CN113484248B - 一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及葡萄糖浓度检测技术，具体是一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法。本发明解决了现有旋光式葡萄糖浓度检测装置无法兼具高灵敏度和小体积的问题。一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，包括光源、起偏器、四镜谐振腔、检偏器、探测器、旋光管；其中，光源的出射端与起偏器的入射端正对；起偏器的出射端与四镜谐振腔的入射端斜对；四镜谐振腔的出射端与检偏器的入射端斜对；检偏器的出射端与探测器的入射端正对；旋光管设置于四镜谐振腔的谐振光路上。本发明不仅适用于葡萄糖浓度检测，而且适用于其它旋光物质浓度检测。
Description
技术领域
本发明涉及葡萄糖浓度检测技术，具体是一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法。
背景技术
葡萄糖浓度检测是食品分析技术的重要组成，也是人体健康监测的基础手段。在各种各样的葡萄糖浓度检测装置中，最常见的是利用葡萄糖的旋光效应制成的旋光式葡萄糖浓度检测装置。旋光式葡萄糖浓度检测装置通常包括光源、起偏器、旋光管、检偏器、探测器，其原理是根据旋光角度与葡萄糖浓度之间的线性关系(旋光角度与葡萄糖浓度的比值即为灵敏度)来进行葡萄糖浓度检测。在现有技术条件下，旋光式葡萄糖浓度检测装置由于自身结构所限，存在无法兼具高灵敏度和小体积的问题。具体而言，在现有旋光式葡萄糖浓度检测装置中，若要提高装置的灵敏度，则必需增加旋光管的长度。而一旦增加旋光管的长度，必然会造成装置的体积过大。基于此，有必要发明一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法，以解决现有旋光式葡萄糖浓度检测装置无法兼具高灵敏度和小体积的问题。
发明内容
本发明为了解决现有旋光式葡萄糖浓度检测装置无法兼具高灵敏度和小体积的问题，提供了一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，包括光源、起偏器、四镜谐振腔、检偏器、探测器、旋光管；其中，光源的出射端与起偏器的入射端正对；起偏器的出射端与四镜谐振腔的入射端斜对；四镜谐振腔的出射端与检偏器的入射端斜对；检偏器的出射端与探测器的入射端正对；旋光管设置于四镜谐振腔的谐振光路上。
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法(该方法是基于本发明所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：向旋光管中注入蒸馏水；
步骤二：打开光源，光源发出的光束经起偏器变成线偏振光束后入射到四镜谐振腔；入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被反射，小部分进入四镜谐振腔；进入四镜谐振腔的线偏振光束大部分沿着四镜谐振腔的谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管后出射，小部分直接透过四镜谐振腔和旋光管后出射；出射的线偏振光束部分透过检偏器后入射到探测器；通过探测器可以观测到线偏振光束的透射光强；
步骤三：将检偏器转动一周，并在转动过程中通过探测器观测透射光强的变化，由此确定透射光强的最小值；将透射光强达到最小值时检偏器的角度定义为起始角度θ0，然后关闭光源；
步骤四：先将检偏器转动至起始角度θ0，再将蒸馏水排空，然后向旋光管中注入标准浓度的葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器观测到的透射光强大于最小值；
步骤五：转动检偏器，并在转动过程中通过探测器观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器的角度定义为第一角度θ1，然后关闭光源；
步骤六：先根据第一角度θ1和起始角度θ0计算出第一旋光角度α1，再根据第一旋光角度α1计算出灵敏度k；具体计算公式如下：
α1＝θ1-θ0；
式中：C1表示标准浓度，且C1为已知量；
步骤七：先将检偏器转动至起始角度θ0，再将标准浓度的葡萄糖溶液排空，然后向旋光管中注入待测葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器观测到的透射光强大于最小值；
步骤八：转动检偏器，并在转动过程中通过探测器观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器的角度定义为第二角度θ2，然后关闭光源；
步骤九：先根据第二角度θ2和起始角度θ0计算出第二旋光角度α2，再根据第二旋光角度α2和灵敏度k计算出待测葡萄糖溶液的浓度C2；具体计算公式如下：
α2＝θ2-θ0；
与现有旋光式葡萄糖浓度检测装置相比，本发明所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置及方法通过设置四镜谐振腔，使得光束能够多次透过旋光管，由此实现了旋光效应的多次累加。基于旋光效应的多次累加，本发明显著放大了旋光角度，由此在不增加旋光管长度的前提下显著提高了灵敏度，从而兼具了高灵敏度和小体积。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有旋光式葡萄糖浓度检测装置无法兼具高灵敏度和小体积的问题，不仅适用于葡萄糖浓度检测，而且适用于其它旋光物质浓度检测。
附图说明
图1是本发明的第一种结构示意图。
