CN108519333A - 一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，包括光路控制装置和二维移动平台；二维移动平台的平移载物台上设置环境温控箱；光路控制装置包括激光源、光路放大单元和光路提升单元；激光源发出的光线经光路放大单元后由光路提升单元射出，且垂直照射在环境温控箱内的细胞培养皿中；光路放大单元用于将激光源发出的光线直接穿过或光斑的放大。实现对目标样品自动实验测试，保证了光斑的调整，以及光线的垂直度。

Description

一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置

技术领域

本发明涉及光学实验仪器系统，具体为一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置。

背景技术

碳纳米材料自发现以来一直活跃在纳米材料的前沿，主要包括0维的富勒烯(fullerenes)、1维的碳纳米管(carbon nanotubes)和2维的氧化石墨烯(graphereoxide)，由于富勒烯的光敏特性，碳纳米管和氧化石墨烯的光热转化特性，且碳纳米材料的毒性小，生物相容性好使得碳纳米材料在生物医药领域的研究越来越多，尤其在肿瘤治疗中发挥着重要作用。

碳纳米管和氧化石墨烯的光热转化特性，指的是碳纳米管和氧化石墨烯在生物组织透明窗口700-1100nm波段具有强吸收，并将吸收的光能通过自身的表面离子共振效应转化为热能，使得肿瘤部位温度升高，从而杀死肿瘤细胞。且由于碳纳米管和氧化石墨烯具有增强渗透和滞留效应，使其在肿瘤部位富集，因而在高效杀灭肿瘤细胞的同时，能够尽可能减少对周围正常组织和皮肤的灼伤和损害。

国内外在基于碳纳米材料光热治疗肿瘤方面开展了大量实验研究，已经取得了较好的成绩。基于碳纳米材料光热特性实验，常与肿瘤细胞结合，将碳纳米材料或其复合材料与肿瘤细胞培养在不同孔径的细胞培养皿中，利用激光垂直照射一定时间后，分析肿瘤细胞的死亡情况，以判断药物的疗效。这些实验需要光垂直入射到细胞培养皿中，如果光线斜入射将严重影响入射的激光功率密度，且照射的培养皿孔数较多，需要耗费大量的时间。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，结构合理，设计巧妙，通过结合自动实验平移台，从而简单且高效地研究碳纳米材料光热特性在细胞实验方面的应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，包括光路控制装置和二维移动平台；

所述的二维移动平台的平移载物台上设置环境温控箱；

所述的光路控制装置包括激光源、光路放大单元和光路提升单元；激光源发出的光线经光路放大单元后由光路提升单元射出，且垂直照射在环境温控箱内的细胞培养皿中；光路放大单元用于将激光源发出的光线直接穿过或光斑的放大。

优选的，光路放大单元包括对应入射光和出射光设置的入射反射镜和出射反射镜，形成放大光路的第一反射镜和第二反射镜，用于光路光斑放大的第一透镜；入射光路依次经入射反射镜、第一反射镜、第一透镜、第二反射镜和出射反射镜沿原路射出；

入射反射镜和出射反射镜上分别设置有入射翻折连接架和出射翻折连接架；两个翻折连接架打开时第一反射镜和第二反射镜之间形成放大光路，闭合时光路光线直接穿过光路放大单元。

优选的，光路提升单元包括将水平入射光线改变为垂直出射光线的一组反射镜。

优选的，二维移动平台包括垂直设置的X轴移动丝杆和Y轴移动丝杆，平移载物台由X轴移动丝杆和Y轴移动丝杆在水平方向驱动平移。

优选的，还包括光学平台，光路控制装置和二维移动平台均固定设置在光学平台上。

优选的，环境温控箱底部设置热电偶，环境温控箱根据热电偶反馈的温度调整环境温度达到正常人体温度环境。

优选的，还包括检测细胞培养皿中检测样本升温情况的红外热像仪。

优选的，激光源和光路放大单元的光路上设置有自动镜头盖，自动镜头盖的关闭打开与二维移动平台启动停止互锁。

优选的，还包括支架台，光路提升单元通过支架台上的支架固定设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于碳纳米材料激光光热特性的自动测试实验装置，通过控制二维移动平台使激光光路精确的垂直入射到被测试样品上，实现对目标样品自动实验测试。同时，利用光路控制中的光路放大和光路提升，保证了光斑的调整，以及光线的垂直度。

