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为生命科学应用选择彩色滤光片

发表时间:2022-10-27  |  点击率:139

为生命科学应用选择彩色滤光片

在某些生命科学应用中,彩色玻璃滤光片比镀膜滤光片更具优势,但选择最佳方案需要仔细考虑几个因素。

在生命科学应用中,从监测血液中的氧气和pH值到荧光检测,到用于检测COVID/-19的聚合酶链反应(PCR)测试,再到紫外线杀菌,滤光片对于选择性通过和阻挡特定波长至关重要。在生命科学系统中使用有色玻璃滤光片和涂覆的介质滤光片。了解每种滤光片类型的优缺点,可确保系统设计人员能够实现其应用所需的性能。当使用彩色玻璃滤光片时,在选择适当的解决方案时,还应牢记有关化学和机械性能的几个关键考虑因素。

图1.彩色玻璃滤光片具有宽带阻挡不需要的波长、经济实惠的价格点以及对入射角或偏振不敏感的特点。

彩色玻璃滤光片

彩色玻璃滤光片使用包含吸收所需波长范围同时透射其他波长范围的元素、染料或其他着色剂的基板(图1)。吸收量取决于基材的厚度和所掺入的着色剂。这些滤光片可以具有多种功能,包括带通、短通、长通或中性密度滤波。它们非常适合阻挡各种波长,因为使用镀膜干涉滤光片在大波长范围内实现强阻挡是困难且昂贵的(图2)。

图2.镀膜干涉滤光片的性能数据显示,与可比彩色玻璃滤光片的数据相比,其峰值透射率更高,光谱截止和截止跃迁更尖锐。但是彩色玻璃滤光片已经被证明可以在更高的程度上阻挡不需要的波长。该图中的UG11玻璃阻挡420和640nm之间的光,光密度为6(意味着透射率低于10-6)。涂层滤光片的可见光谱中增加的波动可能是由于分光光度计噪声引起的。

通常,彩色玻璃滤光片也比涂层滤光片便宜,这使得它们更容易部署在设计用于现场的低成本、便携式生命科学系统中。它们的性能与入射角或偏振无关,这使得对准和偏振的考虑不如镀膜滤光片那么重要。

有色玻璃中的吸收性着色剂均匀地分布在整个滤光片基材中,而不是作为表面水平的涂层施加。滤光玻璃从固定在玻璃基质中的离子或从胶体半导体纳米晶体获得其特性。这使得彩色玻璃滤光片可以在比涂层滤光片更高的温度下使用,并且更容易清洁。

彩色玻璃滤光片吸收而不是反射被拒绝的光的事实阻止了它们在高功率激光系统中的使用,但是这种质量对于减少杂散光是有益的。如果入射光的功率太高,热量可能会积聚,从而导致滤光片变形。

当与涂层滤光片相比时,彩色玻璃滤光片也具有它们的其它缺点。有色玻璃可以在宽的波长范围内起作用,但是电介质涂层通常实现对通过的波长的更高透射以及在阻挡和通过的波长之间的更尖锐的转变。因为彩色玻璃滤光片的性能取决于厚度,所以这些滤光片需要抛光到非常特定的厚度,以便调节特定的光谱性能。如果所需的厚度不能作为标准零件提供,则过滤光片可能需要定制抛光。此外,在空间有限的小型化装置中,有时不能使用厚度为几毫米的滤光片。

滤光片透射率和厚度之间的关系可以描述为:

其中τd1是在厚度d1处的透射率,P(λ)是波长相关的反射因子,并且τd2
(λ)是在测量的参考厚度d2处的透射率。

涂层干涉滤光片

涂覆的干涉滤光片利用介电涂层来反射不需要的光,同时使吸收最小化。虽然彩色玻璃滤光片是宽带和成本敏感应用的理想解决方案,但镀膜干涉滤光片为需要最大吞吐量和尖锐光谱转换的高性能应用提供了理想的解决方案。如果需要,涂层可以精确地通过或阻挡窄波段的波长。

滤光玻璃制造商使用耐酸等级来表征不同玻璃类型的灵敏度

二向色干涉涂层反射不需要的波长,但允许有用的辐射穿过光学系统。在荧光应用中,这是有益的,因为激发波长可以被反射到样品上,而较长的发射波长被允许通过滤光片到达检测器。然而,这些被拒绝的波长可能会产生杂散光。

由于镀膜干涉滤光片不吸收光,因此其热敏性低于彩色滤光片玻璃,并且与激光和其他高功率光源的兼容性更好。干涉滤光片由交替的薄膜层制成,整个堆叠的厚度可能只有几微米,这使得这些滤光片能够适应令人难以置信的小设计。

然而,如前所述,与滤光片玻璃相比,涂覆的干涉滤光片具有一些缺点。镀膜滤光片与角度和偏振有关,这使得它们的应用不太灵活,只能与特定的工作条件兼容。由于光学干涉滤光片倾斜远离垂直入射,因此透射光谱发生“蓝移",这意味着光谱特征向较短波长移动(图3)。随着入射角的增加,这种偏移变得更加明显。

图3.通过各种滤光片技术的透射率。彩色玻璃滤光片在一个表面上具有完/美的抗反射涂层,而干涉+彩色玻璃滤光片在两个表面上都有涂层。

干涉滤光涂层的工作温度范围通常低于有色玻璃的工作温度范围,并且该温度范围随不同的薄膜设计而变化。此外,UV涂层通常更容易损坏且难以清洁,这使得它们更适合用于精密的实验室设备,而不是成本较低的便携式设备。

