技术领域
[0001] 本
发明涉及基于智能手机的手持式分光光度计，属于小型化
生物检测设备技术领域。
背景技术
[0002] 如今智能手机的使用十分普及，同时智能手机具有
数据处理、数据存储和数据
云端传输等优势，现已出现了许多与智能手机相结合的生物检测平台。分光光度计是生物，医疗，农业和化学分析等众多领域中最重要的检测平台之一。目前多数分光光度计体积庞大，结构复杂，价格昂贵，不便于携带，只能局限于实验室等专业条件下使用。通常许多小型化分光光度计配置的宽
光谱光源多采用
卤素灯，这对光路体积减小造成了一定的限制并且需要为检测平台提供电源，同时，分光光度计使用光电
传感器接收
信号以后需要再由计算机对测量结果进行分析。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种便于携带、光路结构简单，利用太阳光作为分光光度计的光源，智能手机作为传感器拍摄得到高
精度的测量结果，并且能用开发的
软件对光谱曲线结果进行分析的基于智能手机的手持式分光光度计。
[0004] 本发明的第一个目的是提供一种便携式分光光度计，包括全反镜、聚光透镜和分光系统；所述全反镜、聚光透镜和分光系统所处的光轴的总长度不超过120mm；所述分光系统包括滤光针孔、短焦距透镜、分光光栅。
[0005] 在本发明的一种实施方式中，所述滤光针孔设置在聚光透镜的焦点处，滤除汇聚光以外的在散光。
[0006] 在本发明的一种实施方式中，所述聚光透镜为聚光双凸透镜，其焦距为25.4mm。
[0007] 在本发明的一种实施方式中，所述分光光度计还含有放置样品皿的区域，该区域设置在全反镜之前。
[0008] 在本发明的一种实施方式中，所述放置样品皿的区域开设孔，可使外界光源的光线通过孔照射进光路。
[0009] 在本发明的一种实施方式中，所述分光光度计适用的光源的光谱光强范围为可见光350nm-800nm内。
[0010] 在本发明的一种实施方式中，所述分光光栅的表面转
角与光轴的夹角在顺
时针26°-28°方向能够满足只让一级衍射光谱反射到智能手机的后置摄像头的视场范围内。
[0011] 本发明的第二个目的是提供一种检测吸光度的方法，所述方法应用上述任一所述的分光光度计，配合具有拍照功能的智能手机，通过智能手机采集分光光度计呈现的吸收光谱图，并通过运算方法将光谱图像转化为吸光度数据。
[0012] 在本发明的一种实施方式中，所述运算方法包括：如下步骤：
[0013] (1)选择标定点的个数，对
像素点
位置和
波长之间的关系进行标定；
[0014] (2)选取拍摄得到的激
光标定点进行对应像素位置的读取；
[0015] (3)标定图读取结束后分析得出成像系统的像素点和波长对应的线性关系曲线；
[0016] (4)读取任意拍摄得到的样品吸收谱线图即可转换成吸收光谱曲线。
[0017] 在本发明的一种实施方式中，所述运算方法具体为：
[0018] S1，设定标定点个数。
[0019] S2，读入标定激光点经过光学系统后的拍摄图，读取光谱分布在一行像素中，强度峰值对应的像素位置，确定标定激光波长所对应的像素位置。
[0020] S3，在读完设定好个数的标定图以后，通过得到的三个标定波长和它们分别对应的像素点位置，对波长和像素位置之间的对应关系进行线性拟合，从而确定出成像范围内每个像素点所对应波长值。
[0021] S4，在完成标定以后，读入拍摄得到的样品光谱图，把图像行像素的强度转换成强度值的曲线分布，再通过标定的对应关系确定出坐标位置，即可把强度图转
化成光谱分布曲线。