图2是本发明的第二种结构示意图。
图中：1-光源，2-起偏器，301-第一腔镜，302-第二腔镜，303-第三腔镜，304-第四腔镜，4-检偏器，5-探测器，6-旋光管。
具体实施方式
实施例一
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，包括光源1、起偏器2、四镜谐振腔、检偏器4、探测器5、旋光管6；其中，光源1的出射端与起偏器2的入射端正对；起偏器2的出射端与四镜谐振腔的入射端斜对；四镜谐振腔的出射端与检偏器4的入射端斜对；检偏器4的出射端与探测器5的入射端正对；旋光管6设置于四镜谐振腔的谐振光路上。
在本实施例中，如图1所示，所述四镜谐振腔包括呈矩形排列的第一至第四腔镜301～304；第一腔镜301、第二腔镜302均为半透半反镜；第三腔镜303、第四腔镜304均为高反镜；第一腔镜301的正面入射端作为四镜谐振腔的入射端；第一腔镜301的背面透射端与第二腔镜302的正面入射端斜对；第二腔镜302的背面透射端作为四镜谐振腔的出射端；第二腔镜302的正面反射端与第三腔镜303的入射端斜对；第三腔镜303的反射端与第四腔镜304的入射端斜对；第四腔镜304的反射端与第一腔镜301的背面入射端斜对；第一腔镜301的背面反射端与第二腔镜302的正面入射端斜对；第一至第四腔镜301～304共同形成矩形谐振光路。
第一腔镜301的透过率小于10％；第二腔镜302的透过率小于第一腔镜301的透过率；第三腔镜303的反射率、第四腔镜304的反射率均大于99.5％，且二者的焦距相同。
所述光源1采用输出波长为500nm～760nm的激光器；所述起偏器2采用消光比大于1:1000的线偏振片；所述检偏器4采用带有微分控制器的电动检偏器；所述探测器5包括光敏元件、数据采集卡、计算机；光敏元件的入射端作为探测器5的入射端；光敏元件的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；所述旋光管6为石英管或带有氟化钙窗口的旋光管。
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法(该方法是基于本发明所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：向旋光管6中注入蒸馏水；
步骤二：打开光源1，光源1发出的光束经起偏器2变成线偏振光束后入射到四镜谐振腔；入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被反射，小部分进入四镜谐振腔；进入四镜谐振腔的线偏振光束大部分沿着四镜谐振腔的谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管6后出射，小部分直接透过四镜谐振腔和旋光管6后出射；出射的线偏振光束部分透过检偏器4后入射到探测器5；通过探测器5可以观测到线偏振光束的透射光强；
步骤三：将检偏器4转动一周，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，由此确定透射光强的最小值；将透射光强达到最小值时检偏器4的角度定义为起始角度θ0，然后关闭光源1；
步骤四：先将检偏器4转动至起始角度θ0，再将蒸馏水排空，然后向旋光管6中注入标准浓度的葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器5观测到的透射光强大于最小值；
步骤五：转动检偏器4，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器4的角度定义为第一角度θ1，然后关闭光源1；
步骤六：先根据第一角度θ1和起始角度θ0计算出第一旋光角度α1，再根据第一旋光角度α1计算出灵敏度k；具体计算公式如下：
α1＝θ1-θ0；
式中：C1表示标准浓度，且C1为已知量；
步骤七：先将检偏器4转动至起始角度θ0，再将标准浓度的葡萄糖溶液排空，然后向旋光管6中注入待测葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器5观测到的透射光强大于最小值；
步骤八：转动检偏器4，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器4的角度定义为第二角度θ2，然后关闭光源1；
步骤九：先根据第二角度θ2和起始角度θ0计算出第二旋光角度α2，再根据第二旋光角度α2和灵敏度k计算出待测葡萄糖溶液的浓度C2；具体计算公式如下：
α2＝θ2-θ0；
在本实施例中，如图1所示，所述步骤二中，入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被第一腔镜301反射，小部分透过第一腔镜301；透过第一腔镜301的线偏振光束大部分沿着矩形谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管6后出射，小部分依次透过旋光管6、第二腔镜302后出射。
实施例二
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，包括光源1、起偏器2、四镜谐振腔、检偏器4、探测器5、旋光管6；其中，光源1的出射端与起偏器2的入射端正对；起偏器2的出射端与四镜谐振腔的入射端斜对；四镜谐振腔的出射端与检偏器4的入射端斜对；检偏器4的出射端与探测器5的入射端正对；旋光管6设置于四镜谐振腔的谐振光路上。
