CN105547970B - 一种流式细胞仪激发光源系统及校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流式细胞仪激发光源系统及校正方法，其中该系统包括：光源；调节装置，与反馈控制装置连接，用于接收光源发出的激发光并根据来自于反馈控制装置的控制信号调节激发光的传播方向后出射；分光及检测装置，与反馈控制装置连接，用于将调节装置出射的光分成两束，检测一束光的光强和光斑位置并将包含光强和光斑位置信息的信号传输给反馈控制装置，出射另一束光；整形及聚焦装置，用于将分光及检测装置出射的光进行整形并聚焦出射到目标上；反馈控制装置，用于接收分光及检测装置传输的包含光强和光斑位置信息的信号，根据信号计算出调节量和光强修正量，将包含调节量的控制信号传输给调节装置。本发明具有对准精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量仪器领域，具体涉及一种流式细胞仪激发光源系统及校正方法。
背景技术
流式细胞仪是一种可以对细胞，或者一些特殊微粒(如聚苯乙烯微球)的特性(如大小、折射率、内部结构的复杂程度等)进行快速分析的仪器。在含有细胞的样本被鞘液压缩聚焦，进入流体池中后形成层流，细胞被压缩在样本流线上，一个一个地通过激光光斑，使用探测器在光轴方向的前方和光轴的90°方向测试细胞经过激光光斑产生的散射光，以及所携带的荧光染料产生的特异性荧光，从而测试细胞的一些特性。
流式细胞仪要求测量结果的分布小于均值的2％(国家医药行业标准YY-T 0588)。激光的光强是呈高斯分布的，光强随着离光斑中心的距离增加而下降的非常快，因此流式细胞仪测试过程中，必须首先保证光斑的中心能打在细胞上，才能保证测量结果的一致性。另外激光的强度一致性要求非常高，稳定性要达到1％，才能保证测量结果的。
所以，为了保证光斑中心能够打在细胞上，现有技术中提供了一些应用于流式细胞仪的光斑位置调节系统和方法，例如，专利EP0696731B1介绍了一种小型化且低成本的细胞分析仪，其前向光照射在5个探测器上，通过其差分，信号指示光斑是否已经对准。该专利可以实现二维方向的光斑对准，但是还存在以下两个问题：1)该专利的探测器属于特殊形状的探测器，需要定制，价格昂贵；2)该专利只能粗略的估计位置的偏移，并不能给出一个相对准确的调节量，需要特别有经验的工程师人工进行调节才能完成，无法实现自动调节对准，且因人工调节其对准精度较差。专利CN200810066065.0介绍了一种前向散射光信号探测装置与方法及细胞或粒子分析仪，其特点是前向采用了一维阵列探测器，从而通过光斑至少照射其中的三个探测器，来判断光斑位置是否对准。该专利存在着以下问题：1)该专利只能实现一维方向的光斑对准，对于平行于流体的方向，是没有办法对准的；2)该专利同样不能给出一个比较准确的，量化的量来校准光斑。所以也存在对准精度较差的问题。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的光斑中心与目标之间的对准精度差的缺陷。
为此，本发明的一种流式细胞仪激发光源系统，包括：
光源，用于发射激发光；
调节装置，与反馈控制装置连接，用于接收所述光源发出的激发光并根据来自于所述反馈控制装置的控制信号调节所述激发光的传播方向后出射；
分光及检测装置，与所述反馈控制装置连接，用于将所述调节装置出射的光分成两束，检测一束光的光强和光斑位置并将包含光强和光斑位置信息的信号传输给所述反馈控制装置，出射另一束光；
整形及聚焦装置，用于将所述分光及检测装置出射的光进行整形并聚焦出射到目标上；
反馈控制装置，用于接收所述分光及检测装置传输的包含光强和光斑位置信息的信号，根据所述信号计算出调节量和光强修正量，将包含所述调节量的控制信号传输给所述调节装置。
优选地，所述调节装置包括反射镜和动作机构；
所述光源发出的激发光照射到所述反射镜后，经所述反射镜反射后出射；
所述动作机构，与所述反馈控制装置连接，用于根据来自于所述反馈控制装置的控制信号进行运动以调节所述反射镜反射光线的角度。
优选地，所述分光及检测装置包括分光镜和光电传感器；
所述调节装置出射的光照射到所述分光镜后，一束反射光被所述光电传感器所接收，另一束透射光出射；
所述光电传感器，与所述反馈控制装置连接，用于检测光强和光斑位置信息并将其传输给所述反馈控制装置。
优选地，所述光电传感器为二维位置灵敏硅探测器。
优选地，所述分光及检测装置还包括窄带滤光片；
所述窄带滤光片，位于所述分光镜和光电传感器之间，用于仅供与所述激发光对应波长的光透射通过。
优选地，所述整形及聚焦装置包括第一柱面镜和第二柱面镜；
