光电检测读书笔记.docx

单粒子多通道的生物气溶胶荧光传感器一、研究背景过去的十年，环境可以被连续监测到存在潜在的有害生物气溶胶,在这些搜寻方法中，颗粒荧光方法已经得到了相当的关注。当包含生物有机体的主要生物荧光基团被射线激活时，内部粒子荧光可以用来帮助区分生物与非生物粒子，甚至可以提供生物颗粒间的差别，这些粒子是环境中的正常成分，而且可能会被认为是一种威胁。然而，由于来自生物荧光基团的荧光通常很微弱，在空气中的生物荧光基团数量很少，所以激活射线必须很强烈，而且激光器必须以这个目的来使用。比如在早前的系统中，多采用连续波激光器，尽管这些激光器体积大易碎，而且只针对重要的生物荧光基团的有效激发下产生的较长波长起作用，像色氨酸，最优应激出现在260—280nm波长范围内。因此，大量用于谐波分析的固体激光器获得广泛认可，比如四倍频的Nd-YAG激光器，同时拥有266nm的输出波长和比连续波气体激光器更小的波形因数。二、激光激发荧光系统（LIF）这些发现已经开始发掘LIF对于描述空气粒子和病原体的潜力。然而，固体调谐激光器各组成部分相对昂贵，系统中还要求多点检测和大范围追踪。因此，目前要在结构小巧和能量大并且能连续发出低于300 nm波长的半导体光源发展上做很大的努力。特别是开始于2002年的美国SUVOS（半导体紫外光源）计划，正在这个目标上有巨大收获，已经证实原始LED装置能够在毫瓦功率级发射280nm室温连续波。这些装置已经在生物传感器试验台进行了组装。过去的十年中，从现有已开发的粒子LIF系统公布的结果看，针对令人满意的繁衍和典型的个体生物粒子LIF记录，允许一个“荧光测定和捕获”的近似下限。这表明，一般情况下，粒子必须经过能量密度大于200-300μJ/cm2紫外激光照射，在获得的信号中，粒子每个球面度的荧光角能采集到足够的信噪比。在要求光谱信息具有高分辨率的场合下，能量密度必须按比例增加；例如，潘永乐[ 8 ]介绍了一种具有超过100个记录通道的荧光光谱仪，该种光谱仪所用的紫外激光能量密度为3×104μJ/cm2。就如同在毫秒级的时间内从Q调制固体激光器，或者像紫外发光二极管这样的连续波低功率源作用一样，我们要求紫外激光能量在几十纳秒的时间内传送给粒子。然而，在后一种情况，长时间保持聚焦的紫外线照射单一粒子存在问题（难度），而且这也违背整体气溶胶样品体积流量的原理。因此，尽管紫外发光二极管和极紫外二极管激光器为实际生物气溶胶荧光传感器提供了较好的前景，但在它们可以被纳入商业领域的检测系统之前，设备的输出功率和寿命必须增加。直到这种设备经常使用，替代低成本高功率的紫外光源满足需求才不那么迫切，才能满足以荧光为基础的生物气溶胶传感器在军事和民用场景的需求。微型氙闪光灯代表这样的更替，它有传递紫外激光能量到粒子的能力，并且作为宽带光源，它还为用于生物荧光最佳激发波长提供了选择。本文介绍了一种紧凑的低成本的原型气溶胶荧光传感器，采用两个这样的氙闪光灯记录两通道荧光数据，这两道荧光来自大小为1μm单个空气粒子，粒子速度可达7500个/分钟。三、单颗粒气溶胶荧光传感器，WIBS2这个系统原型是在双氙气宽光源生物传感器基础上描述的。双氙气宽光源生物传感器记录了许多来自体积在几个立方厘米的大样本中的粒子荧光辐射，它利用了光学过滤的氙气光源的周期性闪烁。像这样，同时多粒子照明大大简化了机械气流系统和光学检测系统，使整体传感器的成本非常低。但是，多个粒子同时激励会不可避免地导致荧光数据平均结果超过所有的粒子，虽然这对大致均匀的气溶胶无太大影响，但它损害了传感器区分低浓度有害生物粒子对较高浓度的背景颗粒的能力。单个粒子的检测需要避免此类情况。1、WIBS2的运行概况新型单粒子荧光传感器WIBS2采用一个中心光学腔，腔周围设有一个用于检测和分选颗粒（见2.4节）的660nm连续波长二极管激光器，两个在不同波段（见2.3节）发射脉冲的氙气紫外线光源，和两个荧光检测通道FL1和FL2（这两个通道用于两个波段的粒子的荧光检测）。因此，对每一个粒子来说，其大小的估计都用一个2x2的激发发射矩阵记录。图1WIBS2传感器的示意图和传感器实体，约（26x22x28）厘米大小?在操作中，气溶胶是从周围的气体通过层流输送系统引入的。当粒子在中心腔从二极管激光器穿过聚焦光束时，层流输送系统使悬浮颗粒基本上成单层排列。气溶胶总流量为4.5升/分钟，在注入新气溶胶流前，其中一部分以3.9升/分钟缓缓通过，形成一个鞘流限制剩余样品流过。气溶胶样品流和激光束的交叉点确定散射体（直径0.8mm和深度130μm），如图1所示。进入激光束的粒子会产生散射光信号，从散射信号的量级，粒子（球形物）尺寸可由Mie理论确定。图2氙气光脉冲叠加在散射体上的横截面（虚线椭圆）图2显示了散射体（虚线椭圆），从氙气光源