為生命科學(xué)應(yīng)用選擇彩色濾光片

在某些生命科學(xué)應(yīng)用中，彩色玻璃濾光片比鍍膜濾光片更具優(yōu)勢(shì)，但選擇最佳方案需要仔細(xì)考慮幾個(gè)因素。

在生命科學(xué)應(yīng)用中，從監(jiān)測(cè)血液中的氧氣和pH值到熒光檢測(cè)，到用于檢測(cè)COVID/-19的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）測(cè)試，再到紫外線殺菌，濾光片對(duì)于選擇性通過(guò)和阻擋特定波長(zhǎng)至關(guān)重要。在生命科學(xué)系統(tǒng)中使用有色玻璃濾光片和涂覆的介質(zhì)濾光片。了解每種濾光片類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)，可確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)其應(yīng)用所需的性能。當(dāng)使用彩色玻璃濾光片時(shí)，在選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案時(shí)，還應(yīng)牢記有關(guān)化學(xué)和機(jī)械性能的幾個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

圖1.彩色玻璃濾光片具有寬帶阻擋不需要的波長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的價(jià)格點(diǎn)以及對(duì)入射角或偏振不敏感的特點(diǎn)。

彩色玻璃濾光片

彩色玻璃濾光片使用包含吸收所需波長(zhǎng)范圍同時(shí)透射其他波長(zhǎng)范圍的元素、染料或其他著色劑的基板（圖1）。吸收量取決于基材的厚度和所摻入的著色劑。這些濾光片可以具有多種功能，包括帶通、短通、長(zhǎng)通或中性密度濾波。它們非常適合阻擋各種波長(zhǎng)，因?yàn)槭褂缅兡じ缮鏋V光片在大波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)阻擋是困難且昂貴的（圖2）。

圖2.鍍膜干涉濾光片的性能數(shù)據(jù)顯示，與可比彩色玻璃濾光片的數(shù)據(jù)相比，其峰值透射率更高，光譜截止和截止躍遷更尖銳。但是彩色玻璃濾光片已經(jīng)被證明可以在更高的程度上阻擋不需要的波長(zhǎng)。該圖中的UG11玻璃阻擋420和640nm之間的光，光密度為6（意味著透射率低于10-6）。涂層濾光片的可見(jiàn)光譜中增加的波動(dòng)可能是由于分光光度計(jì)噪聲引起的。

通常，彩色玻璃濾光片也比涂層濾光片便宜，這使得它們更容易部署在設(shè)計(jì)用于現(xiàn)場(chǎng)的低成本、便攜式生命科學(xué)系統(tǒng)中。它們的性能與入射角或偏振無(wú)關(guān)，這使得對(duì)準(zhǔn)和偏振的考慮不如鍍膜濾光片那么重要。

有色玻璃中的吸收性著色劑均勻地分布在整個(gè)濾光片基材中，而不是作為表面水平的涂層施加。濾光玻璃從固定在玻璃基質(zhì)中的離子或從膠體半導(dǎo)體納米晶體獲得其特性。這使得彩色玻璃濾光片可以在比涂層濾光片更高的溫度下使用，并且更容易清潔。

彩色玻璃濾光片吸收而不是反射被拒絕的光的事實(shí)阻止了它們?cè)诟吖β始す庀到y(tǒng)中的使用，但是這種質(zhì)量對(duì)于減少雜散光是有益的。如果入射光的功率太高，熱量可能會(huì)積聚，從而導(dǎo)致濾光片變形。

當(dāng)與涂層濾光片相比時(shí)，彩色玻璃濾光片也具有它們的其它缺點(diǎn)。有色玻璃可以在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)起作用，但是電介質(zhì)涂層通常實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)的波長(zhǎng)的更高透射以及在阻擋和通過(guò)的波長(zhǎng)之間的更尖銳的轉(zhuǎn)變。因?yàn)椴噬ＡV光片的性能取決于厚度，所以這些濾光片需要拋光到非常特定的厚度，以便調(diào)節(jié)特定的光譜性能。如果所需的厚度不能作為標(biāo)準(zhǔn)零件提供，則過(guò)濾光片可能需要定制拋光。此外，在空間有限的小型化裝置中，有時(shí)不能使用厚度為幾毫米的濾光片。

濾光片透射率和厚度之間的關(guān)系可以描述為：

其中^τd₁是在厚度d₁處的透射率，P(λ)是波長(zhǎng)相關(guān)的反射因子，并且^τd₂
(λ)是在測(cè)量的參考厚度d₂處的透射率。

涂層干涉濾光片

涂覆的干涉濾光片利用介電涂層來(lái)反射不需要的光，同時(shí)使吸收最小化。雖然彩色玻璃濾光片是寬帶和成本敏感應(yīng)用的理想解決方案，但鍍膜干涉濾光片為需要最大吞吐量和尖銳光譜轉(zhuǎn)換的高性能應(yīng)用提供了理想的解決方案。如果需要，涂層可以精確地通過(guò)或阻擋窄波段的波長(zhǎng)。

