[实用新型]一种时间分辨的光谱和寿命测量模块及装置

说明书

本专利公开一种时间分辨的光谱和寿命测量模块，该模块使用电机驱动受激发的样本在空间旋转，使不同延迟时间的发光信号在空间上分离，再通过透镜对微小空间进行放大，并选择特定的空间域进行观测，可以实现时间分辨的检测。将该模块和图像传感器结合使用，可以实现激发态寿命的测量；将该模块和光谱仪结合使用，可以用于时间分辨的光谱检测。根据光学成像的分辨率和现有电机的转速，该装置的时间分辨率可以达到纳秒级，可以满足大多数荧光寿命的测量。该方法可以使用各任意波长的稳态的光源测量激发态的寿命，不需要昂贵的脉冲光源和探测器、以及锁相控制，具有较低的成本。

技术领域

本发明涉及时间分辨的光致发光的光谱和寿命测量方法及相关仪器装置的制造和应用。属于光学仪器制造和仪器分析领域。

背景技术

在光致发光现象中，分子受光照激发跃迁到激发态，激发态的分子可通过释放光子回到基态，即分子的荧光或磷光。分子的激发态存在寿命，即激发态的分子要在过一段时间之后才释放光子回到基态，且不同分子的激发态寿命各不不同，分子激发态寿命越长，其发光持续时间越长。通常情况下，分子的荧光寿命在纳秒级，磷光寿命可以达到微秒级以上。延迟荧光分子，其寿命也可以达到微秒级甚至毫秒级。

在荧光和磷光的测量中，一般需要构建两个光路：光路一是激发光路，即激发光照射样品的光路，其目的是使样品中的分子受光照激发；光路二是探测光路，即样品发光到达探测器的光路，其目的是探测样品发光的光谱、强度等信息。在稳态的测量过程中，光路一和光路二同时打开，即激发光一直照射样品的条件下测量，这种方式可以获得样品发光光谱和强度的信息，但是不能得到样品激发态寿命的信息。

随着科学的发展，分子的激发态研究在基础科学和检测应用中越来约重要。为了获得分子激发态寿命的信息和时间分辨的光谱，人们发展了瞬态光谱仪。瞬态光谱仪，包括瞬态吸收和瞬态荧光光谱仪，在光物理光化学的研究中有重要应用。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）为了实现时间分辨的测量，通常需要在关闭激发光路之后打开探测光路，即在停止激发后，测量样品的发光。基于这样的思路，人们发展了许多测量延迟发光的方法和仪器。（参考专利公开说明书CN201310392018.6、CN200510092520.0、CN201180017387.6、CN201110005032.7等。）其中比较常用的方法是采用脉冲光源激发，一个周期中，光照时间很短，其余时间的发光信号即为延迟发光信号；利用时间相关的单光子计数器可探测样品发光强度随时间变化的曲线。另外一种常用的方法也是采用脉冲光源，用具有门控功能的高速相机（ICCD）、条纹相机等探测延迟发光信号。这些超快光源和高速相机的价格非常昂贵（参考中国专利CN201410353200.5、CN201310694918.6、CN201310027775.3），很难普及。

为此，人们发展了一些检测方法以降低时间分辨检测的成本。例如，专利US6839134B2、CN205080051U和CN106066317A公开了使用一个斩波器同时控制激发光路和探测光路的方法，不使用激光器、高速相机、TTL控制也可以实现延迟发光的探测。

然而就公开的技术中，现有的机械斩波器的转速在200转/秒以下，尽管一些研究中的电机转速可以达到2000转/秒以上，但是其负载有限，限制了基于电机旋转的时间分辨检测方法的时间分辨率，对于激发态寿命在微秒级以下的材料还难以检测。

专利（CN201710042628.1）公开了一种用于流体延迟发光的探测方法，借助流体的运动以转移样本的位置，实现时间分辨的检测，然而流体的流速有限，需要很大的压力和很细的管道实现流体的高速流动，这种方法还难以实现微秒延迟的探测。

专利（CN201711110647.X）公开了一种使用图像传感器测量寿命的方法，不需要脉冲和锁相控制，具有超低的成本，然而在现有电机技术情况下，其时间分辨率很难达到微秒以下。

发明内容