CN108593554B - 一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置 - Google Patents
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Abstract
一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，属于从光谱本身测量谱线强度技术领域。技术要点是包括：激发透镜组件、荧光反射组件、荧光收集‑转化组件和封闭箱体；所述激发透镜组件包括激发激光‑荧光聚焦透镜、焦距调节多头螺纹、锁定旋钮I和激发‑荧光透镜底座，所述激发激光‑荧光聚焦透镜1通过所述焦距调节多头螺纹与所述激发‑荧光透镜底座连接，所述锁定旋钮I安装在所述激发‑荧光透镜底座上；有益效果是:本发明所述的可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置通过一种多维可独立调节的结构设计，极大地减少了操作难度，降低了环境背景光干扰，提高了激光诱导荧光的收集和光电转换效率，减少制造成本和使用成本。
Description
技术领域
本发明属于从光谱本身测量谱线强度技术领域，尤其涉及一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置。
背景技术
激光诱导荧光Laser-induced Fluorescence，LIF因其特定激光波长激发和特定波长荧光，可以用于特定物种及荧光标记物的监测和分析，而且LIF检测灵敏度非常高。随着组合化学、基因组学、蛋白质组学等新学科的诞生和迅速发展，对大量化合物样品成分分析的压力越来越大，特别是人类基因组计划的出现，对测序样品的数量呈现级数式增长要求。毛细管电泳、毛细管阵列电泳、芯片电泳等具有分析效率高、分析速度快、样品体积小等优点，可应用于无机离子和有机生物分子等领域，在分析领域应用广泛，已经成为一种重要的分析工具。高灵敏的激光诱导荧光LIF已经成为毛细管电泳、阵列毛细管电泳以及芯片电泳等应用中关键的检测方法之一，适用于多通道、低浓度的大量类似样品的分析。
目前，市场上已经出现了多种商品化的高效阵列毛细管电泳仪，其中常见的LIF应用形式有成像式和扫描式两种。成像式检测，采用一束激光同时照射到所有的阵列毛细管上，采用大尺寸透镜同时将分离样品的荧光信号传递给检测器，其对激光强度要求较高，并且照射到毛细管检测窗口上的激光强度要一致，由于毛细管排列紧密，容易出现相邻毛细管之间荧光信号的相互干扰；扫描式检测，采用激光逐根扫描毛细管，将每根毛细管的荧光信号传递给检测器，其对激光强度要求较低，但是要机械移动激光或阵列毛细管，转动部件的引入导致毛细管的定位比较困难，数据采集速度慢且容易出现偏差。这些造价高昂的商品化阵列毛细管电泳仪主要还是用于DNA序列分析，不利于推广普及到普通实验室及常规应用。
申请号03133511.X及200610048056.X的中国发明专利申请分别公开了两种不同激发波长的毛细管阵列电泳旋转式扫描共聚焦检测仪，用于分离和检测。200610048056.X号专利申请是在03133511.X号专利申请公开方案的基础上，对采用气体激光器作为激发光源，进样方式单一、缺少电泳高压控制系统，同时气体激光器性能不稳定、寿命短等不足之处进行了优化处理。申请号03133511.X及200610048056.X的发明专利申请均采用分散光学元件的方式将激光源的光经过光学系统传递到毛细管，进行荧光收集并经光电倍增管转化电信号以便后续信号采集。由于这两个专利申请使用了大量的分散独立光学元件，需要调节的部位较多，大大增加了仪器使用的难度系数，并且无法精确地将激光照射到毛细管上；而且对环境背景光控制要求严格，需要完全避光；同时无法对采集卡进行初始位置的定位，这将增加所采集的电信号和毛细管阵列的一一对应难度。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，该装置将激发光路、荧光收集光路、光谱滤波、空间滤波器等多个光学元件集于一个多维独立可调节的、经过避光处理的箱体里，可以大幅度简化调节过程，降低设备成本和使用成本，减少外界光干扰，提高荧光收集效率。