濾光玻璃制造商使用耐酸等級(jí)來(lái)表征不同玻璃類(lèi)型的靈敏度

二向色干涉涂層反射不需要的波長(zhǎng)，但允許有用的輻射穿過(guò)光學(xué)系統(tǒng)。在熒光應(yīng)用中，這是有益的，因?yàn)榧ぐl(fā)波長(zhǎng)可以被反射到樣品上，而較長(zhǎng)的發(fā)射波長(zhǎng)被允許通過(guò)濾光片到達(dá)檢測(cè)器。然而，這些被拒絕的波長(zhǎng)可能會(huì)產(chǎn)生雜散光。

由于鍍膜干涉濾光片不吸收光，因此其熱敏性低于彩色濾光片玻璃，并且與激光和其他高功率光源的兼容性更好。干涉濾光片由交替的薄膜層制成，整個(gè)堆疊的厚度可能只有幾微米，這使得這些濾光片能夠適應(yīng)令人難以置信的小設(shè)計(jì)。

然而，如前所述，與濾光片玻璃相比，涂覆的干涉濾光片具有一些缺點(diǎn)。鍍膜濾光片與角度和偏振有關(guān)，這使得它們的應(yīng)用不太靈活，只能與特定的工作條件兼容。由于光學(xué)干涉濾光片傾斜遠(yuǎn)離垂直入射，因此透射光譜發(fā)生“藍(lán)移"，這意味著光譜特征向較短波長(zhǎng)移動(dòng)（圖3）。隨著入射角的增加，這種偏移變得更加明顯。

圖3.通過(guò)各種濾光片技術(shù)的透射率。彩色玻璃濾光片在一個(gè)表面上具有完/美的抗反射涂層，而干涉+彩色玻璃濾光片在兩個(gè)表面上都有涂層。

干涉濾光涂層的工作溫度范圍通常低于有色玻璃的工作溫度范圍，并且該溫度范圍隨不同的薄膜設(shè)計(jì)而變化。此外，UV涂層通常更容易損壞且難以清潔，這使得它們更適合用于精密的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，而不是成本較低的便攜式設(shè)備。

在對(duì)位中，涂層可以被優(yōu)化以更耐刮擦，或者它們可以用特殊的化學(xué)物質(zhì)配制以更具惰性。通常，當(dāng)需要寬帶和強(qiáng)阻擋時(shí)，甚至將電介質(zhì)涂層添加到彩色玻璃濾光片中。涂層和彩色玻璃基板濾光片都會(huì)降低光通量的總量，但這些混合解決方案提供了急劇的過(guò)渡和寬波長(zhǎng)覆蓋范圍（圖3）。

選擇彩色濾光片

其廣泛的阻隔能力、高性?xún)r(jià)比以及對(duì)入射角和偏振的不敏感性，使彩色玻璃濾光片成為許多不需要極窄帶寬的生命科學(xué)應(yīng)用的理想選擇，如血?dú)獗O(jiān)測(cè)、眼科和其他診斷設(shè)備系統(tǒng)（圖4）。

圖4.便攜式血氧儀用于測(cè)量氧氣水平和脈搏率。便攜式、低成本的生命科學(xué)設(shè)備尤其受益于結(jié)合彩色玻璃濾光片。

雖然濾光玻璃通常被描述為“彩色"玻璃，但它與建筑玻璃的不同之處在于，它不是被設(shè)計(jì)成具有令人愉悅的可見(jiàn)顏色。相反，這些濾光片的關(guān)鍵特性是其透射光譜的精確性和均勻性。光學(xué)濾光玻璃具有高的內(nèi)部質(zhì)量，允許其用于簡(jiǎn)單的傳感應(yīng)用以及高分辨率成像。在正常條件下，濾光玻璃的壽命可長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì)。

化學(xué)性質(zhì)

在指/定彩色玻璃濾光片時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素，以確保濾光片在系統(tǒng)或應(yīng)用中發(fā)揮最佳性能。不同基質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)可能不同，在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外使用的系統(tǒng)中，考慮這些材料特性的潛在影響尤為重要。相同濾色片玻璃的化學(xué)性質(zhì)也可能存在批次間的差異，這取決于其所來(lái)自的熔體。

這引起了對(duì)用于便攜式血氧計(jì)、pH計(jì)和其他可能暴露于濕氣和污染物的診斷設(shè)備的過(guò)濾器的耐腐蝕性和其他化學(xué)參數(shù)的考慮。濾光片的化學(xué)性質(zhì)不僅會(huì)影響最終成分的使用，還會(huì)影響其儲(chǔ)存方式。

