背向弹性散射光谱测量中获取光谱的不同实验方法与优点

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3、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。此外,综合这两种测量方式进行细胞检测的实验系统也已经问世。　　目前,根据测量角度范围的不同,基于弹性散射光谱的颗粒尺寸精密测量可以分为几种典型方式:一种是在背向很小的一个角度范围内测量的背向弹性散射光谱测量;一种是在背向较大角度范围内测量的共聚焦背向弹性散射光谱测量;还有一种是在侧向较大角度范围内测量的暗场弹性散射光谱测量。后2种方式可以实现对

4、单个球形颗粒的成像以及对其尺寸的超衍射极限分辨提取,但两者均对建立散射角积分计算模型提出了很高的要求。虽然第一种方式只能用于测量包含大数量球形颗粒的悬浮溶液,但却拥有散射理论模型简单、分析推断颗粒尺寸精度高的优点;而且通过寻求更为先进的光谱数据分析方法,该方式能够更为快速地获得球形颗粒混合溶液中的颗粒尺寸分布。　　本文集中探讨了背向弹性散射光谱测量中获取光谱的不同实验方法及其优缺点,通过实验结果比较了目前普遍使用的光纤探头测量和透镜系统平行光入射及收集测量两种方法。本研究不仅能为实际应用中光谱获取方法提供参考依据,还可以为光谱获取方法的优化设计提供借鉴。　　2、光谱获取及分析的基本原理　　2

5、.1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(sinu-ucos[键入文字][键入文字][键入文字]精选公文范文管理资料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

6、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°,它们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。　　图1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,

7、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。　　　　2.2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