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(长江大学物理与光电工程学院 湖北荆州 434020)
摘要:在生物细胞检测领域,光学手段正发挥愈来愈重要的作用,其中,基于弹性散射光的光学检测方法可以在不引入外源介质的情况下,测量分析处于自然状态下的活细胞的内部结构分布及变化。和光强度角度分布探测方法相比,基于弹性散射光的测量方法具有光学系统简单,获取信号精度高等优势。其检测原理在于细胞内部的多种亚细胞器不仅呈颗粒状,而且具有与细胞质不同的折射率,因此能够使入射光产生弹性散射;通过测量入射激光在不同角度上的强度分布或某个固定角度上的光谱,即可完成细胞形态的检测。
关键词:散射光;光谱;实验;
一、光谱获取及分析的基本原理
(一)微米颗粒的背向弹性散射光谱特性
在不考虑光吸收的情况下,微米球形颗粒的背向散射光谱呈现规则的周期起伏。对于折射率与周围介质相近的颗粒,这种特征可以由Ray-leigh-Gans近似公式来理解:
其中:L为测量距离,k=2π/λ,V为颗粒体积,m为颗粒的相对折射率(接近于1),I0为入射光强度,θ为散射角,G(u)=3(sin u-ucos u)/u3,x=ka定义为尺度参数,a为颗粒半径。当θ≈180°时,光谱的周期性主要来自于G(2x)。一般颗粒的周期性需要通过Mie散射数值计算结果进行解读。这种特征性周期光谱结构使得利用弹性散射光谱获得超衍射极限分辨的颗粒尺度信息成为可能。
然而,在实际的光谱获取及分析中,θ实际上仍然存在一个小范围Δθ的波动,而且平均散射角θ并不一定严格等于180°,它們会对光谱分析产生一定的影响。
对于较小的颗粒即亚微米量级的颗粒,这种影响可以忽略;但对于较大的颗粒即微米量级的颗粒,这种影响比较明显。由式(1)可以推断:函数G取决于x与sinθ2的乘积,当x较大时,因θ变化产生的影响会比较大;另外,这也可以从Mie散射数值计算来加以理解。
比较了两种尺度不同的聚苯乙烯微球颗粒在水溶液中其微分散射系数随角度变化的Mie散射计算结果(即散射强度随角度的变化)。这里入射波长为600nm,而聚苯乙烯和水的折射率按照各自的色散关系取值。从图中可以看到,在θ=180°附近,直径d=0.5μm颗粒的光强度变化较为平缓,而d=5μm颗粒的光强度变化较为明显。图中纵轴取对数坐标。因为不同波长的光散射强度会不同,所以颗粒越大,在θ=180°附近处的光谱变化会越明显。
(二)基于光纤探头的光谱获取及分析
基于光纤探头的颗粒背向弹性散射光谱获取会因是否将光纤探头插入颗粒溶液中以及光纤探头的具体设计而有所不同。其基本原理,测量系统由一根传输光纤和一根收集光纤构成。光纤探头在颗粒溶液之外,距离溶液面测量高度为h1,为了避免收集到来自溶液面的镜面反射光,两根光纤都沿垂直方向旋转了一个角度β(一般取~25°)。
只有在两个光纤数值孔径(NA)重叠区域内的颗粒才能够被探测到。而颗粒的位置不同,其平均散射角(π-θ)(定义为两个光纤中心的张角)以及散射角范围Δθ(定义为每个光纤的张角)实际上也不同。但是,当:h2<>(ρ+η), (2)(其中:h2代表溶液厚度,ρ和η分别代表光纤的直径以及光纤的间距)时,可近似认为所有颗粒的θ和Δθ相同,分别为:
摘要:在生物细胞检测领域,光学手段正发挥愈来愈重要的作用,其中,基于弹性散射光的光学检测方法可以在不引入外源介质的情况下,测量分析处于自然状态下的活细胞的内部结构分布及变化。和光强度角度分布探测方法相比,基于弹性散射光的测量方法具有光学系统简单,获取信号精度高等优势。其检测原理在于细胞内部的多种亚细胞器不仅呈颗粒状,而且具有与细胞质不同的折射率,因此能够使入射光产生弹性散射;通过测量入射激光在不同角度上的强度分布或某个固定角度上的光谱,即可完成细胞形态的检测。
关键词:散射光;光谱;实验;
一、光谱获取及分析的基本原理
(一)微米颗粒的背向弹性散射光谱特性
在不考虑光吸收的情况下,微米球形颗粒的背向散射光谱呈现规则的周期起伏。对于折射率与周围介质相近的颗粒,这种特征可以由Ray-leigh-Gans近似公式来理解:
其中:L为测量距离,k=2π/λ,V为颗粒体积,m为颗粒的相对折射率(接近于1),I0为入射光强度,θ为散射角,G(u)=3(sin u-ucos u)/u3,x=ka定义为尺度参数,a为颗粒半径。当θ≈180°时,光谱的周期性主要来自于G(2x)。一般颗粒的周期性需要通过Mie散射数值计算结果进行解读。这种特征性周期光谱结构使得利用弹性散射光谱获得超衍射极限分辨的颗粒尺度信息成为可能。
然而,在实际的光谱获取及分析中,θ实际上仍然存在一个小范围Δθ的波动,而且平均散射角θ并不一定严格等于180°,它們会对光谱分析产生一定的影响。
对于较小的颗粒即亚微米量级的颗粒,这种影响可以忽略;但对于较大的颗粒即微米量级的颗粒,这种影响比较明显。由式(1)可以推断:函数G取决于x与sinθ2的乘积,当x较大时,因θ变化产生的影响会比较大;另外,这也可以从Mie散射数值计算来加以理解。
比较了两种尺度不同的聚苯乙烯微球颗粒在水溶液中其微分散射系数随角度变化的Mie散射计算结果(即散射强度随角度的变化)。这里入射波长为600nm,而聚苯乙烯和水的折射率按照各自的色散关系取值。从图中可以看到,在θ=180°附近,直径d=0.5μm颗粒的光强度变化较为平缓,而d=5μm颗粒的光强度变化较为明显。图中纵轴取对数坐标。因为不同波长的光散射强度会不同,所以颗粒越大,在θ=180°附近处的光谱变化会越明显。
(二)基于光纤探头的光谱获取及分析
基于光纤探头的颗粒背向弹性散射光谱获取会因是否将光纤探头插入颗粒溶液中以及光纤探头的具体设计而有所不同。其基本原理,测量系统由一根传输光纤和一根收集光纤构成。光纤探头在颗粒溶液之外,距离溶液面测量高度为h1,为了避免收集到来自溶液面的镜面反射光,两根光纤都沿垂直方向旋转了一个角度β(一般取~25°)。
只有在两个光纤数值孔径(NA)重叠区域内的颗粒才能够被探测到。而颗粒的位置不同,其平均散射角(π-θ)(定义为两个光纤中心的张角)以及散射角范围Δθ(定义为每个光纤的张角)实际上也不同。但是,当:h2<