安裝單獨的透鏡。然而,在這種情況下,幾乎沒有任何色像差,因此激勵光和檢測光的焦點位置幾乎彼此重合。這樣就有幾乎檢測不到熱透鏡的信號的問題。此外,通過處理光纖的導向端而制成的透鏡會引起其它的像差變大,因此會產生激勵光和檢測光的焦點變大的問題。因此在本實施例中將梯度折射率柱形透鏡102設置在光纖101的導向端。
            圖2是示意性地示出了根據本發明第二實施例的微化學系統的結構圖。
            在圖2中,對于根據第二實施例的微化學系統2而言,與根據第一實施例的微化學系統1中的組成元件和部件相對應的部分,由與微化學系統1中相同的標號來表示,這里省略了對這些組成元件和部件的說明。
            在根據本實施例的微化學系統2中,雙波長復用裝置600不同于根據第一實施例的微化學系統1中的雙波長復用裝置500。該雙波長復用裝置600具有與雙波長復用裝置500不同的結構,在雙波長復用裝置500中的薄膜干涉濾光器是一個設置在兩個梯度折射率柱形透鏡501和502的端面之間的多層電介質薄膜,而在雙波長復用裝置600的結構中,激勵光和檢測光都是經過光纖101傳播,然后使用準直儀110校準,接著使用多層電介質薄膜濾光器111將激勵光和檢測光復用在一起。
            使用根據本實施例的微化學系統2,激勵光和檢測光都是經過光纖傳播,并使用準直儀110校準,然后使用多層電介質薄膜濾光器111進行復用。這樣雙波長復用裝置的尺寸比第一實施例的微化學系統中的復用裝置的尺寸略微大些。然而,將校準后的光進行復用,因此很容易對光軸校直,從而能夠容易地制造產生更低損失的雙波長復用裝置。
            工業實用性如上所述,根據本發明的微化學系統,分別使用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵光和檢測光引入光導光纖系統。因此,能夠將激勵光和檢測光精確地引入光導向光纖系統。此外,被引入光導光纖系統的激勵光和檢測光通過雙波長復用裝置進行復用,然后經由光導光纖導向輻射透鏡。這樣,激勵光和檢測光總是彼此同軸。此外,不存在通過開放空間引導激勵光和檢測光的情形,因此光軸不會由于環境的變化例如溫度的變化發生移動。這樣能夠高靈敏度地進行測量。此外,不需要調節激勵光和檢測光的光軸,從而提高用戶的工作效率。而且,不需要用于調節光軸的夾具等,從而微化學系統在尺寸上可以制作得更小。
            根據本發明的微化學系統,通過雙波長復用裝置將激勵光和檢測光復用,即根據光的波長反射或者透射光。因此,結構簡單,并容易減小尺寸,從而微化學系統在尺寸上可以制作得更小。
            根據本發明的微化學系統,雙波長復用裝置包括兩個連接在一起的梯度折射率柱形透鏡,和設置在這兩個透鏡之間的多層電介質薄膜濾光器,該薄膜濾光器反射激勵光和檢測光中的一種并透射激勵光和檢測光中的另一種。因此雙波長復用裝置在尺寸上變得非常小,從而微化學系統在尺寸上可以制作得更小。此外,在雙波長復用裝置中的激勵光和檢測光幾乎沒有損耗,并具有長期使用的穩定性,因此,能夠提高測量靈敏度和穩定性。
            根據本發明的微化學系統,多層電介質薄膜濾光器形成在梯度折射率柱形透鏡上。因此不需要將梯度折射率柱形透鏡與多層電介質薄膜濾光器結合起來,該薄膜濾光器與梯度折射率柱形透鏡是分開的,所以制造起來很容易。此外,用于將梯度折射率柱形透鏡與多層電介質薄膜濾光器結合起來的夾具也不是必需的,從而微化學系統在尺寸上可以制成為更小的。此外,用于反射的表面的數量減少了,這就進一步減少了激勵光和檢測光的損耗,因此能夠進一步提高測量靈敏度和穩定性。
            根據本發明的微化學系統,光纖以單模傳播激勵光和檢測光。因此由激勵光形成的熱透鏡幾乎沒有像差,于是能夠進行更加精確的測量。
            根據本發明的微化學系統,輻射透鏡固定在光導光纖的一端,激勵光和檢測光從該光導光纖射出。因此激勵光、檢測光和輻射透鏡的光軸都被固定。這樣能夠進行更加精確的測量。此外,調節光軸不是必需的,因此進一步提高了用戶的工作效率。此外,用于調節光軸的夾具等等也不是必需的,從而微化學系統在尺寸上可以制作得更小。
            根據本發明的微化學系統,激勵光和檢測光具有彼此不同的頻率,輻射透鏡具有色像差。因此,不必添加任何其它的光學系統,激勵光和檢測光的焦點位置就會彼此偏離。這樣微化學系統在尺寸上可以制作得更小。
            根據本發明的微化學系統,輻射透鏡是梯度折射率透鏡。因此,輻射透鏡在尺寸上可以制成為很小。這樣微化學系統在尺寸上可以做得更小。
            根據本發明的微化學系統,上述梯度折射率透鏡為圓柱形透鏡。因此,柱形透鏡的光軸能夠很容易地與光導光纖的光軸重合,而且柱形透鏡可以很容易地固定,因此制造和維修都很容易。