在本实施例中，如图2所示，所述四镜谐振腔包括呈矩形排列的第一至第四腔镜301～304；第一腔镜301、第三腔镜303均为半透半反镜；第二腔镜302、第四腔镜304均为高反镜；第一腔镜301的正面入射端作为四镜谐振腔的入射端；第一腔镜301的背面透射端与第二腔镜302的入射端斜对；第二腔镜302的反射端与第四腔镜304的入射端斜对；第四腔镜304的反射端与第三腔镜303的正面入射端斜对；第三腔镜303的背面透射端作为四镜谐振腔的出射端；第三腔镜303的正面反射端与第一腔镜301的背面入射端斜对；第一腔镜301的背面反射端与第二腔镜302的入射端斜对；第一至第四腔镜301～304共同形成8字形谐振光路。
第一腔镜301的透过率小于10％；第三腔镜303的透过率小于第一腔镜301的透过率；第二腔镜302的反射率、第四腔镜304的反射率均大于99.5％，且二者的焦距相同。
所述光源1采用输出波长为500nm～760nm的激光器；所述起偏器2采用消光比大于1:1000的线偏振片；所述检偏器4采用带有微分控制器的电动检偏器；所述探测器5包括光敏元件、数据采集卡、计算机；光敏元件的入射端作为探测器5的入射端；光敏元件的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；所述旋光管6为石英管或带有氟化钙窗口的旋光管。
一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法(该方法是基于本发明所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置实现的)，该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：向旋光管6中注入蒸馏水；
步骤二：打开光源1，光源1发出的光束经起偏器2变成线偏振光束后入射到四镜谐振腔；入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被反射，小部分进入四镜谐振腔；进入四镜谐振腔的线偏振光束大部分沿着四镜谐振腔的谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管6后出射，小部分直接透过四镜谐振腔和旋光管6后出射；出射的线偏振光束部分透过检偏器4后入射到探测器5；通过探测器5可以观测到线偏振光束的透射光强；
步骤三：将检偏器4转动一周，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，由此确定透射光强的最小值；将透射光强达到最小值时检偏器4的角度定义为起始角度θ0，然后关闭光源1；
步骤四：先将检偏器4转动至起始角度θ0，再将蒸馏水排空，然后向旋光管6中注入标准浓度的葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器5观测到的透射光强大于最小值；
步骤五：转动检偏器4，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器4的角度定义为第一角度θ1，然后关闭光源1；
步骤六：先根据第一角度θ1和起始角度θ0计算出第一旋光角度α1，再根据第一旋光角度α1计算出灵敏度k；具体计算公式如下：
α1＝θ1-θ0；
式中：C1表示标准浓度，且C1为已知量；
步骤七：先将检偏器4转动至起始角度θ0，再将标准浓度的葡萄糖溶液排空，然后向旋光管6中注入待测葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器5观测到的透射光强大于最小值；
步骤八：转动检偏器4，并在转动过程中通过探测器5观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器4的角度定义为第二角度θ2，然后关闭光源1；
步骤九：先根据第二角度θ2和起始角度θ0计算出第二旋光角度α2，再根据第二旋光角度α2和灵敏度k计算出待测葡萄糖溶液的浓度C2；具体计算公式如下：
α2＝θ2-θ0；
在本实施例中，如图2所示，所述步骤二中，入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被第一腔镜301反射，小部分透过第一腔镜301；透过第一腔镜301的线偏振光束大部分沿着8字形谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管6后出射，小部分依次被第二腔镜302、第四腔镜304反射后依次透过旋光管6、第三腔镜303后出射。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，其特征在于：包括光源(1)、起偏器(2)、四镜谐振腔、检偏器(4)、探测器(5)和旋光管(6)；其中，光源(1)的出射端与起偏器(2)的入射端正对；起偏器(2)的出射端与四镜谐振腔的入射端斜对；四镜谐振腔的出射端与检偏器(4)的入射端斜对；检偏器(4)的出射端与探测器(5)的入射端正对；旋光管(6)设置于四镜谐振腔的谐振光路上；
所述四镜谐振腔包括呈矩形排列的第一至第四腔镜(301～304)；第一腔镜(301)、第三腔镜(303)均为半透半反镜；第二腔镜(302)、第四腔镜(304)均为高反镜；第一腔镜(301)的正面入射端作为四镜谐振腔的入射端；第一腔镜(301)的背面透射端与第二腔镜(302)的入射端斜对；第二腔镜(302)的反射端与第四腔镜(304)的入射端斜对；第四腔镜(304)的反射端与第三腔镜(303)的正面入射端斜对；第三腔镜(303)的背面透射端作为四镜谐振腔的出射端；第三腔镜(303)的正面反射端与第一腔镜(301)的背面入射端斜对；第一腔镜(301)的背面反射端与第二腔镜(302)的入射端斜对；第一至第四腔镜(301～304)共同形成8字形谐振光路；第一腔镜(301)的透过率小于10％；第三腔镜(303)的透过率小于第一腔镜(301)的透过率；第二腔镜(302)的反射率、第四腔镜(304)的反射率均大于99.5％，且二者的焦距相同；
