CN101236150A - 用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器及其照射单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器及其照射单元，其中光电传感器包括照射单元、流动室和光电探测单元；所述照射单元包括用于发出照射光束的光源和用于将照射光束在流动室内形成光照射区的光束聚焦模块；所述流动室用于使细胞流在鞘液的包裹之下逐个地通过光照射区；所述光电探测单元用于收集细胞在通过流动室时经光照射之后发出的光信息并将光信息转换成电信号；所述光源和光束聚焦模块之间还至少设有用于对X方向的光进行平坦化的光束整形器。本发明能够使照射光束在流动室形成在X方向上的强度分布为均匀分布的光照射区，避免将从不同位置进入光照射区的粒子判断成为不同的粒子，提高稳定性。

Description

用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器及其照射单元

技术领域

本发明涉及基于流式细胞术的仪器，特别涉及一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器及其照射单元。

背景技术

基于流式细胞术的仪器包括流式细胞仪、血液分析仪、尿液分析仪以及粒子分析仪等。这些基于流式细胞术的仪器都是通过一个光电传感器收集和分析粒子的二维或多维光信号数据的方法来识别液体中的不同粒子以将它们分成不同的类别。如图1a、1b所示，现有的用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器通常包括照明单元1、流动室2和光电探测单元(图中未示出)。其中照明单元1一般包括一个光源11和光束聚焦模块13，照明单元1提供一个照射光束，所述照射光束经过光束聚焦模块13整形照射到流动室2的通孔21中形成一个供检测用的光照射区，当细胞流过该光照射区的时候，照射光束就会照射到细胞上发生散射或激发荧光发射等。本专利申请中，将细胞流动的方向定义为Y方向，将光传播方向定义为Z方向，将同时垂直于细胞流动的方向和光传播方向的方向定义为X方向。所述光束聚焦模块能将光源11出射的高斯光束聚焦成一个在Y方向上与细胞尺寸相当、在X方向上与流动室2通孔21的内壁尺寸大小相当的光照射区，在这个区域中光的能量高度集中，这样当细胞通过该区域时容易形成强度较大的散射信号以及荧光信号便于光电探测单元接收。

流动室2提供一个细胞流过的通孔21，在这个通孔21中运用流体聚焦原理将细胞包裹在鞘流中，使细胞逐个地通过光照射区，在光照射区中粒子受到激光的照射而产生不同的光信号，如前向散射信号(FSC)、侧向散射信号(SSC)以及多路的荧光信号(FL)等。

光电探测单元对流动室2中产生的各种光信号进行收集并转换成电信号，并将这些电信号送至后续的分析系统进行处理和分析就可以得到流体中存在的各种细胞的参数，进行计数和分类等处理。

现有技术中都是用两个互相垂直的柱面透镜将出射光束聚焦成一个椭圆形光斑照射到细胞上，照射高斯光束通过一个柱面透镜在X方向上汇聚在流动室2的通孔21处、通过另一个柱面透镜在Y方向上汇聚在流动室2附近。如图2所示，在流动室处的光斑形状是椭圆形，其在Y方向上大约为细胞直径大小，在X方向上大约为流动室2的通孔21内壁尺寸，在X和Y两个方向上的光场分布基本上为高斯分布。

现有技术采用一组柱面透镜对高斯光束进行聚焦仅仅考虑到照射光斑的尺寸要求，并没有考虑在不同方向上的光强度分布的要求。因为用柱面透镜并不能实现“平顶”(flat-top)分布，所以在X和Y方向上，光强仍然呈高斯分布，那么同类的粒子在从不同的位置通过这个光照射区时就会由于照射到其上的光强度不同而形成不同强度的光散射信号或荧光信号，导致对这个粒子的判断出现错误。上述错误可以用图3和图4来解释，图3给出了照射光斑的形状以及在X方向上光强度分布，同类的粒子A和B从不同的位置进入到光照射区域3中，由于光强分布的不均匀性导致照射到处于光斑中心的粒子A和偏离光斑中心的粒子B上的光能量不相同。如图4所示，这将导致处于光斑中心的粒子A和偏离光斑中心的粒子B各自形成的光散射信号就会不同，分别形成光散射信号A和光散射信号B。后续的分析模块就有可能根据光散射信号将粒子B判断成为不同于粒子A的一类粒子，造成误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器，能使照射到细胞上的光束在X方向上实现均匀分布，以消除由于细胞从光照区的不同位置进入而产生的误差。

