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生物樣本光學(xué)傳感器中有色玻璃的應(yīng)用

2025-02-25 派大星 126

在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞成像和分子分析等領(lǐng)域,生物樣本光學(xué)傳感器是至關(guān)重要的工具。這類傳感器通過(guò)光與生物樣本的相互作用(如吸收、熒光或散射)來(lái)獲取信息。其中,有色玻璃作為一種經(jīng)典的光學(xué)材料,憑借其選擇性透光特性,在傳感器中扮演了重要角色。


 生物樣本光學(xué)傳感器中有色玻璃的應(yīng)用

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一、有色玻璃的核心功能

有色玻璃通過(guò)在玻璃基質(zhì)中添加金屬離子(如Fe3?、Co2?、Cr3?)或半導(dǎo)體納米顆粒,形成對(duì)特定波長(zhǎng)的選擇性吸收或透過(guò)。其核心功能包括:

1. 波長(zhǎng)篩選:透過(guò)目標(biāo)波長(zhǎng),阻擋干擾光。

2. 信號(hào)增強(qiáng):提高目標(biāo)光的信噪比。

3. 環(huán)境光抑制:減少背景噪聲。

 青藍(lán)色有色玻璃

二、典型應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)細(xì)節(jié)

1. 熒光檢測(cè)濾光片

熒光檢測(cè)是生物傳感器中最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。例如,在免疫分析中,熒光染料標(biāo)記的抗體與目標(biāo)分子結(jié)合后,需用特定波長(zhǎng)的光激發(fā)并檢測(cè)發(fā)射光。

有色玻璃應(yīng)用

激發(fā)濾光片:常用Schott BG系列(如BG39),透過(guò)紫外至藍(lán)光(300-500 nm),吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光。

發(fā)射濾光片:采用Schott OG系列(如OG515),透過(guò)綠光至紅光(515 nm以上),阻擋激發(fā)光。

鍍膜需求:需鍍制增透膜(如MgF?),減少表面反射損失(反射率從4%降至1%以下)。部分場(chǎng)景需鍍截止膜(如TiO?/SiO?多層膜),進(jìn)一步壓縮通帶外的雜散光。

 陷波濾光片

2. 拉曼光譜背景抑制

拉曼光譜檢測(cè)中,激光的瑞利散射光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于拉曼信號(hào)(相差約10?倍),需用濾光片嚴(yán)格阻擋激光波長(zhǎng)。

有色玻璃牌號(hào):

陷波濾光片:采用定制摻雜玻璃(如Schott RG830),在785 nm激光波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)OD6(透過(guò)率0.0001%)的深度阻擋。

鍍膜需求:結(jié)合干涉濾光片鍍膜(如離子束濺射Ta?O?/SiO?),形成窄帶阻擋層。

 

3. 紫外吸收檢測(cè)

核酸(DNA/RNA)濃度檢測(cè)依賴260 nm紫外吸收峰,但環(huán)境光中的可見(jiàn)光會(huì)干擾檢測(cè)。

有色玻璃牌號(hào):

紫外透過(guò)濾光片:使用Hoya U-340,透過(guò)250-400 nm紫外光,截止可見(jiàn)光。

鍍膜需求:通常無(wú)需鍍膜,依賴玻璃自身吸收特性。

特殊情況下需鍍硬質(zhì)保護(hù)膜(如類金剛石碳膜),防止玻璃表面劃傷。

 紫外透過(guò)濾光片

4. 紅外熱輻射屏蔽

某些生物傳感器(如活體組織檢測(cè))需避免紅外熱輻射干擾。

 

有色玻璃牌號(hào):

短波通濾光片:采用Schott KG系列(如KG3),透過(guò)可見(jiàn)光(400-700 nm),吸收紅外光(>700 nm)。

鍍膜需求:鍍制紅外反射膜(如Ag或Au薄膜),增強(qiáng)對(duì)紅外的反射率。

 

三、有色玻璃的進(jìn)階技術(shù)

1. 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)

為滿足高精度需求,常將有色玻璃與鍍膜濾光片結(jié)合。例如:熒光顯微鏡濾光片組:BG39有色玻璃(基底) + 帶通干涉膜層(如Chroma ET525/50),實(shí)現(xiàn)更陡峭的過(guò)渡邊緣。

 

2. 微流控芯片集成

在微流控生物芯片中,有色玻璃可作為光學(xué)窗口:

材料選擇:Schott D263T(超薄玻璃,厚度0.1 mm),透過(guò)紫外至近紅外光。

鍍膜需求:鍍制疏水膜(如氟化硅烷),防止液滴殘留影響光學(xué)性能。

 多光譜濾光片

3. 多光譜成像

多光譜傳感器需切換不同波段:

旋轉(zhuǎn)濾光輪:搭載多個(gè)有色玻璃片(如Schott BG40、OG590、RG9),覆蓋紫外-可見(jiàn)-近紅外波段。

鍍膜優(yōu)化:每個(gè)濾光片鍍制對(duì)應(yīng)增透膜,確保透過(guò)率>90%。

 

四、有色玻璃 vs. 鍍膜濾光片

雖然現(xiàn)代鍍膜技術(shù)發(fā)展迅速,但有色玻璃仍有不可替代的優(yōu)勢(shì):

1. 成本:有色玻璃無(wú)需復(fù)雜鍍膜工藝,價(jià)格低至鍍膜濾光片的1/10。

2. 熱穩(wěn)定性:玻璃基底耐高溫(可達(dá)500°C),而鍍膜濾光片易受熱失效。

3. 抗損傷性:有色玻璃可承受高功率激光(如KG5玻璃用于100 W級(jí)激光系統(tǒng))。

 

總之,有色玻璃在生物樣本光學(xué)傳感器中的應(yīng)用遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單的“顏色過(guò)濾”。從Schott BG39的熒光激發(fā)到Hoya U-340的核酸檢測(cè),從鍍膜優(yōu)化到微流控集成,其技術(shù)細(xì)節(jié)體現(xiàn)了光學(xué)、材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的深度交叉。隨著納米摻雜技術(shù)(如量子點(diǎn)玻璃)的發(fā)展,未來(lái)有色玻璃有望在單分子檢測(cè)、活體成像等前沿領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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