CN101147092A - 透射光荧光显微镜和可使显微镜适合透射光荧光工作方式的适配套件 - Google Patents

Abstract

一种透射光荧光显微镜(1)，具有样品夹座(5)，照明装置(10)和插装在所述照明装置(10)和所述样品夹座(5)之间的聚光器；所述照明装置(10)包括至少一个LED(15)，可按适合激发分析样品(8)的荧光的光谱带发射，所述照明装置布置在所述样品夹座(5)的下方，从底下照明所述样品(8)；发射滤光器(37)插装在显微镜所述样品夹座(5)和目镜(7)之间，用来对所述样品(8)的荧光发射进行滤光。

Description

透射光荧光显微镜和可使显微镜适合透射光荧光工作方式的适配套件

技术领域

本发明涉及一种透射光荧光显微镜，还涉及一种可以使显微镜适合透射光荧光工作方式的适配套件。

背景技术

人们知道，荧光显微术(包括通过预定光谱带光束来激发一个样品，这个样品可以是自荧光的，也可以是包括了一个荧光团的，并包括检测样品的荧光放射情况)要求样品的一小部分具有非常强烈的照射，从中一定能获得很高的发光度；因此，已知的荧光显微镜都应用高效率的光源，一般都是采用短弧放电或者卤素灯。为了避免与使用这种类型光源相关的缺陷(特别是，高费用和高能耗，短寿命，体积大，发射谱带特宽，因而需要使用沉重的滤光器；样品变质的风险和光效能令人非常不满意)，国际专利申请号WO2004/088387设想了使用一种照明装置，该装置包括多个集成LED模块；照明装置布置在如同大多数采用传统光源的荧光显微镜一样，不是在后面，就是在侧面和样品夹座上方，这样就可以将光从顶部送到样品(所谓的“外照明”方式，其中样品的发光情况可以从激发光源被送到样品的同一侧看到)。

然而，在目前使用的LED的情况下，采用这种布置在样品上可获得的发光强度不能完全令人满意。此外，由于激发光源穿过显微镜物镜到达样品，发光场强取决于所使用物镜的类型；尽管对于放大倍数在大约40X以上的物镜来讲，该场强可能足够了，但在较低放大倍数的情况下(通常用于荧光分析)，这个场强显然是不够的。

另一方面，我们知道传统显微镜，又称“明视场”或“白光”，传统光源(一般都是卤素灯)布置在样品的下方，并与阿贝聚光器一起用于直接白光观察。这些显微镜，按其原有的布置形式，都不能在白光直接观察和荧光分析之间进行选择使用。确实，传统光源，特别是卤素灯具有持续发射光谱：因此，需要使用窄带滤光器进行荧光分析，结果，显著降低了可用辐射功率；这样，出于同样的原因，因为荧光需要一个很高的信号/噪声比，所使用的激励滤光器就很沉，结果又进一步降低了可用辐射功率。此外，荧光分析要求的光束要比白光观察更集中；因为卤素灯丝的尺寸相当大，这些灯都不适合在一个狭窄高辐射密度区域内使激发光集中。出于同样的原因，“白光”显微镜中通常使用的阿贝聚光器不能用于荧光分析，因为即使其光学特性很好，它也不能有效地使光束集中。此外，构成上述聚光器的光学部件同样也可能是荧光的，因此，很显然，在观察期间，信号/噪声比会变得更严重。所以，这类聚光器也应该进行改进，或者最好予以更换，使用一种专门用来可从一种工作方式转换到另一种工作方式的聚光器。所以，当“白光”显微镜采用其原有配置形式时，切换到荧光工作方式实际上是不可能的。

另外，因为透射光荧光分析通常都会引起很高的背景噪声，进而造成很低的信号/背景噪声比，熟悉该项技术的人们都普遍认为，透射光荧光分析并不是很有效，而且/或者需要使用很沉重的滤光器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种荧光显微镜，设计用来克服现有技术中的上述缺陷。

特别是，本发明的一个目的是提供一种荧光显微镜，所述显微镜结构简单，制造经济有效，体积紧凑，成本低，方便使用，而且能耗低；本发明的再一个目的是提供一种实际上是多用途的荧光显微镜，所述显微镜结构简单，可有效地在两种不同工作方式之间进行切换(具体是，直接白光观察和荧光分析)。