技术方案如下：
一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，包括：激发透镜组件、荧光反射组件、荧光收集-转化组件和封闭箱体；
所述激发透镜组件包括激发激光-荧光聚焦透镜、焦距调节多头螺纹A、锁定旋钮I和激发-荧光透镜底座，所述激发激光-荧光聚焦透镜1通过所述焦距调节多头螺纹A与所述激发-荧光透镜底座连接，所述锁定旋钮I安装在所述激发-荧光透镜底座上；
所述荧光反射组件包括45度双色反射镜、固定底座I、锁定旋钮II、45度荧光反射镜、固定底座II和上下调节旋钮，所述45度双色反射镜、固定底座I、45度荧光反射镜、固定底座II安装在所述封闭箱体内，所述45度双色反射镜安装在所述固定底座I上，所述45度荧光反射镜安装在固定底座II上，所述锁定旋钮II和上下调节旋钮1安装在所述封闭箱体上；
所述荧光收集-转化组件包括光电倍增管1、带通滤波片、荧光遮光桶、荧光收集透镜、焦距调节多头螺纹B、固定底座III、锁定旋钮III和微孔空间滤波器，所述固定底座III与所述封闭箱体连接，所述荧光遮光桶通过所述焦距调节多头螺纹B与所述固定底座III连接，所述带通滤波片和荧光收集透镜内置于所述荧光遮光桶内，所述微孔空间滤波器与所述荧光遮光桶连接，所述光电倍增管与所述带通滤波片连接，所述锁定旋钮III安装在所述固定底座III上。
进一步的，还包括支撑装置，所述支撑装置包括一维光学平移台I、一维光学平移台II、支撑底座、锁定旋钮IV、高度调节多头螺纹、支撑板，所述荧光反射组件和荧光收集-转化组件安装在所述支撑板上，所述支撑底座通过所述高度调节多头螺纹与所述支撑板连接，所述锁定旋钮IV安装在所述支撑底座上，所述支撑底座安装在一维光学平移台I1上，所述一维光学平移台I安装在所述一维光学平移台II上。
进一步的，所述一维光学平移台I和一维光学平移台II相互垂直安装。
进一步的，所述封闭箱体上设置有激发激光入射孔。
进一步的，其特征在于，所述45度双色反射镜和45度荧光反射镜镜面之间呈90°。
进一步的，所述焦距调节多头螺纹A、锁定旋钮I、激发-荧光透镜底座、封闭箱体、固定底座I、锁定旋钮II、固定底座II、上下调节旋钮、一维光学平移台I、一维光学平移台II、支撑底座1、锁定旋钮IV、高度调节多头螺纹、支撑板、光电倍增管、荧光遮光桶、焦距调节多头螺纹B、固定底座III、锁定旋钮III、微孔空间滤波器表面经过黑色氧化处理。
本发明的有益效果是：
本发明所述的可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置通过一种多维可独立调节的结构设计，极大地减少了操作难度，降低了环境背景光干扰，提高了激光诱导荧光的收集和光电转换效率，减少制造成本和使用成本；焦点位置由焦距调节多头螺纹调节，并由锁定旋钮I实现焦距位置锁定，激发激光引入点位置分别由两个一维光学平移台独立调节左右位置并锁定，由整体高度调节多头螺纹调节入射位置的高度调节并由整体高度锁定旋钮IV锁定，从而对采集卡进行初始位置的定位。
附图说明
图1为本发明的三维透视图；
图2为本发明用于多通道毛细管测试的结构剖面示意图；
图3为本发明采集的不同通道不同FITC浓度的毛细管信号示意图；
图4为本发明采集的单通道毛细管荧光信号随时间变化情况示意图；
图中：1.激发激光-荧光聚焦透镜、2.焦距调节多头螺纹A、3.锁定旋钮I、4.激发-荧光透镜底座、5.45度双色反射镜、6.激发激光入射孔、7.封闭箱体、8.固定底座I、9.锁定旋钮II、10.45度荧光反射镜、11.固定底座II、12.上下调节旋钮、13.一维光学平移台I、14.一维光学平移台II、15.支撑底座、16.锁定旋钮IV、17.高度调节多头螺纹、18.支撑板、19.光电倍增管、20.带通滤波片、21.荧光遮光桶、22.荧光收集透镜、23.焦距调节多头螺纹B、24.固定底座III、25.锁定旋钮III、26.微孔空间滤波器、28.45度旋转反射镜、29.毛细管。