[0022] 有益效果：本发明所包含的元件体积小，
质量轻，价格低，极大的节省了整个平台的成本，同时光路结构紧凑，体积小，平台的尺寸为140.2×67.1×80.5mm(长×宽×高)。本发明拍摄得到的光谱分布均匀，分辨精度高，对浓度变化的响应线性系数为0.998，与传统商业的分光光度计的线性响应系数相当。并且手机内配有
应用软件，可以将拍摄得到的光谱图转化成一条定量的连续谱线，便于进一步精确的观测和分析。本发明可以采用3D打印技术对光路结构以及分光系统与成像系统之间的连接进行封装和固定，以便于携带和使用。可实现在野外或家庭等更普遍的环境对样品进行现场测量和分析。
附图说明
[0023] 图1是本发明的光路结构图；其中，1，样品皿；2，全反镜,；3，聚光透镜；4，滤光针孔；5，短焦距透镜；6，分光光栅；7，智能手机。
[0024] 图2是本发明的手机应用程序的界面图。
[0025] 图3是对图1装置进行像素位置和波长关系进行标定的光谱图。
[0026] 图4是图1装置成像系统中像素和波长之间关系的拟合曲线。
[0027] 图5是本发明拍摄得到的不同浓度(2ug/ml,4ug/ml,6ug/ml,8ug/ml,10ug/ml)罗丹明(R6G)样品溶液的吸收光谱图。
[0028] 图6是不同浓度(2ug/ml,4ug/ml,6ug/ml,8ug/ml,10ug/ml)罗丹明(R6G)样品溶液的吸收光谱曲线。
[0029] 图7是本发明测量得到的样品浓度和吸光度之间的线性关系图。
[0030] 图8是本发明测量得到的不同浓度的禽流感样品和吸光度之间的线性关系图和传统商用分光光度计的线性响应曲线图。
具体实施方式
[0031] 在不做特别说明的情况下，本发明中提及的智能手机是指具有拍照功能的智能手机，手机的传感器感光范围能够
覆盖可见光350nm-800nm的宽光谱区域。
[0032] 下面结合附图以具体的
实施例对本发明作进一步描述，参见图1-8：
[0033] 实施例1：
[0034] 如图1所示，本发明的分光光度计包括全反镜2、聚光透镜3、滤光针孔4、短焦距透镜5和分光光栅6；全反镜2、聚光透镜3、滤光针孔4、短焦距透镜5和分光光栅6按顺序设置在同一光轴方向上；所述滤光针孔4设置在聚光透镜3的焦点处，所述聚光透镜3可选用双凸透镜，双凸透镜将光束聚焦到滤光针孔上，滤除汇聚光以外的在散光，提高
信噪比；所述滤光针孔4出射的光为点光源，点光源发散后备短焦距透镜5会聚，光束以汇聚光的形式照射到分光光栅6表面；所述短焦距透镜5为小孔径短焦距的透镜；所述分光光栅6为反射式光栅(1200对刻线)，分光光栅6的表面转角与光轴的夹角在顺时针26°-28°方向能够满足只让一级衍射光谱反射到智能手机7的后置摄像头的视场范围内。短焦距透镜5与滤光针孔4和分光光栅6的间距为36.15mm，可使吸收光谱被智能手机拍摄的成像达到0.28nm/pix的
分辨率。所述全反镜2前放置样品皿1；所述聚光透镜3可选用大孔径短焦距的双凸透镜；所述样品皿1前开设孔，可使外界光源的光线通过孔照射进光路。光源的光谱在可见光350nm-800nm内光强均匀分布。
[0035] 本发明的分光系统(包括全反镜2、聚光透镜3、滤光针孔4、短焦距透镜5和分光光栅6)在光轴上的总长度不大于手机的长度，其光轴方向和手机平面平行。
[0036] 所述智能手机能够将图像信息转化为吸光度的数值信息，具体步骤如下：
[0037] S1，设定标定点个数。
[0038] S2，读入标定激光点经过光学系统后的拍摄图，读取光谱分布在一行像素中，强度峰值对应的像素位置，确定标定激光波长所对应的像素位置。
