為生命科學應用選擇彩色濾光片

為(wei) 生命科學應用選擇彩色濾光片

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

在生命科學應用中，從(cong) 監測血液中的氧氣和pH值到熒光檢測，到用於(yu) 檢測COVID/-19的聚合酶鏈反應（PCR）測試，再到紫外線殺菌，濾光片對於(yu) 選擇性通過和阻擋特定波長至關(guan) 重要。在生命科學係統中使用有色玻璃濾光片和塗覆的介質濾光片。了解每種濾光片類型的優(you) 缺點，可確保係統設計人員能夠實現其應用所需的性能。當使用彩色玻璃濾光片時，在選擇適當的解決(jue) 方案時，還應牢記有關(guan) 化學和機械性能的幾個(ge) 關(guan) 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、經濟實惠的價(jia) 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範圍同時透射其他波長範圍的元素、染料或其他著色劑的基板（圖1）。吸收量取決(jue) 於(yu) 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(men) 非常適合阻擋各種波長，因為(wei) 使用鍍膜幹涉濾光片在大波長範圍內(nei) 實現強阻擋是困難且昂貴的（圖2）。

圖2.鍍膜幹涉濾光片的性能數據顯示，與(yu) 可比彩色玻璃濾光片的數據相比，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(wei) 6（意味著透射率低於(yu) 10-6）。塗層濾光片的可見光譜中增加的波動可能是由於(yu) 分光光度計噪聲引起的。

通常，彩色玻璃濾光片也比塗層濾光片便宜，這使得它們(men) 更容易部署在設計用於(yu) 現場的低成本、便攜式生命科學係統中。它們(men) 的性能與(yu) 入射角或偏振無關(guan) ，這使得對準和偏振的考慮不如鍍膜濾光片那麽(me) 重要。

有色玻璃中的吸收性著色劑均勻地分布在整個(ge) 濾光片基材中，而不是作為(wei) 表麵水平的塗層施加。濾光玻璃從(cong) 固定在玻璃基質中的離子或從(cong) 膠體(ti) 半導體(ti) 納米晶體(ti) 獲得其特性。這使得彩色玻璃濾光片可以在比塗層濾光片更高的溫度下使用，並且更容易清潔。

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(men) 在高功率激光係統中的使用，但是這種質量對於(yu) 減少雜散光是有益的。如果入射光的功率太高，熱量可能會(hui) 積聚，從(cong) 而導致濾光片變形。

當與(yu) 塗層濾光片相比時，彩色玻璃濾光片也具有它們(men) 的其它缺點。有色玻璃可以在寬的波長範圍內(nei) 起作用，但是電介質塗層通常實現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變。因為(wei) 彩色玻璃濾光片的性能取決(jue) 於(yu) 厚度，所以這些濾光片需要拋光到非常特定的厚度，以便調節特定的光譜性能。如果所需的厚度不能作為(wei) 標準零件提供，則過濾光片可能需要定製拋光。此外，在空間有限的小型化裝置中，有時不能使用厚度為(wei) 幾毫米的濾光片。

濾光片透射率和厚度之間的關(guan) 係可以描述為(wei) ：

其中^τd₁是在厚度d₁處的透射率，P(λ)是波長相關(guan) 的反射因子，並且^τd₂
(λ)是在測量的參考厚度d₂處的透射率。

塗層幹涉濾光片

塗覆的幹涉濾光片利用介電塗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用的理想解決(jue) 方案，但鍍膜幹涉濾光片為(wei) 需要最大吞吐量和尖銳光譜轉換的高性能應用提供了理想的解決(jue) 方案。如果需要，塗層可以精確地通過或阻擋窄波段的波長。

濾光玻璃製造商使用耐酸等級來表征不同玻璃類型的靈敏度

二向色幹涉塗層反射不需要的波長，但允許有用的輻射穿過光學係統。在熒光應用中，這是有益的，因為(wei) 激發波長可以被反射到樣品上，而較長的發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(hui) 產(chan) 生雜散光。

由於(yu) 鍍膜幹涉濾光片不吸收光，因此其熱敏性低於(yu) 彩色濾光片玻璃，並且與(yu) 激光和其他高功率光源的兼容性更好。幹涉濾光片由交替的薄膜層製成，整個(ge) 堆疊的厚度可能隻有幾微米，這使得這些濾光片能夠適應令人難以置信的小設計。

然而，如前所述，與(yu) 濾光片玻璃相比，塗覆的幹涉濾光片具有一些缺點。鍍膜濾光片與(yu) 角度和偏振有關(guan) ，這使得它們(men) 的應用不太靈活，隻能與(yu) 特定的工作條件兼容。由於(yu) 光學幹涉濾光片傾(qing) 斜遠離垂直入射，因此透射光譜發生“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的透射率。彩色玻璃濾光片在一個(ge) 表麵上具有完/美的抗反射塗層，而幹涉+彩色玻璃濾光片在兩(liang) 個(ge) 表麵上都有塗層。

幹涉濾光塗層的工作溫度範圍通常低於(yu) 有色玻璃的工作溫度範圍，並且該溫度範圍隨不同的薄膜設計而變化。此外，UV塗層通常更容易損壞且難以清潔，這使得它們(men) 更適合用於(yu) 精密的實驗室設備，而不是成本較低的便攜式設備。