按照上述目的，本发明涉及一种透射光荧光显微镜，还涉及一种可使这种显微镜分别适合所附权利要求1和1 6确定的透射光荧光工作方式的适配套件。

本发明所提出的显微镜结构简单，制造经济有效，体积紧凑，成本低，使用方便，能耗低；本发明所提出的显微镜还特别通用，因为它能够始终有效地按照不同的工作方式(尤其是，直接白光观察和荧光分析)选择工作，而且无需人工干预或者复杂的或苛刻的调整。

附图说明

下面参照附图，通过对所述示例的介绍，以便清楚地进一步了解本发明的特性和优点。但本发明并不限于这些示例。附图如下：

图1是依据本发明的显微镜的第一个实施例的简化局部剖面示意图；

图2是图1中的显微镜的放大比例详图；

图3和图4是图1中的显微镜的聚光器的示意图，示出了不同的使用方式；

图5是依据本发明的显微镜的第二个实施例透视图，包括一个传统显微镜和一套荧光工作方式适配套件；

图6是图5中的适配套件的部分分解图；

图7是图5中的显微镜的局部示意图。

具体实施方式

参见图1和2，透射光荧光显微镜1包括底座结构2，所述底座结构基本上都为人们所知，尤其是，带有内部空心底座3，立柱4自该空心底座3垂直伸出，样品夹座5，一个或多个物镜6，和目镜7(为了简化起见，所有熟悉的部件就不再介绍，也不再详细图示了)。要分析的样品8例如通过放置在样品夹座5上的透明滑块9而被支撑。

显微镜1还包括照明装置10，布置在样品夹座5的下方，和聚光器11，布置在照明装置10和样品夹座5之间。

照明装置10包括盒子12和多个集成的照明模块13，这些模块13被盒子12支撑并都提供有各自的LEDs 15(或其它类似的固态光源)；LEDs 15各自具有发射谱带，彼此不同，布置在样品夹座5的下方，用来下方照射在夹座5上的要分析的样品；至少一个LED 15辐射一个适合激发样品的荧光的光谱带。

盒子12采用一种人们熟悉的方式(为了简化起见，此处不再示出)联接到底座3上，但可以分开，这样，照明装置10就完全可以从底座3上移开；盒子12为各个模块13提供了多个安装座16；模块13面对盒子12内的腔室17，提供了出射窗18，使用时布置在聚光器11的前方，并用透明板19封闭。

在图1和图2所示的示例中，但本发明并不限于该示例，照明装置10包括三个模块13，基本上都是按T形布置；中央模块13a一般都沿聚光器11的光轴C与聚光器11对准，而两侧的模块13b、13c都布置在中央模块13a的上方和相对两侧，彼此面对。

每个模块13都包括外壳25，其内装有LED 15，准直器20和沿准直器20的光轴A布置并对准的滤光器21；LED 15由固定到散热器23上的平板22承载；准直器20布置在LED 15的附近，并通过立杆24支撑，悬吊在平板22上方；滤光器21是一个独立滤光器，按照与之相关联的LED 15的发射谱带来选择。外壳25提供有可固定到底座16上的紧固装置26，但可以分开，前端通过透明板27封闭在滤光器21的前方。紧固装置26可以是任何已知类型，例如插销接合方式、螺纹连接方式或搭扣连接方式，其功能是可以使模块13从盒子12上整体拆卸，并可以用带有不同发射谱带的LED的类似模块来替代。

准直器20是一种复杂表面的反射折射准直器，优选全内部反射表面准直器，其形状是这样的，即，它可以收集与之相关联的LED 15的发射，并将其传输到主要为平行光线的光束中。

滤光器21位于准直器20的前方，LED 15的对面，用来选择一个光谱带，向需要分析的样品照射光。滤光器21一般都是圆盘形状，相对于准直器20的光轴A倾斜，优选倾斜角度为大约10度到大约15度。滤光器21的斜度可以避免样品辐射反射(一般为高反射)在滤光器表面时造成的所谓鬼像的形成。