所述第一柱面镜和第二柱面镜沿光传播方向顺序排布。
本发明的一种用于上述的流式细胞仪激发光源系统的校正方法，包括以下步骤：
反馈控制装置接收分光及检测装置传输的包含当前的光强I和光斑位置(x,y)信息的信号；
反馈控制装置判断距离值r是否小于预设值，其中，(x0,y0)表示在整形及聚焦装置出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置检测到的光斑中心位置；
当距离值r小于预设值时，反馈控制装置将包含调节量为0的控制信号传输给调节装置。
优选地，还包括以下步骤：
当距离值r大于或等于预设值时，重复进行反馈控制装置将包含调节量为(x-x0,y-y0)的控制信号传输给调节装置，待调节装置根据调节量(x-x0,y-y0)进行调节后，反馈控制装置接收分光及检测装置传输的包含调节后的光强和光斑位置信息的信号，直至距离值小于预设值为止。
优选地，还包括以下步骤：
反馈控制装置计算出光强修正量其中，I0表示在整形及聚焦装置出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置检测到的光强。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例提供的流式细胞仪激发光源系统，通过分光及检测装置检测出两束光中的一束光的光强和光斑位置并将其传输给反馈控制装置，反馈控制装置从而可以直接计算出光斑偏离量，即计算出使光斑中心与目标对准的调节量，然后输出给调节装置进行相应地调节，以改变经调节装置后出射的激发光的传播方向，克服光斑的偏离，实现了光斑位置的自动校准，从而提高了光斑中心与目标之间的对准精度。反馈控制装置还可以根据接收到的光强计算出光强修正量，从而可以补偿因激发光光强不同而导致相同样本产生不同的测量结果的问题，有效提高了测量结果的准确性，同时也可以在不降低测量精度的前提下，采用光强稳定度稍差、较为低端的激光器，从而有效降低成本。
2.本发明实施例提供的校正方法，通过设置调节量为(x-x0,y-y0)和预设判别标准，由于具有量化的位置偏移指标和明确的判别标准，所以可以通过不太复杂的算法，就能实现光斑的自动校准，提高光斑中心与目标之间的对准精度。
3.本发明实施例提供的校正方法，通过设置计算光强修正量从而可以补偿因激发光光强不同而导致相同样本产生不同的测量结果的问题，有效提高了测量结果的准确性，同时也可以在不降低测量精度的前提下，采用光强稳定度稍差、较为低端的激光器，从而有效降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中流式细胞仪激发光源系统的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例1中流式细胞仪激发光源系统的另一个具体示例的原理框图；
图3为本发明实施例1中流式细胞仪激发光源系统的又一个具体示例的原理框图；
图4为本发明实施例2中校正方法的一个具体示例的流程图。
附图标记：1-光源，2-调节装置，3-分光及检测装置，4-反馈控制装置，5-整形及聚焦装置，10-流式细胞仪激发光源系统，20-目标，30-前向探测装置，40-侧向探测装置，21-反射镜，22-动作机构，31-分光镜，32-光电传感器，33-窄带滤光片，51-第一柱面镜，52-第二柱面镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种流式细胞仪激发光源系统，如图1所示，该系统10包括：
光源1，用于发射激发光；优选地，光源1可以采用532nm的激光光源，其发散角为1.5mrad，光斑直径1mm。
调节装置2，与反馈控制装置4连接，用于接收光源1发出的激发光并根据来自于反馈控制装置4的控制信号调节激发光的传播方向后出射；调节的方向可以围绕光轴的360度方向，优选地，可以是调节激发光束的上下和左右两组方向。
分光及检测装置3，与反馈控制装置4连接，用于将调节装置2出射的光分成两束，检测一束光的光强和光斑位置并将包含光强和光斑位置信息的信号传输给反馈控制装置4，出射另一束光。
整形及聚焦装置5，用于将分光及检测装置3出射的光进行整形并聚焦出射到目标20上。光照射到目标20上后产生散射，在光轴方向的前方的前向探测装置30和在光轴的90°方向的侧向探测装置40分别测试目标20经过激发光产生的散射光及其所携带的荧光染料产生的特异性荧光，得到各自的测量结果，以此来分析目标20的一些特性。
反馈控制装置4，用于接收分光及检测装置3传输的包含光强和光斑位置信息的信号，根据信号计算出调节量和光强修正量，将包含调节量的控制信号传输给调节装置2。根据信号计算出调节量和光强修正量的具体过程为：