进一步的，通过光路放大单元能够根据需求对光斑进行不处理和按需放大的处理，保证实验的需求并提高可操作性。

进一步的，通过光路提升单元中的反射镜对光线进行变向，而不改变光斑大小，简单高效。

进一步的，通过光学平台能够保证整个实验装置的基准相同，提高实验精度。

附图说明

图1是本发明实例中所述的自动实验测试装置整体结构示意图。

图2是本发明实例中所述的自动实验测试装置使用时，激光不经过放大光路单元的光路示意图。

图3是本发明实例中所述的自动实验测试装置使用时，激光经过放大光路单元的光路示意图。

图4是本发明实例中所述的自动实验测试装置二维移动平台的结构示意图。

图中：光学平台1，光路控制装置2，激光源201，第一反射镜202，第一透镜203，第二透镜204，第二反射镜205，入射翻折连接架208，入射反射镜209，出射反射镜210，出射翻折连接架211，光路提升单元的反射镜206、207、212，二维移动平台3，X轴移动丝杆301，Y轴移动丝杆302，平移载物台303，环境温控箱5，热电偶501，支架台6，自动镜头盖7，细胞培养皿8，a为光路放大单元，b为光路提升单元。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，如图1所示，包括：

二维移动平台3；

由硬件部分和控制部分组成，如图4所示，硬件部分包括平移载物台303、垂直设置的X轴移动丝杆301和Y轴移动丝杆302，平移载物台303由X轴移动丝杆301和Y轴移动丝杆302在水平方向驱动平移。软件控制部分包含控制程序模块和触屏显示。二维移动平台3硬件部分采用步进电机加滚珠丝杆实现平台位置参数化控制，将环境温控箱5固定在载物台上，紧靠X轴基准和Y轴基准完成初始对位，然后设定移动的路线和停留照射样本的时间，平移台将载着样品，沿设定的路线移动和停留。控制部分采用PLC+触摸屏，预留外接输入/输出口供用户自定义，人机操作界面可根据要求输入:行数-列数-停留时间-平移速度/方向-归零速度等，可以设置起点位置和走位方式。

光路控制装置2；

光路控制装置2包括激光源201、光路放大单元和光路提升单元；光路放大单元包括一组反射镜，透镜和翻折连接架；光路提升单元用于提升激光光路高度，使光线垂直从上往下出射；光路放大单元用于改变光斑大小，以适用于不同孔径的照射样本。本优选实例中采用红外激光器光源作为激光源201，红外激光器输出波长范围800nm-1100nm，输出功率0mW-10W，连续可调，输出光斑半径0.25mm-0.5mm。各反射镜均镀600nm-1100nm全反膜，反射率大于99％。各透镜均镀600nm-1100nm增透膜，透射率大于99％。光路提升单元提升高度0mm-35mm，最简单的就是通过三个反射镜212、206和207形成三次垂直转向后将水平光线转化为垂直光线。翻折连接架翻折角度为90度。

环境温控箱5；

用于提供正常人体温度环境，让测试肿瘤细胞整体处在人体正常温度环境中，使测试更准确。热电偶设置在环境温控箱5底部，用于探测环境温度，环境温控箱5根据热电偶反馈的温度调整环境温度，测试样品放置在环境温控箱5内。

还能够包括红外热像仪4；

用于监视和记录被测试样本的升温情况，在二维移动平台3和激光源201具体参数设置完成后，需要及时检测样品受激光光热产生的温度特性变化，使用红外热像仪4可以直接精确检查单个或多个样品区温度情况，进一步精准调试激光光热实验。

以及激光光路自动隔离装置；

为了充分避免二维移动平台3自动平移间隔时间中激光能量带来的干扰，采用自动镜头盖7，所驱动的控制接头从二维移动平台3侧面接入。当二维移动平台3驱动运行时，自动镜头盖7合拢保护被照射样品免受额外激光照射；当二维移动平台3抵达下一个样品时，自动镜头盖7自动打开，持续照射系统所预设的激光时间，通过两者的互锁，按照此规则依次循环完成被测样品。

具体的，本发明一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，如图2和图3所示，包括光学平台1，光路控制装置2和二维移动平台3。光路部分具体又包括激光源201，入射反射镜209、第一反射镜202、第一透镜203、第二反射镜205和出射反射镜210，第一透镜203，第二透镜204，入射翻折连接架208，出射翻折连接架211。本优选实例中采用两个透镜进行放大，同理也能采用多组放大光路串联放大，或在一个放大光路中进行多个透镜的多级放大。