本发明所要解决的另一个技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器的照射单元，能使照射到细胞上的光束在X方向上实现均匀分布，以消除由于细胞从光照区的不同位置进入而产生的误差。

本发明的第一个技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器，包括照射单元、流动室和光电探测单元；所述照射单元包括用于发出照射光束的光源和用于将照射光束在流动室内形成光照射区的光束聚焦模块；所述流动室用于使细胞流在鞘液的包裹之下逐个地通过光照射区；所述光电探测单元用于收集细胞在通过流动室时经光照射之后发出的光信息并将光信息转换成电信号；所述光源和光束聚焦模块之间还至少设有用于对X方向的光强分布进行平坦化的光束整形器。

优选地，所述光源为激光光源，包括至少两个发出不同特性的高斯光束的激光器，所述光束整形器是衍射光学元件。

所述衍射光学元件为用于对X方向的光强分布进行平坦化的一维衍射光学元件。

所述光束整形器的β＞＝40，所述 $\mathrm{\β}=\frac{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0{y}_0}{\mathrm{\λd}}$ ，其中：ω₀为高斯光束的

腰斑半径，y₀为整形后的光斑的半宽度，λ为入射光的波长，d为光束整形器到整形平面的距离。

所述光束聚焦模块包括在Y方向对光束进行聚焦的聚焦透镜，以及至少两个在X方向进行光束缩放的柱面透镜，所述聚焦透镜的聚焦点在流动室中心。

所述光束聚焦模块在流动室内形成的光照区域的尺寸在Y方向上和细胞直径相当、在X方向上与流动室通孔的内壁的尺寸相当。

本发明的另一个技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器的照射单元，包括用于发出照射光束的光源和用于将照射光束在流动室内形成光照射区的光束聚焦模块，所述光源和光束聚焦模块之间还至少设有用于对X方向的光强分布进行平坦化的光束整形器。

优选地，所述光源为激光光源，包括至少两个发出不同特性的高斯光束的激光器，所述光束整形器是衍射光学元件。

所述衍射光学元件为用于对X方向的光强分布进行平坦化的一维衍射光学元件。

所述光束整形器的β＞＝40，所述 $\mathrm{\β}=\frac{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0{y}_0}{\mathrm{\λd}}$ ，其中：ω₀为高斯光束的腰斑半径，y₀为整形后的光斑半宽度，λ为入射光的波长，d为所述光束整形器到整形平面的距离。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器的照射单元，在激光光源和光束聚焦模块之间还设有光束整形器，能够使照射光束在流动室形成在X方向上的强度分布为均匀分布的光照射区，当同一类细胞或粒子从不同位置进入光照射区时会获得强度基本相同的光信号，从而避免后续的分析模块将从不同位置进入光照射区的同一类粒子误判断成为不同类的粒子，避免了误差，提高系统对粒子识别的分辨能力，提高稳定性。本发明的光电传感器大大提高了基于流式细胞术的仪器的稳定性，从而可以大大降低对流体稳定性的要求，降低了基于流式细胞术的仪器的实现难度。

附图说明

图1a、1b是现有的用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器的结构示意图；

图2是现有的光电传感器形成的照射光斑的形状和光场分布示意图；

图3是照射光斑的形状以及在X方向上光强度分布示意图；

图4是同样粒子从光照区域的不同位置进入时所形成的光信号示意图；

图5a、5b是本发明一种具体实施方式的结构示意图；

图6a是本发明的光电传感器在整形之前的光束截面的形状和光场分布示意图；

图6b是本发明的光电传感器在整形之后的光束截面的形状和光场分布示意图；

图7是本发明的光电传感器照射到细胞上的光照区域的光强度分布示意图；

图8是使用本发明的光电传感器时同样粒子从光照区域的不同位置进入时所形成的光信号示意图。

具体实施方式

如图5a、5b所示的用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器，包括照射单元1、流动室2和光电探测单元(图中未示出)。所述照射单元1包括依次排列的光源11、光束整形器12和光束聚焦模块13。所述流动室2包括一个细胞流过的通孔21，在这个通孔21中运用流体聚焦原理将细胞包裹在鞘流中。

