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采用普通荧光灯激发荧光染料

                                                     采用普通荧光灯激发荧光染料

                                                 戴 敬,迟 峰,马 斌,张 辉,范 红

                                     (沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168)

       摘要:目的研究普通三基色荧光灯光谱特性,并以此激发用于生化分析及微流体示踪中的荧光染料.方法分析了普通家用三基色节能荧光灯的光谱图,并用自制塑料滤光片滤光后获取其中的一个谱带,作为荧光染料的激发光源,用来激发罗丹明B染料和荧光微粒.结果普通家用三基色节能荧光灯的发射光谱中包含423 nm、550 nm和623 nm 3个谱带;滤光后得到550 nm光谱,经CCD摄像机测试,此光谱强度2 h内波动小于1·83%,具有较好的光强度稳定性;此光谱激发罗丹明B染料和荧光微粒,实验证明可以得到较强的荧光图像.结论普通三基色荧光灯热辐射小,价格便宜,对实验环境的周围温度影响小,可用于荧光检测和微流体示踪实验中.

      关键词:三基色荧光灯;激发荧光;罗丹明B;荧光微粒;荧光染料

      中图分类号:O433·2   文献标识码:A   

    荧光染料作为一种指示剂在生物医学[1-2]、微流体力学[3-5]等领域中应用极其广泛.荧光染料分子在一定的激发光照射下可以发射出比激发光波长更长的荧光[6],从而可以反映出所指示物质的状态、运动速度、运动轨迹、温度等信息,这对实验结果的获取、预测、实验条件的优化等具有重要的实际意义.

      常用来激发荧光染料的激发光源为激光器和高压汞灯.激光器具有较好的单色性和稳定性,且强度高,包括从紫外光到红外光各种波长型号.但普通的激光器光斑较小,一般直径约为几十μm,要激发直径mm级或更大区域的荧光,则需要加入散射装置来扩大照射面积,使系统的结构变得复杂.另外激光器价格较高,尤其是波长较短、功率较大的激光器.高压汞灯可以辐射404·7 nm、435·8 nm、546·1 nm和577·0~579·0 nm的可见谱线以及365·0 nm的长波紫外线,而且光强度大,适用范围宽,因而在荧光实验中应用很普遍.但它发光的原理是较大的放电电流产生热量使电弧管内汞蒸气升压,电弧收缩并产生电离激发,形成放电管中电子、原子和离子间的碰撞而发光[7],因而汞灯电源的温度很高,对实验环境的温度影响较大.另外,人们也在探索用半导体发光二极管来激发荧光,并且已取得了一定的成果[8],但是发光二极管的发光强度较弱,因而在多数情况下仍难以满足需求.笔者初步探讨了利用普通的家用三基色节能荧光灯激发荧光染料的可行性,讨论了荧光灯的光谱特性及光强度的稳定性,以及在一定实验条件下激发罗丹明B荧光染料及荧光微珠的荧光图像.

1 实 验

1·1 仪器和试剂

       仪器:CCD摄像机,黑白,1/2英寸, 768×576像元面阵,采集速率为25 f/s,MTV-12V1C-EX,(敏通公司);黑白图像采集卡,M10M型,8位,(嘉恒中自图像技术有限公司);普通三基色节能荧光灯,三基色谱带的中心波长分别为423nm,550 nm和623 nm,(功率为18 W,3U型,Philips上海公司);显微镜支架,镜臂带调焦滑轮,镜头焦距可调(18~108 mm),(Cole-Parmer公司49900-30型显微成像系统组件,CA,美国);组合X-Y二维移动平台(卓立汉光公司);自制塑料滤光片组,其中激发光滤光片为带通滤光片,470~570 nm通过,中心波长547 nm,发射光滤光片为截止滤光片,大于576 nm通过;自制的玻璃微流控芯片,芯片通道宽度分别为102μm和500μm.

       试剂和溶液配置:罗丹明B荧光染料(分析纯,北京化工厂,北京),激发光谱带的中心波长为550 nm,配置成0·4 mmol/L的水溶液使用;1·0μm粒径的荧光微粒(Molecular Probes公司,OR,美国),激发光波长的峰值λabs=540 nm,发射荧光波长的峰值λemit=560 nm,实验时将其用纯水稀释至1/20后使用;实验用水均为18 MΩ高纯水.

1·2 荧光图像采集系统构成

      荧光图像采集系统的构成如图1所示.

                        

      实验时为了获得较大的视场,采用焦距可调、具有CCD摄像机接口的体式显微镜支架直接同CCD摄像机相连,在显微镜支架的底座上固定好组合二维移动平台,用来放置微流控芯片及调整芯片位置.为了使采集的荧光强度图像具有均匀的背景,在组合平台上粘一片颜色均匀的黑色塑料胶片.三基色节能荧光灯直接安装在具有筒状灯罩的灯座上,在灯罩的前端用双面胶固定好滤光片.将灯座固定在显微镜的镜臂上,以保证激发光源位置稳定.图像采集卡直接插在计算机主板的PCI插槽上,CCD摄像机经同轴电缆线同图像采集卡相连.在计算机上安装图像采集卡的驱动程序及图像采集程序(由图像采集卡的生产厂家提供).自制塑料荧光滤光片剪成合适大小直接放在CCD摄像机和显微镜的接口之间.