具体实施方式
下面结合附图1-4对可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置做进一步说明。
实施例1
一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，包括：激发透镜组件、荧光反射组件、荧光收集-转化组件和封闭箱体7；
所述激发透镜组件包括激发激光-荧光聚焦透镜1、焦距调节多头螺纹A2、锁定旋钮I3和激发-荧光透镜底座4，所述激发激光-荧光聚焦透镜1通过所述焦距调节多头螺纹A2与所述激发-荧光透镜底座4连接，所述锁定旋钮I3安装在所述激发-荧光透镜底座4上；
所述荧光反射组件包括45度双色反射镜5、固定底座I8、锁定旋钮II9、45度荧光反射镜10、固定底座II11和上下调节旋钮12，所述45度双色反射镜5、固定底座I8、45度荧光反射镜10、固定底座II11安装在所述封闭箱体7内，所述45度双色反射镜5安装在所述固定底座I8上，所述45度荧光反射镜10安装在固定底座II11上，所述锁定旋钮II9和上下调节旋钮12安装在所述封闭箱体7上；
所述荧光收集-转化组件包括光电倍增管19、带通滤波片20、荧光遮光桶21、荧光收集透镜22、焦距调节多头螺纹B23、固定底座III24、锁定旋钮III25和微孔空间滤波器26，所述固定底座III24与所述封闭箱体7连接，所述荧光遮光桶(21)通过所述焦距调节多头螺纹B23与所述固定底座III24连接，所述带通滤波片20和荧光收集透镜22内置于所述荧光遮光桶21内，所述微孔空间滤波器26与所述荧光遮光桶21连接，所述光电倍增管19通过所述微孔空间滤波器26上的通孔与所述带通滤波片20连接，所述锁定旋钮III25安装在所述固定底座III24上。
进一步的，还包括支撑装置，所述支撑装置包括一维光学平移台I13、一维光学平移台II14、支撑底座15、锁定旋钮IV16、高度调节多头螺纹17、支撑板18，所述荧光反射组件和荧光收集-转化组件安装在所述支撑板18上，所述支撑底座15通过所述高度调节多头螺纹17与所述支撑板18连接，所述锁定旋钮IV16安装在所述支撑底座15上，所述支撑底座15安装在一维光学平移台I13上，所述一维光学平移台I13安装在所述一维光学平移台II14上。
进一步的，所述一维光学平移台I13和一维光学平移台II14相互垂直安装。
进一步的，所述封闭箱体7上设置有激发激光入射孔6。
进一步的，其特征在于，所述45度双色反射镜5和45度荧光反射镜10镜面之间呈90°。
进一步的，所述焦距调节多头螺纹A2、锁定旋钮I3、激发-荧光透镜底座4、封闭箱体7、固定底座I8、锁定旋钮II9、固定底座II11、上下调节旋钮12、一维光学平移台I13、一维光学平移台II14、支撑底座15、锁定旋钮IV16、高度调节多头螺纹17、支撑板18、光电倍增管19、荧光遮光桶21、焦距调节多头螺纹B23、固定底座III24、锁定旋钮III25、微孔空间滤波器26表面经过黑色氧化处理。
实施例2
一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，包括激发透镜组件（由激发激光-荧光聚焦透镜1、其焦距调节多头螺纹A2及锁定旋钮I3构成），荧光反射组件（由45度双色反射镜5及其固定底座I8、特定波长的45度荧光反射镜10及其固定底座II11、锁定旋钮II9及上下调节旋钮12组成）和荧光收集-转化组件（由荧光收集透镜22、焦距调节多头螺纹B23、固定底座III24、锁定旋钮III25、荧光遮光桶21、带通滤波片20及微孔空间滤波器26和光电倍增管19构成）三个主要组件。激发透镜组件，荧光反射组件和荧光收集-转化组件均安装在封闭箱体7上并固定于支撑板18，由其支撑架（由支撑底座15、高度调节多头螺纹17，锁定旋钮IV16）实现整体高度的调节，由其底座实现X-Y二维水平位置调节（由两个相互垂直的一维光学平移台13和14构成）。