光源11可以是一个发出一种特性高斯光束的激光器，也可以包括至少两个发出不同特性高斯光束的激光器，优选后者。光源11发出的光束为基模高斯光束，在横切面上的强度分布为高斯形圆对称分布，沿z轴传播的高斯光束解析表达式为：

$E(x,y,z)=E_0\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}{e}^{-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}}{e}^{-i\left\{k\right[z+\frac{x^2+y^2}{2R\left(z\right)}]-t{g}^{-1}\frac{z}{f}\}}$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0\sqrt{1+{\left(\frac{z}{f}\right)}^2}\\ R\left(z\right)=z+\frac{f^2}{z}\end{array}\right.$

其中：z轴坐标原点设在光束的腰处，ω₀为高斯光束的腰斑半径，f为产生高斯光束的共焦腔参数，也称高斯光束的焦参数。ω₀与f存在以下关系：

$f=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}},{\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{\mathrm{\λf}}{\mathrm{\π}}}$

其中R(z)、ω(z)分别表示z坐标处高斯光束的等相面曲率半径及等相面上的光斑半径。

所述光束整形器12用于将光源11出射的光束进行整形，使其在X方向上的强度分布为均匀分布。由于整形只针对X方向，所以光束在Y方向上依然是高斯分布。所述光束整形器12可以为非球面镜组或渐变折射率透镜(GRIN)或衍射光学元件。其中衍射光学元件可以同时对多种不同特性的高斯光束同时整形而不影响整形的效果。

其中衍射光学元件为一维衍射光学元件，只用于对X方向的光场分布进行平坦化，以简化一维衍射光学元件的结构。

图6a给出了光束整形器12对光束整形之前的光束截面A形状和光场分布，如图6a所示，在进入光束整形器12之前，光束的光场在X方向和Y方向上都是高斯分布。图6b给出了光束整形器12对光束整形之后的光束截面B的形状和光场分布。如图6b所示，经过整形后光束在Y方向上的光场仍然是高斯分布，而在X方向上的光场基本上变成了平场。

光束聚焦模块13用于在互相垂直的X和Y两个方向上对整形后的光束分别进行压缩，使照射光束在达到流动室2时形成具有特定尺寸的光照射区。所述特定尺寸为：在Y方向上和细胞直径相当、在X方向上与流动室通孔21的内壁的尺寸相当。所述光束聚焦模块13优选为透镜组，所述透镜组的入瞳位置与平场平面一致，出瞳位置即为流动室，也就是真正照射到细胞上的位置。

所述透镜组包括在X方向进行光束缩放的第一柱面透镜131、第二柱面透镜132，以及在Y方向对光束进行聚焦的一维聚焦透镜133，所述一维聚焦透镜133优选柱面透镜。所述一维聚焦透镜133的聚焦点在流动室中心，以保持X和Y两方向的共焦性。

光束整形器的设计受到β因子的约束， $\mathrm{\β}=\frac{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0{y}_0}{\mathrm{\λd}}$ ，其中：ω₀为高斯光束的腰斑半径，y₀为整形后的光斑的半宽度，λ为入射光的波长，d为光束整形器12到整形平面的距离。

根据测不准原理β应大于0.69，β值越大整形后的分布在边缘的位置越陡峭，但是边缘抖动也越厉害；β值越小，整形后的平场分布效果越差，但是边缘附近的分布较平缓。β值的具体选择范围需要根据系统对平顶范围的大小以及边缘抖动的可接受程度来进行。在流式细胞仪中为了获得较大范围的平场分布，应使β值尽量大，一个效果较好的选择是β＞＝40。

在β因子的定义中，ω₀与λ为入射光束的特性，是固定值。由于系统结构的约束，d不能够非常小，因此如果要得到较大的β值，必须适当增加整形后的光斑半宽度y₀。而根据流式细胞仪的特点，在X方向上的照射光斑的宽度应和流动室的内壁宽度相当，通常情况下流式细胞仪的流动室内壁大约在200～400um之间。使用两个在X方向进行光束缩放的柱面透镜可以使得当光束整形器12的β值较大时，使经过光束整形器整形后的光束在X方向上的照射光斑的尺寸满足流动室内壁尺寸要求。

