[发明专利]具有欠充满光纤样品接口的光学分光计

说明书

本发明提供一种光学装置，该光学装置包括一个会聚透镜装置、一个透射光纤、一个样品架、以及一个接收光纤。该会聚透镜装置将光聚焦到该透射光纤上，该透射光纤经由入射面接收该聚焦的光并且使从出射面离开的光透过样品并且到达该接收光纤上。该样品架固持该用于分析的样品。该接收光纤经由该接收光纤的入射面接收透过样品之后的光。该会聚透镜装置经定位以将光聚焦到该透射光纤的入射面上，使得到达该透射光纤的入射面的该聚焦的光的角分布的一个半角被选择为在空间维度和角维度中欠充满该接收光纤的入射面的入射孔径。

本申请是国际申请号为PCT/US2012/040219，国际申请日为2012年05月31日，进入中国国家阶段的申请号为201280033788.5，名称为“具有欠充满光纤样品接口的光学分光计”的发明专利申请的分案申请。

背景技术

光学分光计测量一个或多个波长下的光的强度以确定样品(通常是液体样品)的某些特性。将光导引通过样品，并且将一个或多个波长下的输出光的强度与一个或多个波长下的输入光的强度进行比较以确定样品的特性，例如吸光率、透射率、荧光性和/或反射率，其中光通常在紫外(UV)和/或可见(Vis)波长范围中，但是也可以使用其他波长范围，包括近红外(NIR)和红外(IR)波长范围。测出的特性提供了关于样品内的组分的身份、它们的相对浓度、可能还有样品的其他特征的信息。光学分光计正越来越普遍地用于分析小试样，例如在生物技术和药物学领域中基于它们的价值而具有两微升(μl)或两微升以下的体积的那些小试样，在生物技术和药物学领域试样的可用量通常倾向于非常有限。

在光谱学中，可以使用光纤使光透过样品，以便分析样品的组成。光纤可包括单根纤维或一束多根纤维。光纤典型地由被具有较低折射率的透明包覆材料环绕的透明芯组成。光通过全内反射而保持在芯中，从而使纤维充当波导。存在与光纤轴线所成的最大角，光可以按照该角从光纤的入射面进入、在纤维的芯中传播、并且从光纤的出射面离开。此最大角的正弦值是光纤的数值孔径(numerical aperture(NA))。由于该最大角，透射到光纤中的光的不同分布可以导致来自该光纤不同的强度测量值。

发射点大小是来自光源的光所照射的光纤面的面积。发射点的直径取决于光源的大小和定位以及光源与光纤的入射面之间的光学元件(例如透镜)的性质。角分布是来自光学光源的、入射在光纤的入射面上的光的角范围。角分布还取决于光源的大小和定位以及光源与光纤的入射面之间的光学元件的性质。其结果是，关于光纤，由光源以及任何介入的光学元件创造的并且进入光纤中的光分布可以被定义为光在四个自由度下的统计分布，该四个自由度中两个是空间自由度并且两个是角自由度。

典型地，多模光纤发射条件的特征为欠充满或过充满。欠充满光纤将大部分的光功率集中在光纤的中心。当发射芯的直径和角分布小于光纤芯的直径和角分布时，发生欠充满发射。

UV-Vis光谱法一般测量在紫外-可见光谱范围中样品的吸光率或反射率，并且因此使用可见和相邻(近UV和NIR)范围中的光。可见范围中的吸光率或反射率直接影响所涉及化学品的所感知颜色。比尔-朗伯定律规定样品的吸光率与样品中的吸光物质的浓度以及路径长度成正比。因此，对于固定的路径长度，UV/Vis光谱学可用于确定样品中的吸光物的浓度。需要知道吸光率随样品中的吸光物的浓度变化的速度。作为实例，这可以从参考资料(摩尔消光系数表)中取得或者使用校准曲线来确定。

光学分光计测量穿过样品的光的强度并且将它与穿过样品之前的光强度进行比较。该比率被称作透射率。可以使用各种光源来进行光谱法，例如UV-Vis光谱法，但是基于样品中待识别的组份的类型来选择光源的波长。例如，光学分光计可以利用发光二极管(LED)或各种不同类型的灯，例如钨丝、氘弧光灯和氙弧光灯等，作为光源。