為生命科學應(yīng)用選擇彩色濾光片

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

在生命科學應(yīng)用中，從監(jiān)測血液中的氧氣和pH值到熒光檢測，到用于檢測COVID/-19的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）測試，再到紫外線殺菌，濾光片對于選擇性通過和阻擋特定波長至關(guān)重要。在生命科學系統(tǒng)中使用有色玻璃濾光片和涂覆的介質(zhì)濾光片。了解每種濾光片類型的優(yōu)缺點，可確保系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)其應(yīng)用所需的性能。當使用彩色玻璃濾光片時，在選擇適當?shù)慕鉀Q方案時，還應(yīng)牢記有關(guān)化學和機械性能的幾個關(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、經(jīng)濟實惠的價格點以及對入射角或偏振不敏感的特點。

彩色玻璃濾光片

彩色玻璃濾光片使用包含吸收所需波長范圍同時透射其他波長范圍的元素、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、長通或中性密度濾波。它們非常適合阻擋各種波長，因為使用鍍膜干涉濾光片在大波長范圍內(nèi)實現(xiàn)強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。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）。涂層濾光片的可見光譜中增加的波動可能是由于分光光度計噪聲引起的。

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)計用于現(xiàn)場的低成本、便攜式生命科學系統(tǒng)中。它們的性能與入射角或偏振無關(guān)，這使得對準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阻止了它們在高功率激光系統(tǒng)中的使用，但是這種質(zhì)量對于減少雜散光是有益的。如果入射光的功率太高，熱量可能會積聚，從而導(dǎo)致濾光片變形。

當與涂層濾光片相比時，彩色玻璃濾光片也具有它們的其它缺點。有色玻璃可以在寬的波長范圍內(nèi)起作用，但是電介質(zhì)涂層通常實現(xiàn)對通過的波長的更高透射以及在阻擋和通過的波長之間的更尖銳的轉(zhuǎn)變。因為彩色玻璃濾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準零件提供，則過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)是波長相關(guān)的反射因子，并且^τd₂
(λ)是在測量的參考厚度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反射不需要的光，同時使吸收最小化。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或阻擋窄波段的波長。

濾光玻璃制造商使用耐酸等級來表征不同玻璃類型的靈敏度

二向色干涉涂層反射不需要的波長，但允許有用的輻射穿過光學系統(tǒng)。在熒光應(yīng)用中，這是有益的，因為激發(fā)波長可以被反射到樣品上，而較長的發(fā)射波長被允許通過濾光片到達檢測器。然而，這些被拒絕的波長可能會產(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。

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。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。由于光學干涉濾光片傾斜遠離垂直入射，因此透射光譜發(fā)生“藍移"，這意味著光譜特征向較短波長移動（圖3）。隨著入射角的增加，這種偏移變得更加明顯。

圖3.通過各種濾光片技術(shù)的透射率。彩色玻璃濾光片在一個表面上具有完/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驗室設(shè)備，而不是成本較低的便攜式設(shè)備。

在對位中，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物質(zhì)配制以更具惰性。通常，當需要寬帶和強阻擋時，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降低光通量的總量，但這些混合解決方案提供了急劇的過渡和寬波長覆蓋范圍（圖3）。

選擇彩色濾光片

其廣泛的阻隔能力、高性價比以及對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應(yīng)用的理想選擇，如血氣監(jiān)測、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量氧氣水平和脈搏率。便攜式、低成本的生命科學設(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)計成具有令人愉悅的可見顏色。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。光學濾光玻璃具有高的內(nèi)部質(zhì)量，允許其用于簡單的傳感應(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達幾個世紀。

化學性質(zhì)

在指/定彩色玻璃濾光片時，需要考慮幾個關(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)的化學性質(zhì)可能不同，在受控實驗室環(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性質(zhì)也可能存在批次間的差異，這取決于其所來自的熔體。

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

不同的玻璃制造商以不同的方式指/定材料屬性，但電阻等級編號通常用于描述材料的化學屬性。等級編號越低，表示電阻越高1。隨著時間的推移，由于暴露在濕氣中，敏感的玻璃類型可能會形成輕微渾濁的殘留物。這種殘留物的最初積累可以通過拋光去除，但長時間暴露在溫暖潮濕的環(huán)境中會產(chǎn)生大量的殘留物，這可能會破壞濾光片的表面質(zhì)量。類似地，將濾光片暴露在微酸性水中有時會引起化學反應(yīng)，其中離子在水中的水合氫離子和有色玻璃中的陽離子之間交換。這些相互作用可能會在濾光片表面產(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描述了酸產(chǎn)生的影響，超出了耐污性等級中所述的影響（見第49頁的表格）。ISO 10629同樣描述了玻璃對堿性液體反應(yīng)的敏感性，包括通常用于研磨和拋光的冷卻液。

此外，長時間暴露在陽光或其他強烈的紫外線輻射下可能會導(dǎo)致日曬作用，這可能會永/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、強度、曝光時間和玻璃的耐曝曬性。日曬作用通常導(dǎo)致通過的波段的位于短波的邊緣向較長波長偏移，并且導(dǎo)致透射帶寬的總體減小。當在數(shù)據(jù)表上列出時，更容易日曬的玻璃通常用符號標記，表示暴露于紫外線輻射的應(yīng)用中的這一問題。需要注意的是，玻璃的日曬作用是一種不會破壞玻璃基體的作用。相反，它只是改變了透射率屬性。這對于塑料材料來說是非常不同的，塑料材料會降解并變脆。

當為應(yīng)用選擇濾光片時，明智的做法是查看供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中報告的耐化學性等級，并聯(lián)系供應(yīng)商討論哪些等級足以滿足應(yīng)用。供應(yīng)商應(yīng)能夠為特定系統(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涂層，并在需要時提供額外解決方案的指導(dǎo)。

機械性能

在濾光片能暴露于機械應(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械性能。濾光片的努氏硬度描述了其對壓痕和磨損的抵抗力。為了測試阻力，根據(jù)ISO 9285協(xié)議，金剛石工具通常以0.9807 N的測試力和20秒的有效測試周期被壓入濾光片中。同樣，這一問題對于在實驗室環(huán)境之外使用的便攜式生命科學設(shè)備更為重要，因為它們更多地暴露于機械接觸和污染物。

玻璃的強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，它不是一個純粹依賴于材料的屬性。與金屬或塑料不同，玻璃的強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極大地降低組件的強度。

除了嚴格意義上的機械性能之外，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，但它們對組件內(nèi)的熱沖擊或大的溫度梯度敏感。與化學性質(zhì)一樣，玻璃制造商提供的數(shù)據(jù)表中通常會列出機械和熱特性，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很好的起點。

了解各種可用的濾光片技術(shù)、它們的優(yōu)點和缺點，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。