CN106706589B - 一种用于细胞分析仪的荧光检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，该荧光检测系统包括物镜、光纤、凹面镜组、柱透镜组、分光镜组、带通滤光片组、透镜组和探测器组等。本发明将多波长荧光信号按波长在空间内分开并以1×放大率成像于探测器上，实现荧光的分析检测；本发明具有结构紧凑，体积小、调试简单等优点；本发明分析检测荧光波长数目也可以根据客户实际需要进行灵活调整。
Description
技术领域
本发明涉及医疗仪器领域，尤其涉及一种用于细胞分析仪的荧光检测系统。
背景技术
在生物和医疗领域，往往采用流式细胞分析仪来定量统计和分析生物细胞种类和数量。流式细胞分析仪采用荧光试剂对样本染色，被染色的样本粒子经过检测区，同时利用激光光束照射检测区，不同种类的被染色的样本粒子发出不同波长的荧光信号，这些不同波长的荧光混合在一起被物镜所收集。同时采用分光镜和带通滤光片将荧光分成不同波长的荧光信号，然后逐一分析这些不同波长的荧光信号，通过软件计算，快速统计出样本中粒子的种类和数量。
美国专利US 6683314采用了星形光路系统来收集检测荧光信号。在该发明中，使用长焦距物镜来收集荧光，但荧光在传输过程中的像差和发散角问题限制其能检测的荧光波长数目，故该发明仅能检测不超过6种波长的荧光；同时，入射到探测器光敏面上的荧光光斑大于3mm。因此该发明提出的技术不仅只能采用大表面积的光电倍增管(PMT)作为探测器，故整个系统体积比较大。
中国专利文献公开的CN 103091311 A设计了一种荧光收集检测系统，该系统采用双棱镜组分光的方式将宽光谱范围的荧光按波长在空间依次排列开。根据待检测荧光波长数量使用相同数量的光纤组，来传输荧光信号。整个系统对双棱镜和光纤组的位置精度要求较高，因此导致整个系统的调整难度也进一步增大。
发明内容
本发明旨在，提供一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，能够实现检测的荧光波长数目不受其在传输过程的像差和发散角的限制，同时整个系统应具有结构紧凑、体积小和调试简单等优点。
本发明的目的通过以下技术来实现：
这种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述的荧光检测系统包括构成检测区的物镜、光纤、凹面镜组、柱透镜组、分光镜组、带通滤光片组、透镜组和探测器组，由上述构件组成的荧光检测系统对经过检测区的染色样本粒子在经激光照射后发出的荧光进行收集检测；
其中：
所述物镜用于收集和准直样本粒子受激光激发后产生的荧光；
所述光纤包括入射端面和出射端面，所述光纤用于传输经物镜准直后的荧光；
所述凹面镜组包括若干呈阵列排布的、用于反射荧光的凹面镜，所述凹面镜的凹面镀有全反膜且其凹面朝向光纤；
所述柱透镜组包括若干呈阵列排布的、用于校正像散的平凸柱透镜，所述柱透镜两个面均镀有增透膜系；
所述分光镜组包括若干呈阵列排布的分光镜，每个分光镜会根据待测的荧光波长分别镀膜，使得大于某波长的荧光信号通过，而小于该波长的荧光信号被反射；
所述带通滤光片组包括若干呈阵列排布的带通滤光片，每个滤光片会根据待测的荧光波长分别镀膜，使得特定波长的荧光通过，而其它波长的荧光全部被反测的荧光波长分别镀膜，使得特定波长的荧光通过，而其它波长的荧光全部被反射；
所述透镜组包括若干呈阵列排布的非球面透镜，每个非球面透镜的两个面均镀有增透膜系，非球面透镜将分光镜上的荧光光斑成像于探测器的光敏面上；
所述探测器组包括若干呈阵列排布的探测器，所述探测器对应带通滤波片划分出的荧光波长而设置，所述探测器用于接收荧光信号，并将荧光信号转换为电信号。
所述分光镜设于与之对应的凹面镜的二倍焦距位置处附近。
所述探测器的光敏面位于与之对应的非球面透镜的二倍焦距位置处附近。
所述分光镜位于与之对应的非球面透镜的二倍焦距位置处附近。
所述光纤的入射端面位于物镜的焦点处附近；所述光纤的出射端面位于凹面镜的二倍焦距位置处附近。
所述物镜，具有较高的数值孔径(NA)，NA为0.5-1.4。
所述光纤，具有较的低数值孔径，NA为0.05-0.15。
所述呈阵列排布的非球面透镜，具有较高的数值孔径，NA为0.5-0.9。
所述柱透镜阵列中的柱透镜的凸的曲率面背向探测器。