在对位中,涂层可以被优化以更耐刮擦,或者它们可以用特殊的化学物质配制以更具惰性。通常,当需要宽带和强阻挡时,甚至将电介质涂层添加到彩色玻璃滤光片中。涂层和彩色玻璃基板滤光片都会降低光通量的总量,但这些混合解决方案提供了急剧的过渡和宽波长覆盖范围(图3)。

选择彩色滤光片

其广泛的阻隔能力、高性价比以及对入射角和偏振的不敏感性,使彩色玻璃滤光片成为许多不需要极窄带宽的生命科学应用的理想选择,如血气监测、眼科和其他诊断设备系统(图4)。

图4.便携式血氧仪用于测量氧气水平和脉搏率。便携式、低成本的生命科学设备尤其受益于结合彩色玻璃滤光片。

虽然滤光玻璃通常被描述为“彩色"玻璃,但它与建筑玻璃的不同之处在于,它不是被设计成具有令人愉悦的可见颜色。相反,这些滤光片的关键特性是其透射光谱的精确性和均匀性。光学滤光玻璃具有高的内部质量,允许其用于简单的传感应用以及高分辨率成像。在正常条件下,滤光玻璃的寿命可长达几个世纪。

化学性质

在指/定彩色玻璃滤光片时,需要考虑几个关键因素,以确保滤光片在系统或应用中发挥最佳性能。不同基质的化学性质可能不同,在受控实验室环境之外使用的系统中,考虑这些材料特性的潜在影响尤为重要。相同滤色片玻璃的化学性质也可能存在批次间的差异,这取决于其所来自的熔体。

这引起了对用于便携式血氧计、pH计和其他可能暴露于湿气和污染物的诊断设备的过滤器的耐腐蚀性和其他化学参数的考虑。滤光片的化学性质不仅会影响最终成分的使用,还会影响其储存方式。

不同的玻璃制造商以不同的方式指/定材料属性,但电阻等级编号通常用于描述材料的化学属性。等级编号越低,表示电阻越高1。随着时间的推移,由于暴露在湿气中,敏感的玻璃类型可能会形成轻微浑浊的残留物。这种残留物的最初积累可以通过抛光去除,但长时间暴露在温暖潮湿的环境中会产生大量的残留物,这可能会破坏滤光片的表面质量。类似地,将滤光片暴露在微酸性水中有时会引起化学反应,其中离子在水中的水合氢离子和有色玻璃中的阳离子之间交换。这些相互作用可能会在滤光片表面产生污渍。

ISO 8424将耐酸性定义为玻璃在通过层压物质、碳酸水、玻璃排汗和其他方法暴露于大量酸性溶液后的行为。彩色玻璃滤光片的耐酸等级描述了酸产生的影响,超出了耐污性等级中所述的影响(见第49页的表格)。ISO 10629同样描述了玻璃对碱性液体反应的敏感性,包括通常用于研磨和抛光的冷却液。

此外,长时间暴露在阳光或其他强烈的紫外线辐射下可能会导致日晒作用,这可能会永/久降低彩色玻璃滤光片的透射率。曝光量取决于紫外光源的光谱、强度、曝光时间和玻璃的耐曝晒性。日晒作用通常导致通过的波段的位于短波的边缘向较长波长偏移,并且导致透射带宽的总体减小。当在数据表上列出时,更容易日晒的玻璃通常用符号标记,表示暴露于紫外线辐射的应用中的这一问题。需要注意的是,玻璃的日晒作用是一种不会破坏玻璃基体的作用。相反,它只是改变了透射率属性。这对于塑料材料来说是非常不同的,塑料材料会降解并变脆。

当为应用选择滤光片时,明智的做法是查看供应商数据表中报告的耐化学性等级,并联系供应商讨论哪些等级足以满足应用。供应商应能够为特定系统确定正确的彩色玻璃滤光片基板,推荐可能需要的任何额外保护涂层,并在需要时提供额外解决方案的指导。

机械性能

在滤光片能暴露于机械应力、灰尘或其他物理接触的情况下,滤光片通常需要一定的机械性能。滤光片的努氏硬度描述了其对压痕和磨损的抵抗力。为了测试阻力,根据ISO 9285协议,金刚石工具通常以0.9807 N的测试力和20秒的有效测试周期被压入滤光片中。同样,这一问题对于在实验室环境之外使用的便携式生命科学设备更为重要,因为它们更多地暴露于机械接触和污染物。

玻璃的强度描述了在玻璃破裂之前每单位面积所能施加的力的大小,它不是一个纯粹依赖于材料的属性。与金属或塑料不同,玻璃的强度取决于基底材料及其表面质量。滤光片表面的划痕和边缘的碎片可能会极大地降低组件的强度。

除了严格意义上的机械性能之外,诸如热膨胀和由滤光片的不均匀加热引起的应力之类的热特性可能是某些应用中的因素。玻璃可以承受高温,但它们对组件内的热冲击或大的温度梯度敏感。与化学性质一样,玻璃制造商提供的数据表中通常会列出机械和热特性,这为了解这些参数如何影响特定应用的滤光片选择提供了一个很好的起点。

了解各种可用的滤光片技术、它们的优点和缺点,以及要寻找的材料特性,将有助于为任何应用选择合适的滤光片。在需要宽阻挡、成本效益以及对角度和偏振不敏感的系统中,彩色玻璃滤光片通常是理想的解决方案。


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