腔室17还具有侧开口28和一对导轨29，成十字布置，而照明装置10还包括一个或多个箔片30，通过滑块31在导轨2上滑动来带动；每个箔片30都位于腔室17内并插装在模块13和聚光器11之间，但可以拆下，彼此可以互换。根据所使用的模块13(继而是LED 15)，箔片30因此可从腔室17的一侧取出，用另一个箔片更换。箔片30可以根据需要尤其使用反射的、二向色的或镜面箔片。

照明装置10还包括一个电子控制单元32(人们熟悉的一种装置，在图1中仅用虚线示出，且与模块13相连接)，用于LEDs 15的管理，该单元控制LEDs 15的选择照明，并可以选择调节LEDs 15的发射强度。

聚光器11是一种阿贝聚光器，其带有外壳33，可安装两个或多个透镜：例如，如图3和图4所示，为三个透镜34。在所有情况下，聚光器11的焦距小于大约20mm，优选小于15mm，而且其数值孔径都大于大约0.8，优选大于大约0.9(众所周知，聚光器的数值孔径NA是表示最大光收集角度特性的一个数量，相对于光轴测量的，且定义为NA＝nsenα，式中，n是聚光器输出端所采用方式的折射指数，而α则是相对于光轴测量的光束的最大输出角)。

焦距和数值孔径值可以理解为“干”，即聚光器11是在空中工作。

根据如下两个典型的荧光显微术工作方式(如图3和图4)，聚光器11准备好要使用，无需改变或调整：

—“干”工作方式，即当聚光器输出口11和置放样品的滑块9之间的机构为空中(如图3)时

—“浸入”工作方式，即当聚光器输出口11和置放样品的滑块9之间(如图4)使用一种液体35，典型地是油时。

在任选的视场光阑(人们已知，图中未示)的帮助下，根据柯勒照明图，聚光器11还可以允许获得一种照明系统。

显微镜1还包括一个滤光器组件36，带有至少一个发射滤光器37(图1)，布置在目镜7之前，用来对样品荧光到达目镜7前(或另外一种人们已知的能够收集样品发射的检测设备)对样品发射的荧光进行滤光。发射滤光器37的选择是按照所使用LED 15的发射情况来进行的；发射滤光器37因而可以从立柱4的底座38上抽出，并可以与另一个滤光器互换，或者可以从滤光器座机构39所携带的多个滤光器中选择，该机构就位于底座38内(例如，从围绕光轴C转动的传送带输送的滤光器中，或通过正交移向光轴C的滑块来输送的滤光器中选择)。

很显然，显微镜1可以提供各种LEDs 15的组合形式；在任何情况下，更换至少其中一个模块13都可以进一步提高显微镜1的多用性。显微镜1的基本布置形式可以是，例如一个白光LED 15，例如布置在模块13b之内，和两个彩色LEDs 15，例如一个蓝色和一个绿色，分别布置在模块13a和13c内。

当使用白光LED时，可将镜面箔片30b(不一定非得是二向色箔片)布置在腔室17内；相反，当使用彩色LEDs时，可将二向色箔片30a布置在腔室17内；如果需要的话，二向色箔片30a还可以允许同时使用两个彩色LEDs。

参见图5和6，与已经介绍过的部件相类似或相同的部件都使用相同的附图标记，透射光荧光显微镜1包括传统白光显微镜la和透射光荧光工作方式适配套件40；显微镜1a可以是市场上任何已知的显微镜，具有上述相同的基本结构2；显微镜1a还包括一个光学/照明装置41，可以是人们熟悉的任何类型的设备，位于底座3上的本体42内，该显微镜提供有传统灯(例如卤素灯)和有关光学器件(已知部件，图中未示)。

适配套件40包括支撑单元45，其装有照明装置10，以及至少一个集成的LED照明模块13，可以插入显微镜底座3和夹座5之间，从底下照明夹座5，还包括支撑单元45的连接机构46，为可分开式，与显微镜的结构2相联，以及聚光器11和滤光器组件36。