在對位中，塗層可以被優(you) 化以更耐刮擦，或者它們(men) 可以用特殊的化學物質配製以更具惰性。通常，當需要寬帶和強阻擋時，甚至將電介質塗層添加到彩色玻璃濾光片中。塗層和彩色玻璃基板濾光片都會(hui) 降低光通量的總量，但這些混合解決(jue) 方案提供了急劇的過渡和寬波長覆蓋範圍（圖3）。

選擇彩色濾光片

其廣泛的阻隔能力、高性價(jia) 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(wei) 許多不需要極窄帶寬的生命科學應用的理想選擇，如血氣監測、眼科和其他診斷設備係統（圖4）。

圖4.便攜式血氧儀(yi) 用於(yu) 測量氧氣水平和脈搏率。便攜式、低成本的生命科學設備尤其受益於(yu) 結合彩色玻璃濾光片。

雖然濾光玻璃通常被描述為(wei) “彩色"玻璃，但它與(yu) 建築玻璃的不同之處在於(yu) ，它不是被設計成具有令人愉悅的可見顏色。相反，這些濾光片的關(guan) 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(nei) 部質量，允許其用於(yu) 簡單的傳(chuan) 感應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(ge) 世紀。

化學性質

在指/定彩色玻璃濾光片時，需要考慮幾個(ge) 關(guan) 鍵因素，以確保濾光片在係統或應用中發揮最佳性能。不同基質的化學性質可能不同，在受控實驗室環境之外使用的係統中，考慮這些材料特性的潛在影響尤為(wei) 重要。相同濾色片玻璃的化學性質也可能存在批次間的差異，這取決(jue) 於(yu) 其所來自的熔體(ti) 。

這引起了對用於(yu) 便攜式血氧計、pH計和其他可能暴露於(yu) 濕氣和汙染物的診斷設備的過濾器的耐腐蝕性和其他化學參數的考慮。濾光片的化學性質不僅(jin) 會(hui) 影響最終成分的使用，還會(hui) 影響其儲(chu) 存方式。

不同的玻璃製造商以不同的方式指/定材料屬性，但電阻等級編號通常用於(yu) 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，由於(yu) 暴露在濕氣中，敏感的玻璃類型可能會(hui) 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境中會(hui) 產(chan) 生大量的殘留物，這可能會(hui) 破壞濾光片的表麵質量。類似地，將濾光片暴露在微酸性水中有時會(hui) 引起化學反應，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(hui) 在濾光片表麵產(chan) 生汙漬。

ISO 8424將耐酸性定義(yi) 為(wei) 玻璃在通過層壓物質、碳酸水、玻璃排汗和其他方法暴露於(yu) 大量酸性溶液後的行為(wei) 。彩色玻璃濾光片的耐酸等級描述了酸產(chan) 生的影響，超出了耐汙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(ti) 反應的敏感性，包括通常用於(yu) 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(hui) 導致日曬作用，這可能會(hui) 永/久降低彩色玻璃濾光片的透射率。曝光量取決(jue) 於(yu) 紫外光源的光譜、強度、曝光時間和玻璃的耐曝曬性。日曬作用通常導致通過的波段的位於(yu) 短波的邊緣向較長波長偏移，並且導致透射帶寬的總體(ti) 減小。當在數據表上列出時，更容易日曬的玻璃通常用符號標記，表示暴露於(yu) 紫外線輻射的應用中的這一問題。需要注意的是，玻璃的日曬作用是一種不會(hui) 破壞玻璃基體(ti) 的作用。相反，它隻是改變了透射率屬性。這對於(yu) 塑料材料來說是非常不同的，塑料材料會(hui) 降解並變脆。

當為(wei) 應用選擇濾光片時，明智的做法是查看供應商數據表中報告的耐化學性等級，並聯係供應商討論哪些等級足以滿足應用。供應商應能夠為(wei) 特定係統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塗層，並在需要時提供額外解決(jue) 方案的指導。

機械性能

在濾光片能暴露於(yu) 機械應力、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(wei) 了測試阻力，根據ISO 9285協議，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，這一問題對於(yu) 在實驗室環境之外使用的便攜式生命科學設備更為(wei) 重要，因為(wei) 它們(men) 更多地暴露於(yu) 機械接觸和汙染物。

玻璃的強度描述了在玻璃破裂之前每單位麵積所能施加的力的大小，它不是一個(ge) 純粹依賴於(yu) 材料的屬性。與(yu) 金屬或塑料不同，玻璃的強度取決(jue) 於(yu) 基底材料及其表麵質量。濾光片表麵的劃痕和邊緣的碎片可能會(hui) 極大地降低組件的強度。

除了嚴(yan) 格意義(yi) 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力之類的熱特性可能是某些應用中的因素。玻璃可以承受高溫，但它們(men) 對組件內(nei) 的熱衝(chong) 擊或大的溫度梯度敏感。與(yu) 化學性質一樣，玻璃製造商提供的數據表中通常會(hui) 列出機械和熱特性，這為(wei) 了解這些參數如何影響特定應用的濾光片選擇提供了一個(ge) 很好的起點。

了解各種可用的濾光片技術、它們(men) 的優(you) 點和缺點，以及要尋找的材料特性，將有助於(yu) 為(wei) 任何應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係統中，彩色玻璃濾光片通常是理想的解決(jue) 方案。