所述探测器阵列的光敏面朝向透镜；所述探测器为光电倍增管(PMT)或雪崩光电二极管(APD)。
根据以上技术方案提出的本发明，该荧光检测系统采用Z型光路，使用低数值孔径光纤输出荧光信号，同时采用柱透镜校正荧光的发散角和像散，非球面透镜校正荧光信号的色差和球差等像差，最终将荧光信号按波长在空间内依次排列开并以1x放大率成像于探测器的光敏面上，且在探测器光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。因此本发明可使用小表面积的探测器(<1mm，如雪崩二极管APD)作为探测器，来大幅降低系统体积；该发明能够实现检测的荧光波长数目可根据客户需要增加或减小，可实现对一种或同时多种波长荧光信号的检测，具有更好客户适应性；同时，本发明的光学器件对调整精度要求不高，具有更好的成本优势，和生产工艺简单等优点。
附图说明
图1为本发明的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统的流动室、物镜和光纤的组合示意图；
图2为本发明的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统内部结构示意图；
图3为本发明中荧光信号在系统中的传输的光路示意图；
其中，1A为流动室；1B为物镜；2为光纤，21为光纤入射端面，22为光纤出射端面；
3为凹面镜组，包括凹面镜31、32、33、34和35；
4为柱透镜组，包括柱透镜41、42、43、44和45；
5为分光镜组，包括分光镜51、52、53、54和55；
6为带通滤光片组，包括带通滤光片61、62、63、64和65；
7为透镜组，包括非球面透镜71、72、73、74和75；
8为探测器组，包括探测器81、82、83、84和85。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
这种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述的荧光检测系统包括构成检测区的物镜1B、光纤2、凹面镜组3、柱透镜组4、分光镜组5、带通滤光片组6、透镜组7和探测器组8，由上述构件组成的荧光检测系统对经过检测区的染色样本粒子在经激光照射后发出的荧光进行收集检测；
其中：
所述物镜用于收集和准直样本粒子受激光激发后产生的荧光；
所述光纤包括入射端面和出射端面，所述光纤用于传输经物镜准直后的荧光；
所述凹面镜组包括若干呈阵列排布的用于反射荧光信号的凹面镜，所述凹面镜的凹面镀有全反膜且其凹面朝向光纤；
所述柱透镜组包括若干呈阵列排布的、用于校正像散的平凸柱透镜，所述柱透镜两个面均镀有增透膜系；
所述分光镜组包括若干呈阵列排布的分光镜，每个分光镜会根据待测的荧光波长分别镀膜，使得大于某波长的荧光信号通过，而小于该波长的荧光信号反射；
所述带通滤光片组包括若干呈阵列排布的带通滤光片，每个滤光片会根据待测荧光波长分别镀膜，使得特定波长的荧光通过，而其它波长的荧光全部被反射；
所述透镜组包括若干呈阵列排布的非球面透镜，每个非球面透镜的两个面均镀有增透膜系，非球面透镜将通过分光镜上的荧光光斑成像于探测器的光敏面上；
所述探测器包括若干呈阵列排布的探测器，所述探测器对应带通滤波片划分出的荧光波长而设置，所述探测器用于接收荧光信号，并将荧光信号转换为电信号。
如图1和如图2所示，本发明实施例所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，该系统包括：
光路中放置着流动室1A，物镜1B，光纤2(包括入射端面21和出射端面22)，凹面镜组3(包括5个凹面镜，分别是31、32、33、34和35)，柱透镜组4(包括5个柱透镜，分别是41、42、43、44和45)，分光镜组5(包括五个分光镜，分别是51、52、53、54和55)，带通滤光片组6(包括5个带通滤波片，分别是61、62、63、64和65)，透镜组7(包括5个非球面透镜，分别是71、72、73、74和75)，和探测器组8(包括5个探测器，分别是81、82、83、84、85)。
其中，凹面镜的凹面均镀有全反膜系，用于反射荧光信号；柱透镜和非球面透镜均镀有增透膜系；分光镜会根据待测荧光波长分别镀膜，使得大于某波长的荧光通过，而小于该波长的荧光信号会被反射；带通滤光片会根据待测荧光波长分别镀膜，使得特定波长的荧光通过，而其他波长的荧光则全部反射；