支撑单元45带有盒子12，而连接机构46则包括支撑构件47，后者从盒子12内伸出，与结构2的相关部分48相匹配；在图5和图6所给出的示例中，本发明并不限于该示例，支撑构件47是由相应支腿构成，这些支腿从盒子12垂直伸出，并提供有凸肩49，后者座落在底座3的定位器面50上；盒子12可以提供下定位部分(图中未示)，它可以与本体42相匹配，例如本体42的圆周上端缘，从而为显微镜1a上的支撑单元45装配提供了一个基准。

连接机构46还包括任何已知类型的紧固件53(为了简化，图5和图6中只示出了其中一个)，固定到盒子12或支撑构件47上，并可以固定到底座3上，但可以分开式，从而将支撑单元45整体紧固到结构2上；在图6给出的示例中，但本发明并不限于此示例，紧固件53包括钩54，其钩到底座3相对两侧上的底座3的下缘55，还包括相应的杠杆锁56，后者将锁扣54整体连接到支撑构件47上；然而，可以理解的是，其它任何形式的紧固件都可以同样使用，例如弹性夹子，系杆或条带等。

盒子12带有内腔室17，该腔室具有出射窗18，使用时布置在聚光器11的前方，并通过透明板19封闭；腔室17包括内通腔室57，沿X轴线一直延伸，并穿过盒子12布置在出射窗18和下窗5之间，并与出射窗18对准；使用时，当支撑单元45安装在显微镜1a上时，轴线X基本上与聚光器11的光轴C和组件41的光轴重合，而腔室57可以使组件41辐射的光穿过支撑单元45，因而，使得组件41以及安装在显微镜1a上的支撑单元45得以使用。在此示例中，腔室17还提供了与导轨29相关联的侧开口28，在腔室17内形成并相对于X轴线倾斜，穿过该开口，可将安装在沿导轨29上滑动的滑块31上的反射箔片30插入或拔出。根据支撑单元45上安装的模块13(进而是LED 15)，可在腔室17内选择使用不同的箔片30(镜面箔片或二向色箔片)。

另外，盒子12提供至少一个供上述类型LED模块13使用的底座16(因此，也包括一个安装LED 15的壳体25，为了简化起见，图5和图6中未示出准直器20和滤光器21，然而，它们同图1和图2中所示准直器和滤光器完全相同)。

底座16通过周围边缘59划定了界限，其中模块13的壳体25可以插入，并与腔体17相通，这样，模块13一旦安装到底座16上后，就面向腔室17内的箔片30。

壳体25提供有可分开式的紧固装置26，将壳体固定到底座16上，如图1和图2所示，同样，在此示例中，紧固装置26可以是任何已知的类型，应能够将模块13从盒子上完全卸下，并能用另一个类似模块进行更换，类似模块应带有具有一个不同发射谱带的LED。在图5和图6示例中，壳体25在底座16内的紧固是采用螺纹销钉60，其布置形式是穿过外壳12与壳体25外表面上的缺口61相连接。

底座16还设有一对相互面对的弹性接触块64，分别与模块13上的接线柱65相匹配，保证模块13的供电和电子管理，为了简化起见，接触块64和电源(外部电源或蓄电池)之间的电气连接在图中未示。

作为适配套件40组成部分的聚光器11已经在上面进行了叙述，另外，采用标准聚光器的相同的紧固件就可以更换显微镜1的标准聚光器。

滤光器组件36包括与模块13(并可按照所使用的LED来进行选择)结合使用的一个或多个发射滤光器37；如图1所示，滤光器组件36插入底座38上(该底座通常预先安装在传统显微镜上游的目镜7上)。

适配套件40使得显微镜1a适合透射光荧光分析，不需要对显微镜进行任何结构改动或其它任何类型的人工干预，除了更换部件外，而这些部件已经预先安装，可以互换，例如阿贝聚光器和布置在目镜上游的滤光器；因此，用户可以在市场上销售的普通显微镜上安装适配套件，根本无需改动显微镜的功能部件和电气连接。

根据本发明的一个重要方面，包括在显微镜1或属于适配套件40的照明装置10包括模块13，所述模块13提供有可以在紫外线环境下发射的LED-UV；在这种情况下，与LED-UV相关联的准直器20是用低紫外线吸收材料制成的，由于紫外线辐射的影响，基本上不会是荧光的，例如荧光辐射很低或没有荧光辐射的玻璃或聚合材料。另外，聚光器11的透镜34也是用低紫外线吸收材料制成，由于紫外线辐射的影响，基本上不会是荧光的，特别是玻璃。