不同的玻璃制造商以不同的方式指/定材料屬性，但電阻等級(jí)編號(hào)通常用于描述材料的化學(xué)屬性。等級(jí)編號(hào)越低，表示電阻越高1。隨著時(shí)間的推移，由于暴露在濕氣中，敏感的玻璃類(lèi)型可能會(huì)形成輕微渾濁的殘留物。這種殘留物的最初積累可以通過(guò)拋光去除，但長(zhǎng)時(shí)間暴露在溫暖潮濕的環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生大量的殘留物，這可能會(huì)破壞濾光片的表面質(zhì)量。類(lèi)似地，將濾光片暴露在微酸性水中有時(shí)會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，其中離子在水中的水合氫離子和有色玻璃中的陽(yáng)離子之間交換。這些相互作用可能會(huì)在濾光片表面產(chǎn)生污漬。

ISO 8424將耐酸性定義為玻璃在通過(guò)層壓物質(zhì)、碳酸水、玻璃排汗和其他方法暴露于大量酸性溶液后的行為。彩色玻璃濾光片的耐酸等級(jí)描述了酸產(chǎn)生的影響，超出了耐污性等級(jí)中所述的影響（見(jiàn)第49頁(yè)的表格）。ISO 10629同樣描述了玻璃對(duì)堿性液體反應(yīng)的敏感性，包括通常用于研磨和拋光的冷卻液。

此外，長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽(yáng)光或其他強(qiáng)烈的紫外線輻射下可能會(huì)導(dǎo)致日曬作用，這可能會(huì)永/久降低彩色玻璃濾光片的透射率。曝光量取決于紫外光源的光譜、強(qiáng)度、曝光時(shí)間和玻璃的耐曝曬性。日曬作用通常導(dǎo)致通過(guò)的波段的位于短波的邊緣向較長(zhǎng)波長(zhǎng)偏移，并且導(dǎo)致透射帶寬的總體減小。當(dāng)在數(shù)據(jù)表上列出時(shí)，更容易日曬的玻璃通常用符號(hào)標(biāo)記，表示暴露于紫外線輻射的應(yīng)用中的這一問(wèn)題。需要注意的是，玻璃的日曬作用是一種不會(huì)破壞玻璃基體的作用。相反，它只是改變了透射率屬性。這對(duì)于塑料材料來(lái)說(shuō)是非常不同的，塑料材料會(huì)降解并變脆。

當(dāng)為應(yīng)用選擇濾光片時(shí)，明智的做法是查看供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中報(bào)告的耐化學(xué)性等級(jí)，并聯(lián)系供應(yīng)商討論哪些等級(jí)足以滿(mǎn)足應(yīng)用。供應(yīng)商應(yīng)能夠?yàn)樘囟ㄏ到y(tǒng)確定正確的彩色玻璃濾光片基板，推薦可能需要的任何額外保護(hù)涂層，并在需要時(shí)提供額外解決方案的指導(dǎo)。

機(jī)械性能

在濾光片能暴露于機(jī)械應(yīng)力、灰塵或其他物理接觸的情況下，濾光片通常需要一定的機(jī)械性能。濾光片的努氏硬度描述了其對(duì)壓痕和磨損的抵抗力。為了測(cè)試阻力，根據(jù)ISO 9285協(xié)議，金剛石工具通常以0.9807 N的測(cè)試力和20秒的有效測(cè)試周期被壓入濾光片中。同樣，這一問(wèn)題對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外使用的便攜式生命科學(xué)設(shè)備更為重要，因?yàn)樗鼈兏嗟乇┞队跈C(jī)械接觸和污染物。

玻璃的強(qiáng)度描述了在玻璃破裂之前每單位面積所能施加的力的大小，它不是一個(gè)純粹依賴(lài)于材料的屬性。與金屬或塑料不同，玻璃的強(qiáng)度取決于基底材料及其表面質(zhì)量。濾光片表面的劃痕和邊緣的碎片可能會(huì)極大地降低組件的強(qiáng)度。

除了嚴(yán)格意義上的機(jī)械性能之外，諸如熱膨脹和由濾光片的不均勻加熱引起的應(yīng)力之類(lèi)的熱特性可能是某些應(yīng)用中的因素。玻璃可以承受高溫，但它們對(duì)組件內(nèi)的熱沖擊或大的溫度梯度敏感。與化學(xué)性質(zhì)一樣，玻璃制造商提供的數(shù)據(jù)表中通常會(huì)列出機(jī)械和熱特性，這為了解這些參數(shù)如何影響特定應(yīng)用的濾光片選擇提供了一個(gè)很好的起點(diǎn)。

了解各種可用的濾光片技術(shù)、它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及要尋找的材料特性，將有助于為任何應(yīng)用選擇合適的濾光片。在需要寬阻擋、成本效益以及對(duì)角度和偏振不敏感的系統(tǒng)中，彩色玻璃濾光片通常是理想的解決方案。