采用荧光试剂对样本粒子染色，染色后的样本粒子通过流动室1A，同时激光照射流动室，样本粒子受激发后发射出荧光信号，其中荧光信号包含宽频多种波长荧光，波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5，且λ1>λ2>λ3>λ4>λ5；由具有高数值孔径的物镜1B收集样本粒子产生的荧光信号，并将荧光信号准直；准直后的荧光通过光纤入射端面21，进入光纤2，并从光纤出射端面22输出；其中，光纤入射端面21位于物镜的焦点位置附近，光纤出射端面22位于凹面镜的二倍焦距位置附近。
由光纤出射端面22输出后的荧光信号(包含波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5)，以一定角度传输至凹面镜31并被反射；其中入射角度为10-35°；由于凹面镜31在水平面和垂直面上的焦距不同，导致荧光信号(包含波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5)经凹面镜31反射后在水平和垂直方向会产生像散；
具有像散的荧光信号(包含波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5)，通过柱透镜41，接着入射到分光镜51上。其中，柱透镜41的凸面朝向凹面镜，且凸的曲率面为垂直方向放置，荧光信号通过柱透镜时，柱透镜只对垂直方向的荧光进行聚焦，而不对水平方向的荧光聚焦，这样就可以矫正荧光信号(包含波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5)的像散；同时，分光镜51位于凹面镜31的两倍焦距位置处附近，这样在分光镜51上的荧光信号的水平和垂直方向的光斑尺寸基本接近，且与光纤芯径基本相等。
分光镜51镀有λ1高透，而小于λ1波长高反的膜系；因此波长λ1的荧光通过分光镜51，而波长为λ2、λ3、λ4、λ5则会反射。波长λ1的荧光依次通过分光镜51，带通滤光片61，再通过非球面透镜71成像于探测器81的光敏面上。其中探测器81的光敏面和分光镜51均位于非球面透镜71的二倍焦距位置处附近，同时非球面透镜71可校正荧光的球差和色差等像差，因此，分光镜51上的荧光光斑会以1x放大率成像于探测器81的光敏面上。探测器81可为光电倍增管(PMT)或小表面积(<1mm)的雪崩光电二极管(APD)。
简而言之，波长为λ1的荧光信号从光纤输出端面22输出，通过凹面镜31、柱透镜41、分光镜51、带通滤光片61，最终通过非球面透镜71，以1×放大率成像于探测器81的光敏面上。且在探测器光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤的芯径基本相等。而波长为λ2，λ3，λ4，λ5的荧光信号则被分光镜51反射。
被分光镜51反射后的荧光信号(包含波长λ2、λ3、λ4、λ5)，以一定入射角传输至凹面镜32并被反射；其中，其入射角由荧光信号在分光镜51上的反射角决定，并与光纤2的数值孔径NA成正比；其中，分光镜51位于凹面镜32的二倍焦距位置处附近；由于凹面镜32在水平面和垂直面上的焦距不同，导致荧光信号(包含波长λ2、λ3、λ4、λ5)经凹面镜32反射后会产生像散；
具有像散的荧光信号(包含波长λ2、λ3、λ4、λ5)，通过柱透镜42，接着入射到分光镜52上。其中，柱透镜42的凸面朝着凹面镜32，且凸的曲率面为垂直方向放置，荧光信号经过柱透镜42时，柱透镜42只对垂直方向的荧光信号进行聚焦，而不对水平方向的荧光聚焦，这样就可以矫正荧光信号(包含波长λ2、λ3、λ4、λ5)的像散；同时，分光镜52位于凹面镜32的二倍焦距位置处附近，这样在分光镜52上的荧光的水平和垂直方向的光斑尺寸基本接近，与光纤芯径基本相等。
分光镜52镀有波长λ2高透，而小于λ2的波长高反的膜系；因此波长λ2的荧光可通过分光镜52，而波长为λ3、λ4、λ5的荧光则会反射。波长λ2的荧光依次通过分光镜52，带通滤光片62，最终通过非球面透镜72成像于探测器82的光敏面上。其中探测器82的光敏面和分光镜52均位于非球面透镜72的二倍焦距位置处附近，同时非球面透镜72可校正荧光的球差和色差等像差，因此，分光镜52上的荧光光斑会以1x放大率成像于探测器72的光敏面上。探测器72可为光电倍增管(PMT)或小表面积(<1mm)的雪崩光电二极管(APD)。