在最佳实施例结构布置中，如图7所示，带有LED-UV的模块13总是为上述类型，因此，包括了一个壳体25，LED-UV 15就装在其中(它可以在紫外线环境下发射)，准直器20和滤光器21；与LED-UV 15相关联的准直器20由阿贝型聚光器70组成，基本上与聚光器11相同，但是相对于聚光器11而言，它是采用倒置使用，即LED-UV 15是布置在聚光器70的前焦点处；两个阿贝型平衡的聚光器20和70构成的系统形成了很高的数值孔径光学系统，但是，在光学设计原理中，毕竟又是所谓的“全对称”系统，大多数光学象差和主要是像散现象和场曲率都会降低或完全排除，从而提高了激发效率。

为此，很显然，对这里所介绍的和所示出的显微镜的进一步改动或调整都不应脱离本发明所附权利要求的保护范围。

尤其是，根据更进一步改动，照明装置10包括一个单一的“多芯片”LED，能够在不同的发射光谱带下选择发射，而不是多个具有各自不同的发射光谱带的LEDs15；发送到需要分析的样品8的发射光谱带可用单元32进行选择。照明装置10在此情况下包括滤光器座装置(例如，旋转的圆盘传送带式或滑块移动式)，按照所选择的发射光谱带与LED成同一轴线，选择使用适宜的滤光器。

Claims (28)

1.一种透射光荧光显微镜(1)，包括：样品夹座(5)，照明装置(10)和插装在所述照明装置(10)和所述样品夹座(5)之间的聚光器(11)，所述显微镜的特征在于：所述照明装置(10)包括至少一个LED(15)，其按适合激发需要分析的样品(8)的荧光的光谱带发射，并布置在所述样品夹座(5)的下方以从下方照明所述样品(8)；其中，至少一个发射滤光器(37)插装在所述显微镜的所述样品夹座(5)和目镜(7)之间，对所述样品(8)的荧光发射进行滤光。

2.如权利要求1所述的显微镜，其特征在于：所述聚光器(11)的焦距小于大约20mm，优选小于大约15mm。

3.如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于：所述聚光器(11)的数值孔径大于大约0.8，优选大于大约0.9。

4.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：所述照明装置(10)包括多个LEDs(15)，分别具有各自不同的发射光谱带，或者包括一个具有多个不同的发射光谱带的“多芯片”LED，还包括选择器(32)，选择向需要分析的所述样品(8)输送的发射光谱带。

5.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：所述发射滤光器(37)可与另一个发射滤光器互换，或者根据所述照明装置(10)中使用的所述LED发射(15)的情况，可在多个发射滤光器中选择。

6.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：所述LED(15)与准直器(20)和沿所述准直器(20)光轴(A)布置的滤光器(21)相关联，所述滤光器(21)相对于所述准直器(20)的所述光轴(A)而倾斜，优选倾斜角度大约10度到大约15度之间。

7.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：包括至少一个集成的照明模块(13)，可以与又一个具有不同发射光谱带的LED(15)的模块互换。

8.如上述权利要求所述的显微镜，其特征在于：所述可互换的模块(13)包括壳体(25)，壳体内装有LED(15)，准直器(20)和滤光器(21)，所述壳体提供有与底座(16)相连的易松开的紧固件。

9.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：包括多个集成的照明模块(13)，所述模块提供有带不同发射光谱带的LEDs(15)。

10.如权利要求9所述的显微镜，其特征在于：包括三个基本上按T形布置的模块(13)。

11.如权利要求9或10所述的显微镜，其特征在于：包括一个或多个二向色或镜面箔片(30)，可移动地布置在所述模块(13)和所述样品夹座(5)之间。

12.如上述权利要求所述的任一种显微镜，其特征在于：所述照明装置(10)包括可在紫外线环境下发射的LED-UV(15)。

13.如权利要求12所述的显微镜，其特征在于：所述聚光器(11)提供有采用低紫外线吸收材料制成的透镜(34)，由于紫外线辐射的影响，基本上不是荧光的，特别是玻璃。