            如上所述,根據本發明的光熱轉換光譜分析方法,通過雙波長復用裝置復用的激勵光和檢測光以單模經過光導光纖傳播到輻射透鏡。因此,激勵光和檢測光總是彼此同軸的。此外,不存在通過開放空間引導激勵光和檢測光的情形,因此光軸不會由于環境的變化例如溫度的變化發生移動。這樣能夠高靈敏度地進行測量。此外,不需要調節激勵光和檢測光的光軸,從而提高用戶的工作效率。
            根據本發明的光熱轉換光譜分析方法,雙波長復用裝置將激勵光和檢測光復用,即通過使用多層電介質薄膜濾光器反射激勵光和檢測光中的一種并透射激勵光和檢測光中的另一種,其中薄膜濾光器設置在兩個連接在一起的梯度折射率柱形透鏡之間。因此,在雙波長復用裝置中的激勵光和檢測光幾乎沒有損耗,并且可以穩定地長期使用。因此,能夠提高測量靈敏度和穩定性。
            權利要求
            1.一種微化學系統,包括一個用于輸出激勵光的激勵光源;一個用于輸出檢測光的檢測光源;一個光導光學系統,用于對激勵光和檢測光進行合并和導向;一個輻射透鏡,用于將由所述光導光學系統導向的激勵光和檢測光輻射到試樣上;一個檢測裝置,用于檢測經過由激勵光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測光,以及一個分析裝置,用于根據檢測到的檢測光分析試樣,其特征在于還包括第一光引入光纖,其將從所述激勵光源輸出的激勵光引入到所述光導光學系統;第二光引入光纖,其將從所述檢測光源輸出的檢測光引入到所述光導光學系統;在所述光導光學系統中設置一個雙波長復用裝置,用于將由所述第一光引入光纖和所述第二光引入光纖引入的激勵光和檢測光復用在一起;以及一光導光纖,用于將復用的激勵光和檢測光導向到所述輻射透鏡上。
            2.如權利要求3所述的微化學系統,其特征在于所述雙波長復用裝置具有按照光的波長反射或透射光的多層薄膜,其中在由所述多層薄膜反射和透射的光束之間的邊界位置處的光的波長介于激勵光的波長和檢測光的波長之間。
            3.如權利要求2所述的微化學系統,其特征在于所述雙波長復用裝置包括兩個串聯連接在一起的梯度折射率柱形透鏡,和多層電介質薄膜濾光器,該濾光器是由電介質制成的所述多層薄膜,所述薄膜濾光器形成在所述兩個連接在一起的梯度折射率柱形透鏡的表面。
            4.如權利要求3所述的微化學系統,其特征在于所述多層電介質薄膜濾光器形成在所述梯度折射率柱形透鏡上。
            5.如權利要求1所述的微化學系統,其特征在于所述光導光纖以單模傳播激勵光和檢測光。
            6.如權利要求1所述的微化學系統,其特征在于所述輻射透鏡固定在所述光導光纖的端部,其中激勵光和檢測光從所述光導光纖射出。
            7.如權利要求1所述的微化學系統,其特征在于激勵光和檢測光具有彼此不同的頻率,且所述輻射透鏡具有色象差。
            8.如權利要求1-7所述的微化學系統,其特征在于所述輻射透鏡是梯度折射率透鏡。
            9.如權利要求8所述的微化學系統,其特征在于所述梯度折射率透鏡是圓柱形透鏡。
            10.一種光熱轉換光譜分析方法,包括經由輻射透鏡將激勵光和檢測光輻射到試樣上,通過檢測經過由激勵光輻射試樣而形成的熱透鏡的檢測光來分析試樣;其特征在于分別利用第一光引入光纖和第二光引入光纖將激勵光和檢測光引入到雙波長復用裝置,該復用裝置對兩種不同波長的光進行復用,然后利用單模的光導光纖將由雙波長復用裝置復用的激勵光和檢測光導向輻射透鏡。
            11.如權利要求10所述的光熱轉換光譜分析方法,其特征在于雙波長復用裝置,通過利用在兩個梯度折射率柱形透鏡之間的多層電介質薄膜濾光器,反射激勵光和檢測光中的一種并透射激勵光和檢測光中的另一種,將激勵光和檢測光復用在一起,其中梯度折射率柱形透鏡是串聯連接在一起的。
            全文摘要
            一種微化學系統,根據該系統可以進行高靈敏度的測量。微化學系統1包括一個雙波長多路復用裝置,其中梯度折射率柱形透鏡501和502在其端面連接在一起,以及在這兩個端面之間形成的一個多層電介質薄膜濾光器503。利用雙波長復用裝置將激勵光和檢測光復用在一起,然后激勵光和檢測光以單模經過光纖101導向光纖單元10。該光纖單元10具有內置于其中在其導向端的梯度折射率柱形透鏡102,然后激勵光和檢測光經過梯度折射率柱形透鏡102輻射到試樣上。
            文檔編號G01N37/00GK1575414SQ0282093
            公開日2005年2月2日 申請日期2002年9月13日 優先權日2001年10月22日
            發明者山口淳, 服部明彥 申請人:日本板硝子株式會社
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