简而言之，波长为λ2的荧光信号从光纤输出端面22输出，通过凹面镜31、柱透镜41、分光镜51、凹面镜32、柱透镜42、分光镜52、带通滤光片62，最终通过非球面透镜72，以1×放大率成像于探测器82的光敏面上，且在探测器82光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。而λ3，λ4，λ5的荧光信号则被分光镜52反射，继续在光路中传输。
荧光在起反射作用的凹面镜组和分光镜组内来回反射传输，轨迹为Z型光路，在光路中，柱透镜校正像散，非球面镜校正球差和色差等球差，简而言之：
波长为λ3的荧光信号从光纤输出端面22输出，先通过凹面镜31、32，柱透镜41、42，分光镜51、52，再通过凹面镜33、柱透镜43、分光镜53，通过带通滤光片63和非球面透镜73，最终以1×放大率成像于探测器83的光敏面上。且在探测器83光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。分光镜53镀有λ3波长高透，而小于λ3的波长高反的膜系；因此λ4，λ5的荧光信号则被分光镜53反射，继续在光路中传输。
波长为λ4的荧光信号从光纤输出端面22输出，先通过凹面镜31、32、33，柱透镜41、42、43，分光镜51、52、53，再通过凹面镜34、柱透镜44、分光镜54，通过带通滤光片64和非球面透镜74，最终以1×放大率成像于探测器84的光敏面上。且探测器84光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。分光镜54镀有λ4波长高透，而小于λ4的波长高反的膜系；因此λ5的荧光信号则被分光镜54反射，继续在检测系统内传输。
波长为λ5的荧光信号从光纤输出端面22输出，先通过凹面镜31、32、33、34，柱透镜41、42、43、44，分光镜51、52、53、54，再通过凹面镜35、柱透镜45、分光镜55，通过带通滤波片65和非球面透镜75，最终以1×放大率成像于探测器85的光敏面上且在探测器光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。分光镜55镀有λ5高透，而小于λ5的波长高反的膜系。
在以上实施方式中，亦可根据客户实际需求和待测波长数目，来实现荧光信号(包含波长λ1、λ2、λ3、λ4和λ5)中的一种或多种波长的荧光信号的检测。
在以上实施方式中，亦可根据客户实际需求和待测波长数目，通过增加凹面镜、柱透镜、分光镜、带通滤波片、非球面透镜和探测器的数量，来实现大于5种波长的荧光信号的分析检测，实现检测荧光波长数目不受其在传输中的发散角和像差的限制。
针对以上具体实施例中，荧光信号在起反射作用的凹面镜组和分光镜组中来回反射传输的光路轨迹为Z型。现将Z型轨迹光路简化为图3。图3为本发明的凹面镜组和分光镜组示意图，其中省略了图2中的柱透镜组，带通滤光片组，透镜组和探测器组。注意，首先从光纤输出的荧光信号首先经凹面镜M(1)反射后成像于分光镜D(1)处，图1凹面镜M(1)未在图3中画出。其中：
A(0)：荧光信号光斑，可即为光纤孔径；
A(n)：第n个分光镜处的光斑直径；
D(n)：第n个分光镜；
M(n)：第n个凹面镜；
在该设计中，A(0)为荧光信号光斑，其与光纤芯径相等；光纤输出的荧光信号光斑A(0)经凹面镜M(1)反射后，在分光镜D(1)处成像得到光斑A(1)，然后光斑A(1)经凹面镜M(2)反射后在分光镜D(2)处成像得到光斑A(2)，依次类推，在分光镜D(n-1)处的光斑A(n-1)经凹面镜M(n)反射后在分光镜D(n)上成像得到光斑A(n)。在该设计中，A(1)位于凹面镜M(2)前面，A(2)位于凹面镜M(2)后面，依次类推A(n-1)位于凹面镜M(n)前面，A(n)位于凹面镜M(n)后面；同时，分色镜D(1)位于凹面镜M(2)的两倍焦距位置处附近，依次类推，分光镜D(n-1)位于凹面镜M(n)的两倍焦距位置处附近。