经过光束整形器12整形后的光束在Y方向上的尺寸并没有变化，所述一维聚焦透镜133在Y方向上的光斑尺寸进行压缩，使照射光束在达到流动室中心时，在Y方向上和细胞直径相当。通常情况下细胞直径的大小约为10um左右。由于在Y方向上的光强度分布并不需要均一性，因此在Y方向上光场分布始终是高斯形。

整形之后的光束在经过上述光束聚焦模块13之后汇聚在流动室中心，其分布如图7所示：在X方向上形成了200um左右的平场分布，在Y方向上形成了10um左右的高斯分布。如图8所示，当同样粒子A和B从X方向上的不同位置进入照射区时域都会得到相同的信号强度，即得到相同幅度的散射信号或者荧光信号。

细胞流在鞘液的包裹之下逐个地通过所述流动室2的光照射区，在照射之后形成各种光信息；所述流动室2为光透明材料做成，一般是石英，其通孔21的内壁都是方形或矩形。

所述光电探测单元用于收集细胞上发出的光信息并将光信息转换成电信号，可采用现有技术中的各种方式予以实现。所述光电探测单元还可对电信号进行放大，所述光电探测单元通常包括光电二极管、光电倍增管。

以上内容是结合具体的优选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. 一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器，包括照射单元(1)、流动室(2)和光电探测单元；

所述照射单元(1)包括用于发出照射光束的光源(11)和用于将照射光束在流动室内形成光照射区的光束聚焦模块(13)；

所述流动室(2)用于使细胞流在鞘液的包裹之下逐个地通过光照射区；

所述光电探测单元用于收集细胞在通过流动室(2)时经光照射之后发出的光信息并将光信息转换成电信号；

其特征是：

所述光源(11)和光束聚焦模块(13)之间还至少设有用于对X方向的光强分布进行平坦化的光束整形器(12)。

2. 根据权利要求1所述的照射单元，其特征是：

所述光源(11)为激光光源，包括至少两个发出不同特性的高斯光束的激光器，所述光束整形器(12)是衍射光学元件。

3. 根据权利要求2所述的照射单元，其特征是：所述衍射光学元件为用于对X方向的光强分布进行平坦化的一维衍射光学元件。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的照射单元，其特征是：

所述光束整形器(12)的β＞＝40，所述 $\mathrm{\β}=\frac{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0{y}_0}{\mathrm{\λd}},$ 其中：ω₀为高斯光束的腰斑半径，y₀为整形后的光斑的半宽度，λ为入射光的波长，d为光束整形器到整形平面的距离。

5. 根据权利要求4所述的照射单元，其特征是：

所述光束聚焦模块(13)包括在Y方向对光束进行聚焦的聚焦透镜，以及至少两个在X方向进行光束缩放的柱面透镜，所述聚焦透镜的聚焦点在流动室中心。

6. 根据权利要求5所述的照射单元，其特征是：所述光束聚焦模块(13)在流动室(2)内形成的光照区域的尺寸在Y方向上和细胞直径相当、在X方向上与流动室通孔的内壁的尺寸相当。

7. 一种用于基于流式细胞术的仪器的光电传感器的照射单元，包括用于发出照射光束的光源(11)和用于将照射光束在流动室内形成光照射区的光束聚焦模块(13)；

其特征是：

所述光源(11)和光束聚焦模块(13)之间还至少设有用于对X方向的光强分布进行平坦化的光束整形器(12)。

8. 根据权利要求7所述的照射单元，其特征是：

所述光源(11)为激光光源，包括至少两个发出不同特性的高斯光束的激光器，所述光束整形器(12)是衍射光学元件。

9. 根据权利要求8所述的照射单元，其特征是：所述衍射光学元件为用于对X方向的光强分布进行平坦化的一维衍射光学元件。

10. 根据权利要求7至9中任一项所述的照射单元，其特征是：

所述光束整形器(12)的β＞＝40，所述 $\mathrm{\β}=\frac{2\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}}_0{y}_0}{\mathrm{\λd}},$ 其中：ω₀为高斯光束的腰斑半径，y₀为整形后的光斑半宽度，λ为入射光的波长，d为所述光束整形器到整形平面的距离。

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