步骤1、在系统初始调试完成、正常工作状态下，即在整形及聚焦装置5出射的光聚焦照射到目标上的情况下，记录分光及检测装置3进行N次测试的光斑位置(xi,yi)，i＝1,2,……,N，光强I0，并计算光斑中心位置(x0,y0)，和σr，σr为N次测量的所有数据相对于光斑中心位置(x0,y0)距离的方差，其物理意义是，通过多次测量，判断光斑落在以(x0,y0)为圆心、σr为半径的圆周内部。
步骤2、某次实验开始前，记录当前分光及检测装置3测量的光斑位置(x,y)，并根据步骤1中的光斑中心位置(x0,y0)计算调节量(x-x0,y-y0)，当时，认为光斑已经对准，无需调节装置2进行调节；否则输出给调节装置2调节量(x-x0,y-y0)，重复步骤2直到为止。通过多次测量求平均的方法提高了位置测量的准确性，并且明确定义了调节光路的判别标准，操作性强。由于具有量化的位置偏移指标和明确的判别标准，所以可以通过不太复杂的算法，就能实现光斑的自动校准，提高光斑中心与目标之间的对准精度。
步骤3、某次实验开始后，记录目标20通过光斑时，分光及检测装置3测试的光强I，计算该目标的测量结果的光强修正量，即校正系数所有的测量结果乘以其对应的修正量，即实现了对测量结果的校正。
上述流式细胞仪激发光源系统，通过分光及检测装置检测出两束光中的一束光的光强和光斑位置并将其传输给反馈控制装置，反馈控制装置从而可以直接计算出光斑偏离量，即计算出使光斑中心与目标对准的调节量，然后输出给调节装置进行相应地调节，以改变经调节装置后出射的激发光的传播方向，克服光斑的偏离，实现了光斑位置的自动校准，从而提高了光斑中心与目标之间的对准精度。反馈控制装置还可以根据接收到的光强计算出光强修正量，从而可以补偿因激发光光强不同而导致相同样本产生不同的测量结果的问题，有效提高了测量结果的准确性，同时也可以在不降低测量精度的前提下，采用光强稳定度稍差、较为低端的激光器，从而有效降低成本。
优选地，如图2所示，调节装置2包括反射镜21和动作机构22。光源1发出的激发光照射到反射镜21后，经反射镜21反射后出射。动作机构22，与反馈控制装置4连接，用于根据来自于反馈控制装置4的控制信号进行运动以调节反射镜21反射光线的角度。优选地，动作机构22可以采用两个步进电机，实现控制反射镜在相对于光轴的上下和左右两组方向上运动，以调节光斑位置。本领域的技术人员应当理解，采用更多个电机或其他类型的电机来实现对反射镜运动方向的调节也是可以的。优选地，动作机构22还可以采用两个或多个压电陶瓷驱动器，实现调节反射镜21反射光线的角度。
优选地，如图3所示，分光及检测装置3还包括窄带滤光片33。窄带滤光片33，位于分光镜31和光电传感器32之间，用于仅供与激发光对应波长的光透射通过。优选地，窄带滤光片33可以采用532nm带宽10nm的窄带滤光片，以滤除532nm以外的其他波长的杂散光，降低杂散光的干扰。
优选地，如图2和3所示，整形及聚焦装置5包括第一柱面镜51和第二柱面镜52。第一柱面镜51和第二柱面镜52沿光传播方向顺序排布，分别对光斑的长轴和短轴方向进行整形，以获得圆形光斑。优选地，第一柱面镜51的焦距为80mm-120mm，例如为100mm。第二柱面镜52的焦距为10mm-20mm，例如为15mm。
实施例2
本实施例提供一种用于上述实施例1的流式细胞仪激发光源系统的校正方法，例如该方法应用于反馈控制装置，如图4所示，该方法包括以下步骤：
S1、反馈控制装置4接收分光及检测装置3传输的包含当前的光强I和光斑位置(x,y)信息的信号；
S2、反馈控制装置4判断距离值r是否小于预设值，其中，r＝(x0,y0)表示在整形及聚焦装置5出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置3检测到的光斑中心位置；当距离值r小于预设值时，进入步骤S3；当距离值r大于或等于预设值时，进入步骤S4。优选地，预设值为σr。
S3、反馈控制装置4将包含调节量为0的控制信号传输给调节装置2。
S4、反馈控制装置4将包含调节量为(x-x0,y-y0)的控制信号传输给调节装置2，调节装置2根据调节量(x-x0,y-y0)进行调节。然后重复进行步骤S1-S2，直至距离值小于预设值为止。
上述校正方法，通过设置调节量为(x-x0,y-y0)和预设判别标准，由于具有量化的位置偏移指标和明确的判别标准，所以可以通过不太复杂的算法，就能实现光斑的自动校准，提高光斑中心与目标之间的对准精度。
优选地，上述校正方法还包括以下步骤：