荧光在凹面镜M(2)的入射角由其在D(1)处的反射角决定，且与光纤的数值孔径成正比，如果从A(0)到A(1)的放大率为1：m，那么A(1)处入射角大小等于A(0)处入射角乘以因子m。在该设计中A(1)到A(2)，A(2)到A(3)，依次类推，A(n)到A(n+1)的放大率均等于1，即m等于1。故本发明能够将光纤输出的荧光信号按波长在空间依次排列开，并以1×放大率成像于分光镜上。同时，分光镜和探测器均位于与之对应的非球面透镜的二倍焦距位置处，因此整个系统可将光纤输出的荧光信号按波长在空间内依次排列开、并以1X放大率成像于探测器的光敏面上，且能使探测器光敏面上的荧光光斑尺寸与光纤芯径基本相等。
综上所述，包含多个波长的荧光信号经光纤入射到凹面镜后，经过柱透镜组和分光镜组，各荧光在空间内依次分开；在传输过程中，柱面镜校正荧光信号像散，非球面镜校正球差和色差等像差，将荧光信号按波长在空间内依次排列开并以1×放大率入射到相应波长的探测器上；系统分析检测的荧光波长数目可根据客户需要增加或减小，具有更好客户适应性；同时，本发明的光学器件对调整精度要求不高，具有更好的成本优势，和生产工艺。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述的荧光检测系统包括构成检测区的物镜、光纤、凹面镜组、柱透镜组、分光镜组、带通滤光片组和探测器组，由上述构件组成的荧光检测系统对经过检测区的染色样本粒子在经激光照射后发出的荧光进行收集检测；
其中：
所述物镜用于收集和准直样本粒子受激光激发后产生的荧光；
所述光纤包括入射端面和出射端面，所述光纤用于传输经物镜准直后的荧光；
所述凹面镜组包括若干呈阵列排布的、用于反射荧光的凹面镜，所述凹面镜的凹面镀有全反膜且其凹面朝向光纤；
所述柱透镜组包括若干呈阵列排布的、用于校正像散的平凸柱透镜构成，用于校正像散的平凸柱透镜，所述柱透镜两个面均镀有增透膜系；
所述分光镜组包括若干呈阵列排布的分光镜，每个分光镜会根据待测的荧光波长分别镀膜，使得大于某波长的荧光信号通过，而小于该波长的荧光信号被反射；
所述带通滤光片组包括若干呈阵列排布的带通滤光片，每个滤光片会根据待测的荧光波长分别镀膜，使得特定波长的荧光通过，而其它波长的荧光全部被反射；
所述透镜组包括若干呈阵列排布的非球面透镜，每个非球面透镜的两个面均镀有增透膜系，非球面透镜将分光镜上的荧光光斑成像于探测器的光敏面上；
所述探测器组包括若干呈阵列排布的探测器，所述探测器对应带通滤波片划分出的荧光波长而设置，所述探测器用于接收荧光信号，并将荧光信号转换为电信号。
2.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述分光镜设于与之对应的凹面镜的二倍焦距位置处附近。
3.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述探测器的光敏面位于与之对应的非球面透镜的二倍焦距位置处附近。
4.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述分光镜位于与之对应的非球面透镜的二倍焦距位置处附近。
5.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在：所述光纤的入射端面位于物镜的焦点处附近；所述光纤的出射端面位于凹面镜的二倍焦距位置处附近。
6.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述物镜，具有较高的数值孔径(NA)，NA为0.5-1.4。
7.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述光纤，具有较的低数值孔径，NA为0.05-0.15。
8.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述呈阵列排布的非球面透镜，具有较高的数值孔径，NA为0.5-0.9。
9.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述呈阵列排布的柱透镜的凸的曲率面背向探测器。
10.如权利要求1所述的一种用于细胞分析仪的荧光检测系统，其特征在于：所述呈阵列排布的探测器的光敏面朝向透镜；所述探测器为光电倍增管
(PMT)或雪崩光电二极管(APD)。
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