[0039] S3，在读完设定好个数的标定图以后，通过得到的三个标定波长和它们分别对应的像素点位置，对波长和像素位置之间的对应关系进行线性拟合，从而确定出成像范围内每个像素点所对应波长值。
[0040] S4，在完成标定以后，读入拍摄得到的样品光谱图，把图像行像素的强度转换成强度值的曲线分布，再通过标定的对应关系确定出坐标位置，即可把强度图转化成光谱分布曲线。
[0041] 实现上述步骤的软件的操作界面如图2，其中A是应用软件的图标，B是初始界面提供标定、测量、使用说明以及结束的选项，C是选择标定点个数的界面，选择好标定点个数后即可进入标定界面；D、F、H界面都是读取激光标定光谱图，E、G、I则是得到的标定激光光斑图所对应的光谱曲线，通过对标定激光光斑位置的确定得到了像素波长关系曲线显示在界面J，点击界面的保存按钮将标定的波长位置进行保存。标定保存后进入读取光谱强度照片的界面K点击标定，得到光谱曲线的分布结果如界面L所示。
[0042] 本发明的使用方法及工作原理为:将本发明的分光光度计与手机
水平放置，使智能手机的摄像头处于分光光栅6能够呈像的范围内。将太阳光作为宽光谱光源，照射到样品皿1表面，样品皿1透射出的光经过反射镜2反射到聚光透镜3表面，光束被聚光透镜3会聚到滤光针孔4，滤除杂散光后以点光源的形式传播到短焦距透镜5处，成像透镜5后表面的光束以汇聚光的形式入射到光栅6表面，经过光栅6分光后的光谱被智能手机7的摄像头所接收，通过智能手机内置的
图像处理方法将图像信息转化为吸光度的数值信息。
[0043] 实施例2：
[0044] 分别以450nm、532nm和650nm为中心波长的激光点进行成像，以确定标定出的像素点位置和波长值之间的对应关系。其光强在传感器像素位置上对应分布如图3所示，通过标定光点的位置确定出智能手机成像传感器的像素和波长之间的线性关系(图4)，线性系数为R2＝0998，线性系数越接近1表示线性拟合度越高。同时，智能手机拍摄得到成像光谱的分辨率能够达到0.28nm/pixel。
[0045] 实施例4：
[0046] 分别配制不同浓度的(2ug/ml,4ug/ml,6ug/ml,8ug/ml,10ug/ml)罗丹明(R6G)溶液作为样品，应用实施例1的分光光度计进行分析，使用智能手机在相同条件下拍摄得到去离子水
试剂和不同浓度罗丹明溶液对应的光谱图，如图5所示，再将光谱强度图转换成光谱曲线(图6)。在样品所对应的520nm吸收响应波长下通过比尔-朗伯定理算出不同浓度溶液相比于空样品
溶剂的吸光度，即可通过不同浓度所对应的吸光度值分析出浓度和吸光度之间的线性响应关系。图7表明了不同浓度的罗丹明溶液和吸光度之间的线性响应系数为0.998，表明了本发明对样品浓度变化的灵敏响应关系。
[0047] 实施例5：
[0048] 采用Elisa法对含禽流感病毒(AIV)的样品进行处理，将经将禽流感病毒(AIV)样品按照1×103,5×103,1×104,5×104,1×105,5×105倍数进行稀释以后，使用实施例1的分光光度计对经酶联标记的反应产物的吸光度进行测量，建立样品浓度和吸光度之间的线性拟合关系，其线性系数值为0.988。同时，使用了商业的酶标仪对相同的样品溶液进行测量，得到样品浓度和吸光度之间的线性拟合系数为0.986。通过对比表明本发明和常用的商业分光光度计检测仪器的精确度相当(图8)。
[0049] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以
权利要求书所界定的为准。