使用时，将测试样品放置在环境温控箱5内，调整环境温度，使环境温度恒定在人体正常温度36.5±0.5℃内，并紧靠X轴基准和Y轴基准完成初始对位，根据被测试的样本的孔径，确定所需测试的光斑大小，如果需要的光斑较小，不需要经过放大光路，如图2所示，调整闭合翻转连接架，从激光器出来的光束将直接入射在光路提升单元下反射镜，光斑大小为从光纤激光器出来的原始光斑。根据需要设定的样品在平移台上移动或停留的时间，平移台将按照设定好的程序路线进行自动运行。打开红外热像仪，监视和记录被测试样本的升温情况。

如果需要的光斑较大，则需要经过放大光路，如图3所示，调整打开翻转连接架，从激光器出来的光束将沿放大光路放大后，入射在光路提升单元下反射镜。根据需要设定的样品在平移台上移动或停留的时间，平移台将按照设定好的程序路线进行自动运行。打开红外热像仪，监视和记录被测试样本的升温情况。

实例1

将一个装有测试样品的96孔(8行×12列)细胞培养皿放置在环境温控箱5内，调整环境温度，使环境温度恒定在人体正常温度36.5±0.5℃内，并对齐二维移动平台3的X/Y轴基准线，闭合翻转连接架，开启激光源201，从激光源201出来的光束直接打在光路提升单元下反射镜，后经转折光路，垂直入射在二维移动平台3基准位置。设定二维移动平台3的移动线路，每个照射孔停留5min，利用红外热像仪，监视和记录被测试样本的升温情况。

实施例2

将一个装有测试样品的48孔(4行×12列)细胞培养皿放置在环境温控箱5内，调整环境温度，使环境温度恒定在人体正常温度36.5±0.5℃内，并对齐二维移动平台3的X/Y轴基准线，开启翻转连接架，开启激光器，从激光器出来的光束沿放大光路放大后，入射在光路提升单元下反射镜，后经转折光路，垂直入射在二维移动平台3基准位置。设定平移台的移动线路，每个照射孔停留10min，利用红外热像仪，监视和记录被测试样本的升温情况。

实施例3

将一个装有测试样品的6孔(2行×3列)细胞培养皿放置在内，调整环境温度，使环境温度恒定在人体正常温度36.5±0.5℃内，并对齐二维移动平台3的X/Y轴基准线，打开翻转连接架，开启激光器，从激光器出来的光束沿放大光路放大后，入射在光路提升单元下反射镜，后经转折光路，垂直入射在二维移动平台3基准位置。设定平移台的移动线路，每个照射孔停留10min，利用红外热像仪，监视和记录被测试样本的升温情况。

Claims (9)

1.一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，包括光路控制装置(2)和二维移动平台(3)；

所述的二维移动平台(3)的平移载物台(303)上设置环境温控箱(5)；

所述的光路控制装置(2)包括激光源(201)、光路放大单元和光路提升单元；激光源(201)发出的光线经光路放大单元后由光路提升单元射出，且垂直照射在环境温控箱(5)内的细胞培养皿(8)中；光路放大单元用于将激光源(201)发出的光线直接穿过或光斑的放大。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，光路放大单元包括对应入射光和出射光设置的入射反射镜(209)和出射反射镜(210)，形成放大光路的第一反射镜(202)和第二反射镜(205)，用于光路光斑放大的第一透镜(203)；入射光路依次经入射反射镜(209)、第一反射镜(202)、第一透镜(203)、第二反射镜(205)和出射反射镜(210)沿原路射出；

入射反射镜(209)和出射反射镜(210)上分别设置有入射翻折连接架(208)和出射翻折连接架(211)；两个翻折连接架打开时第一反射镜(202)和第二反射镜(205)之间形成放大光路，闭合时光路光线直接穿过光路放大单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，光路提升单元包括将水平入射光线改变为垂直出射光线的一组反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，二维移动平台(3)包括垂直设置的X轴移动丝杆(301)和Y轴移动丝杆(302)，平移载物台(303)由X轴移动丝杆(301)和Y轴移动丝杆(302)在水平方向驱动平移。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，还包括光学平台(1)，光路控制装置(2)和二维移动平台(3)均固定设置在光学平台(1)上。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，环境温控箱(5)底部设置热电偶(501)，环境温控箱(5)根据热电偶反馈的温度调整环境温度达到正常人体温度环境。

7.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，还包括检测细胞培养皿(8)中检测样本升温情况的红外热像仪(4)。

8.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，激光源(201)和光路放大单元的光路上设置有自动镜头盖(7)，自动镜头盖(7)的关闭打开与二维移动平台(3)启动停止互锁。

9.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米材料激光光热特性的自动实验测试装置，其特征在于，还包括支架台(6)，光路提升单元通过支架台(6)上的支架固定设置。