所述激发透镜组件，由激发激光-荧光聚焦透镜1、其焦距调节多头螺纹A2及锁定旋钮I3构成。激发激光由激发激光入射孔6引入，经45度双色反射镜5反射后由激发激光-荧光聚焦透镜1聚焦到有荧光标记物处，如内含荧光物质或荧光标记物的毛细管中，其焦点位置由焦距调节多头螺纹A2调节，并由锁定旋钮I3实现焦距位置锁定。激发激光引入点位置分别由一维光学平移台13和14独立调节左右位置并锁定，由整体高度调节多头螺纹17调节入射位置的高度调节并由整体高度锁定旋钮IV16锁定；
所述荧光反射组件，由45度双色反射镜5及其固定底座I8、特定波长的45度荧光反射镜10及其固定底座II11、锁定旋钮II9及上下调节旋钮12组成。位于激发激光焦点处的荧光物质受激光激发后产生的荧光由激发-荧光聚焦透镜1转换成近似平行光并穿过45度双色反射镜5，再由特定波长的45度荧光反射镜10反射进入荧光收集-转化组件，其反射点的上下位置由45度荧光反射镜10的上下调节旋钮12完成调节并由锁定旋钮9锁定；
所述荧光收集-转化组件，由荧光收集透镜22、焦距调节多头螺纹B23、固定底座III24、锁定旋钮III25、荧光遮光桶21、带通滤波片20及微孔空间滤波器26和光电倍增管19构成。位于激发激光焦点处的荧光物质受激光激发后产生的荧光由荧光反射组件反射后，经过荧光收集透镜22后再次聚焦并穿过带通滤波片20及微孔空间滤波器26，由光电倍增管19完成光-电转换成电信号。带通滤波片20阻挡激光激光及其他波长的杂散光并允许特定波长的荧光通过；微孔空间滤波器26起空间滤波作用，只有在激发激光焦点处产生的荧光才能通过微孔，其他位置产生的荧光不能通过，从而大幅度降低环境杂散光带来的干扰。荧光收集透镜22的焦点位置由焦距调节多头螺纹B23调节到微孔空间滤波器26上，并由锁定旋钮III25实现位置锁定；
所述封闭箱体7，用于固定激发透镜组件，荧光反射组件和荧光收集-转化组件，并固定于支撑板18；由支撑底座15和高度调节多头螺纹17实现整体高度的调节并由锁定旋钮IV16实现高度锁定；由其底座实现X-Y二维水平位置调节（由两个相互垂直的一维光学平移台13和14构成）。
所述所有部件，除光学部件（包括激发-荧光聚焦透镜1，45度双色反射镜5，45度荧光反射镜10，带通滤波片20和荧光收集透22）外，均经过表面黑色氧化处理。
所述多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置可用于收集激发激光焦点处产生的荧光信号并转化成电信号，便于后续信号采集处理。
如图2所示，将本发明用于研究488 nm激光诱导荧光检测的一体化多通道模式毛细管电泳平台性能测试，其他关联部件主要由488 nm激光27、45度旋转反射镜28和多根毛细管29等组成。
旋转反射镜28由一个双轴微型直流电机驱动，实现激发激光的水平扫描；绝对型旋转编码器与双轴微型直流电机的另一端相连，用于记录当前激光扫描的位置并通过软件将通道位置和采集的荧光信号建立一一对应关系。
128根毛细管（内径75 ± 03微米，外径363 ± 10微米）圆形对称固定于刻有128条均匀凹槽的聚四氟乙烯固定环，并与双轴微型直流电机旋转中心同轴。
为考察本发明的可行行，数根毛细管内灌有不同浓度的异硫氰酸荧光素（Fluorescein Isothiocyanate，FITC）无水乙醇溶液。FITC可被488nm激光激发，产生中心波长位于525nm的荧光。
为了达到最好匹配，本发明中的聚焦透镜1和22为焦距50毫米的熔融石英透镜；45度双色反射镜5为488nm高反射、波长大于520nm高透射的双色镜；45度荧光反射镜10采用反射波长为450-550 nm的宽带介质膜高反镜；带通滤波片20透射波段520±10 nm；空间滤波微孔26孔径为75微米。