S5、反馈控制装置4计算出光强修正量其中，I0表示在整形及聚焦装置5出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置3检测到的光强。
上述校正方法，通过设置计算光强修正量从而可以补偿因激发光光强不同而导致相同样本产生不同的测量结果的问题，有效提高了测量结果的准确性，同时也可以在不降低测量精度的前提下，采用光强稳定度稍差、较为低端的激光器，从而有效降低成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种流式细胞仪激发光源系统，其特征在于，包括：
光源(1)，用于发射激发光；
调节装置(2)，与反馈控制装置(4)连接，用于接收所述光源(1)发出的激发光并根据来自于所述反馈控制装置(4)的控制信号调节所述激发光的传播方向后出射；
分光及检测装置(3)，与所述反馈控制装置(4)连接，用于将所述调节装置(2)出射的光分成两束，检测一束光的光强和光斑位置并将包含光强和光斑位置信息的信号传输给所述反馈控制装置(4)，出射另一束光；
整形及聚焦装置(5)，用于将所述分光及检测装置(3)出射的光进行整形并聚焦出射到目标上；
反馈控制装置(4)，用于接收所述分光及检测装置(3)传输的包含光强和光斑位置信息的信号，根据所述信号计算出调节量和光强修正量，将包含所述调节量的控制信号传输给所述调节装置(2)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调节装置(2)包括反射镜(21)和动作机构(22)；
所述光源(1)发出的激发光照射到所述反射镜(21)后，经所述反射镜(21)反射后出射；
所述动作机构(22)，与所述反馈控制装置(4)连接，用于根据来自于所述反馈控制装置(4)的控制信号进行运动以调节所述反射镜(21)反射光线的角度。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述分光及检测装置(3)包括分光镜(31)和光电传感器(32)；
所述调节装置(2)出射的光照射到所述分光镜(31)后，一束反射光被所述光电传感器(32)所接收，另一束透射光出射；
所述光电传感器(32)，与所述反馈控制装置(4)连接，用于检测光强和光斑位置信息并将其传输给所述反馈控制装置(4)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光电传感器(32)为二维位置灵敏硅探测器。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述分光及检测装置(3)还包括窄带滤光片(33)；
所述窄带滤光片(33)，位于所述分光镜(31)和光电传感器(32)之间，用于仅供与所述激发光对应波长的光透射通过。
6.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于，所述整形及聚焦装置(5)包括第一柱面镜(51)和第二柱面镜(52)；
所述第一柱面镜(51)和第二柱面镜(52)沿光传播方向顺序排布。
7.一种用于如权利要求1-6任一项所述的流式细胞仪激发光源系统的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
反馈控制装置(4)接收分光及检测装置(3)传输的包含当前的光强I和光斑位置(x,y)信息的信号；
反馈控制装置(4)判断距离值r是否小于预设值，其中，
(x0,y0)表示在整形及聚焦装置(5)出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置(3)检测到的光斑中心位置；
当距离值r小于预设值时，反馈控制装置(4)将包含调节量为0的控制信号传输给调节装置(2)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当距离值r大于或等于预设值时，重复进行反馈控制装置(4)将包含调节量为(x-x0,y-y0)的控制信号传输给调节装置(2)，待调节装置(2)根据调节量(x-x0,y-y0)进行调节后，反馈控制装置(4)接收分光及检测装置(3)传输的包含调节后的光强和光斑位置信息的信号，直至距离值小于预设值为止。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
反馈控制装置(4)计算出光强修正量其中，I0表示在整形及聚焦装置(5)出射的光聚焦照射到目标上的情况下分光及检测装置(3)检测到的光强。
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