14.如权利要求12或13所述的显微镜，其特征在于：所述LED-UV(15)与采用低紫外线吸收材料制成的准直器(20，70)相联，由于紫外线辐射的影响，基本上不是荧光的，特别是玻璃。

15.如权利要求12至14所述的任一种显微镜，其特征在于：所述LED-UV(15)与由两个相对的阿贝型聚光器(70，11)组成的对称光学系统相关联。

16.一个可使显微镜适合透射光荧光工作方式的适配套件(40)，其特征在于：包括支撑单元(45)，所述支撑单元装有照明装置(10)，其带有至少一个集成照明模块(13)，而该模块又带有一个LED，可在适合激发样品荧光的光谱带上发射，还包括可将支撑单元(45)连接到显微镜底座(3)上的可分开式联接件(46)，支撑单元(45)可插入到所述显微镜底座和所述样品夹座(5)之间，用于从底下照明所述座架(5)；所述适配套件(40)还包括至少一个发射滤光器(37)，插装在所述显微镜样品夹座(5)和目镜(7)之间，以对所述样品(8)的荧光发射进行滤光。

17.如权利要求16所述的适配套件，其特征在于：包括可安装在所述显微镜上的聚光器(11)，其焦距小于大约20mm，优选小于大约15mm，数值孔径大于大约0.8，优选大于大约0.9。

18.如权利要求16或17所述的适配套件，其特征在于：所述照明装置(10)包括多个LEDs(15)，各自带有不同的发射光谱带，或者包括一个“多芯片”LED，带有多个不同的发射光谱带，还包括选择器(32)，用来选择发送到需要分析的样品的发射光谱带(8)。

19.如权利要求16至18所述的任一种适配套件，其特征在于：所述LED(15)与准直器(20)和沿所述准直器(20)的光轴(A)布置的滤光器(21)相连，所述滤光器(21)相对于所述准直器(20)的光轴(A)而倾斜，优选倾斜角度大约10度到大约15度之间。

20.如权利要求16至19所述的任一种适配套件，其特征在于：包括多个模块(13)，彼此可以互换，且各自带有不同发射光谱带的LEDs。

21.如权利要求15至20所述的任一种适配套件，其特征在于：又包括滤光器组件(36)，可以安装在所述显微镜目镜(7)前面的所述显微镜上，所述滤光器组件包括一个或多个可选择的发射滤光器(37)。

22.如权利要求16至21所述的任一种适配套件，其特征在于：所述照明装置(10)包括LED-UV(15)，其可在紫外线环境下发射。

23.一如上述权利要求所述的适配套件，其特征在于：所述LED-UV(15)与采用低紫外线吸收材料制成的准直器(20，70)和聚光器(11)相关联，由于紫外线辐射的影响，基本上不是荧光的，特别是玻璃。

24.如权利要求22或23所述的适配套件，其特征在于：所述LED-UV(15)与由两个相对的阿贝型聚光器(70，11)组成的对称光学系统相关联。

25.如权利要求16至24所述的任一种适配套件，其特征在于：所述联接机构(46)包括支撑构件(47)，所述支撑构件从所述支撑单元(45)处伸出，与显微镜的底座(3)的相应部分(48)相配合，联接机构还包括紧固件(53)，固定到所述支撑单元(45)上，并可分开式地固定到底座(3)上。

26.如权利要求16至25所述的任一种适配套件，其特征在于：所述支撑单元(45)包括盒子(12)，所述盒子设有内通腔室(57)，沿轴线(X)延伸并穿过盒子(12)布置在两个对准的窗口(18，58)之间，从而可以使光束沿轴线(X)穿过盒子(12)。

27.如权利要求16至26所述的任一种适配套件，其特征在于：所述支撑单元(45)包括盒子(12)，该盒子带有内腔室(17)，内腔室又有侧开口(28)，腔室(17)内设有导轨(29)供滑块(31)滑动，安装在滑块上的反射箔片(30)可以通过所述侧开口插入或抽出。

28.如权利要求16至27所述的任一种适配套件，其特征在于：所述支撑单元(45)上有两个相互面对的弹性接触块(64)，与所述模块(13)内的相应接线柱(65)相配合，确保所述模块(13)的电力和电子管理。

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