1·3 实验方法

      实验开始前接通荧光灯及CCD摄像机电源,运行图像采集程序,图像采集程序设为实时显示状态;在微流控芯片的通道中充满荧光染料溶液,将芯片置于X-Y二维操作平台上,调整X-Y平台,同时观察显示器屏幕,使被测区域处于视场中,调整显微镜焦距使通道的边沿达到最清晰后,开始采集荧光染料的荧光强度图像,并将其保存到计算机硬盘中.

2 实验结果与分析

2·1 普通三基色荧光灯的光谱特性

       实验中使用目前家庭中应用最广泛的电子节能荧光灯作为激发光源,该灯为三基色节能荧光灯,即荧光灯采用稀土三基色荧光粉涂覆,其发光效率高,热稳定性好,抗光衰,寿命长,所发射出的光谱是非连续的,有3个主要谱带,图2所示为实验中使用的三基色节能荧光灯的发射光谱图,3个谱带的中心波长分别为423 nm,550 nm和623nm.可以采用滤波的方式获取其中的一个谱带作为荧光染料的激发光源,实验中所使用的罗丹明B染料和荧光微粒的激发光都在550 nm左右,通过滤波后保留此谱带.

                     

2·2 滤光后的荧光灯光谱特性

       荧光灯是一种冷光源,它本身不发热,因而可以使用自制的塑料宽带滤光片滤掉不需要的谱带,而保留所需要的光谱.制作塑料滤光片比较简单,根据所要保留的光谱颜色选择相应的彩色墨水均匀地涂于打印胶片上,即可得到所需滤光片.如果所得到的滤光片滤光效果与期望值存在一定的偏差,可以将两种彩色墨水按一定比例调和后涂覆于打印胶片上,调整彩色墨水的混合比例来改变滤光片的滤光效果,最终达到与期望值一致.实验中用自制的宽带滤光片将三基色荧光灯的423 nm和623 nm谱线大部分滤掉,得到如图3所示的激发光谱.

                        

2·3 荧光灯的光强度稳定性

       为了了解荧光灯光强度的稳定性情况,对荧光灯光强度的噪声及漂移进行了测试.测试时用荧光灯照射一暗灰色玻璃,用CCD摄像机采集荧光灯照射的玻璃平面图像,在图像上任意选取一点作为测试点,CCD摄像机采集荧光灯接通电源后1 min、3 min、10 min、20 min和30 min时的图像,每次连续采集图像100幅(每隔0·2 s采集1幅图像,持续时间为20 s),在每幅图像的测试点处共取9个像素点(空间尺寸为55μm×55μm)的值进行平均来作为这一测试点的值,100幅图像中测试点灰度级的变化认为是由光源波动引起的,即20 s时间内荧光灯光强度的波动,实验结果如表1所示,可以看出,荧光灯接通电源1 min后的光强度就已经比较稳定了.

                      

       图4所示为荧光灯接通电源10 min后2 h内测试点光强度的变化曲线.2 h内每间隔1 min采集一次图像,每个测试值仍为9个像素点的平均值,2 h内荧光灯强度最大值为183(灰度值),最小为177,平均值为180·3,标准偏差为1·32,相对标准偏差0·7%, 2 h内波动小于1·83%.

                      

2·4 以荧光灯作为激发光源的荧光强度图像

       三基色荧光灯经滤光后得到550 nm光谱带,以此来激发罗丹明B溶液和荧光微粒. 0·4mmol/L的罗丹明B水溶液充满宽度为102μm的自制玻璃微流控芯片通道,经550 nm光谱激发后由CCD采集荧光图像,结果如图5(a)所示,可以看出,由普通荧光灯所激发出的荧光强度足够强,同背景相比,其间存在明显的差异.图5(b)所示为粒径1·0μm荧光微粒的荧光图像.荧光微粒水溶液注入宽度为500μm的玻璃微流控芯片通道内,并在注射器的推动下连续流动.以三基色荧光灯的550 nm光谱激发此荧光微粒溶液,经CCD摄像机连续采集荧光图像,可以明显地看到荧光微粒溶液在通道内流动的状况.图5(b)所示通道内絮状白点即为荧光微粒,通道外的气泡是玻璃微芯片封接过程中所产生的缺陷,缺陷位置不影响芯片的正常使用.此荧光激发装置和荧光微粒可用于微流体示踪.

                         

3 结 论

       实验中首次使用了普通的家用三基色荧光灯来激发荧光染料,并得到了较强的荧光图像.以此作为激发光源,价格低廉,容易得到,且具有使用寿命长、光效率高的优点.其热辐射非常小,对实验系统的环境温度几乎不会产生任何影响,因此可尝试用于激发罗丹明B染料进行流体温度测量[9-11].此外,三基色荧光灯的三个谱带,除了550 nm谱带可用外,还可根据需要通过适当的滤光得到红、蓝两个谱带.若对此进一步深入研究,则可望得到更多的应用.

参考文献:

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[10] Coolen M C J,Kieft R N,Rindt C C M,et al.Appli-cation of 2-D LIF temperature measurements in wa-ter using a Nd :YAG laser[J].Exp Fluids,1999,27:420-426.

[11] 戴敬,樊晓峰,方瑾,等.微流控芯片系统中测温及控温装置的研制[J].光谱学与光谱分析,2008,28(1):148-152.

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