或者，所述四镜谐振腔包括呈矩形排列的第一至第四腔镜(301～304)；第一腔镜(301)、第二腔镜(302)均为半透半反镜；第三腔镜(303)、第四腔镜(304)均为高反镜；第一腔镜(301)的正面入射端作为四镜谐振腔的入射端；第一腔镜(301)的背面透射端与第二腔镜(302)的正面入射端斜对；第二腔镜(302)的背面透射端作为四镜谐振腔的出射端；第二腔镜(302)的正面反射端与第三腔镜(303)的入射端斜对；第三腔镜(303)的反射端与第四腔镜(304)的入射端斜对；第四腔镜(304)的反射端与第一腔镜(301)的背面入射端斜对；第一腔镜(301)的背面反射端与第二腔镜(302)的正面入射端斜对；第一至第四腔镜(301～304)共同形成矩形谐振光路；第一腔镜(301)的透过率小于10％；第二腔镜(302)的透过率小于第一腔镜(301)的透过率；第三腔镜(303)的反射率、第四腔镜(304)的反射率均大于99.5％，且二者的焦距相同；
通过设置四镜谐振腔，使光束能够多次透过旋光管，实现旋光效应的多次累加，基于旋光效应的多次累加，以放大旋光角度，在不增加旋光管长度的前提下提高灵敏度，兼具高灵敏度和小体积。
2.根据权利要求1所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置，其特征在于：所述光源(1)采用输出波长为500nm～760nm的激光器；所述起偏器(2)采用消光比大于1:1000的线偏振片；所述检偏器(4)采用带有微分控制器的电动检偏器；所述探测器(5)包括光敏元件、数据采集卡和计算机；光敏元件的入射端作为探测器(5)的入射端；光敏元件的输出端与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；所述旋光管(6)为石英管或带有氟化钙窗口的旋光管。
3.一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法，该方法是基于如权利要求1所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测装置实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：向旋光管(6)中注入蒸馏水；
步骤二：打开光源(1)，光源(1)发出的光束经起偏器(2)变成线偏振光束后入射到四镜谐振腔；入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被反射，小部分进入四镜谐振腔；进入四镜谐振腔的线偏振光束大部分沿着四镜谐振腔的谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管(6)后出射，小部分直接透过四镜谐振腔和旋光管(6)后出射；出射的线偏振光束部分透过检偏器(4)后入射到探测器(5)；通过探测器(5)可以观测到线偏振光束的透射光强；
步骤三：将检偏器(4)转动一周，并在转动过程中通过探测器(5)观测透射光强的变化，由此确定透射光强的最小值；将透射光强达到最小值时检偏器(4)的角度定义为起始角度θ0，然后关闭光源(1)；
步骤四：先将检偏器(4)转动至起始角度θ0，再将蒸馏水排空，然后向旋光管(6)中注入标准浓度的葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器(5)观测到的透射光强大于最小值；
步骤五：转动检偏器(4)，并在转动过程中通过探测器(5)观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器(4)的角度定义为第一角度θ1，然后关闭光源(1)；
步骤六：先根据第一角度θ1和起始角度θ0计算出第一旋光角度α1，再根据第一旋光角度α1计算出灵敏度k；具体计算公式如下：
式中：C1表示标准浓度，且C1为已知量；
步骤七：先将检偏器(4)转动至起始角度θ0，再将标准浓度的葡萄糖溶液排空，然后向旋光管(6)中注入待测葡萄糖溶液，而后执行步骤二；此时，由于葡萄糖具有旋光效应，使得通过探测器(5)观测到的透射光强大于最小值；
步骤八：转动检偏器(4)，并在转动过程中通过探测器(5)观测透射光强的变化，直至透射光强再次达到最小值；将透射光强再次达到最小值时检偏器(4)的角度定义为第二角度θ2，然后关闭光源(1)；
步骤九：先根据第二角度θ2和起始角度θ0计算出第二旋光角度α2，再根据第二旋光角度α2和灵敏度k计算出待测葡萄糖溶液的浓度C2；具体计算公式如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法，其特征在于：所述步骤二中，入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被第一腔镜(301)反射，小部分透过第一腔镜(301)；透过第一腔镜(301)的线偏振光束大部分沿着矩形谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管(6)后出射，小部分依次透过旋光管(6)、第二腔镜(302)后出射。
5.根据权利要求3所述的一种基于四镜谐振腔的高灵敏葡萄糖浓度检测方法，其特征在于：所述步骤二中，入射到四镜谐振腔的线偏振光束大部分被第一腔镜(301)反射，小部分透过第一腔镜(301)；透过第一腔镜(301)的线偏振光束大部分沿着8字形谐振光路进行多次循环传播并多次透过旋光管(6)后出射，小部分依次被第二腔镜(302)、第四腔镜(304)反射后依次透过旋光管(6)、第三腔镜(303)后出射。
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