图3为位于聚四氟乙烯毛细管固定环不同位置（通道）的不同FITC浓度的12毛细管在488nm激发下产生的信号。从结果中可以发现，同一浓度所产生的信号强度具有良好的重复性。
实施例3
图4为采用本发明测量获得的内部灌有1×10-8M的FITC无水乙醇溶液的毛细管在488nm激发下产生的荧光信号随时间变化的结果。从结果中可以发现，本发明具有良好的时间稳定性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，其特征在于，包括：激发透镜组件、荧光反射组件、荧光收集-转化组件和封闭箱体（7）；
所述激发透镜组件包括激发激光-荧光聚焦透镜（1）、焦距调节多头螺纹A（2）、锁定旋钮I（3）和激发-荧光透镜底座（4），所述激发激光-荧光聚焦透镜（1）通过所述焦距调节多头螺纹A（2）与所述激发-荧光透镜底座（4）连接，所述锁定旋钮I（3）安装在所述激发-荧光透镜底座（4）上；
所述荧光反射组件包括45度双色反射镜（5）、固定底座I（8）、锁定旋钮II（9）、45度荧光反射镜（10）、固定底座II（11）和上下调节旋钮（12），所述45度双色反射镜（5）、固定底座I（8）、45度荧光反射镜（10）、固定底座II（11）安装在所述封闭箱体（7）内，所述45度双色反射镜（5）安装在所述固定底座I（8）上，所述45度荧光反射镜（10）安装在固定底座II（11）上，所述锁定旋钮 II（9） 和上下调节旋钮（12） 安装在所述封闭箱体（7）上，位于激发激光焦点处的荧光物质受激光激发后产生的荧光由激发激光-荧光聚焦透镜（1）转换成近似平行光并穿过45度双色反射镜（5），再由特定波长的45度荧光反射镜（10）反射进入荧光收集-转化组件，其反射点的上下位置由45度荧光反射镜（10）的上下调节旋钮（12）完成调节并由锁定旋钮II（9）锁定；
所述荧光收集-转化组件包括光电倍增管（19）、带通滤波片(20)、荧光遮光桶(21)、荧光收集透镜（22）、焦距调节多头螺纹B（23）、固定底座III（24）、锁定旋钮III（25）和微孔空间滤波器（26），所述固定底座III（24）与所述封闭箱体（7）连接，所述荧光遮光桶(21)通过所述焦距调节多头螺纹B（23）与所述固定底座III（24）连接，所述带通滤波片(20)和荧光收集透镜（22）内置于所述荧光遮光桶(21)内，所述微孔空间滤波器（26）与所述荧光遮光桶(21)连接，所述光电倍增管（19）与所述微孔空间滤波器（26）连接，所述锁定旋钮III（25）安装在所述固定底座III（24）上；
还包括支撑装置，所述支撑装置包括一维光学平移台I（13）、一维光学平移台II（14）、支撑底座（15）、锁定旋钮IV（16）、高度调节多头螺纹（17）、支撑板（18），所述荧光反射组件和荧光收集-转化组件安装在所述支撑板（18）上，所述支撑底座（15）通过所述高度调节多头螺纹（17）与所述支撑板（18）连接，所述锁定旋钮IV（16）安装在所述支撑底座（15）上，所述支撑底座（15）安装在一维光学平移台I（13）上，所述一维光学平移台I（13）安装在所述一维光学平移台II（14）上；所述封闭箱体（7）上设置有激发激光入射孔（6）。
2.如权利要求1所述的可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，其特征在于，所述一维光学平移台I（13）和一维光学平移台II（14）相互垂直安装。
3.如权利要求1-2任一项所述的可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，其特征在于，所述45度双色反射镜（5）和45度荧光反射镜（10）镜面之间呈90°。
4.如权利要求3所述的可多维调节的激光诱导荧光收集及光电转化装置，其特征在于，所述焦距调节多头螺纹A（2）、锁定旋钮I（3）、激发-荧光透镜底座（4）、封闭箱体（7）、固定底座I（8）、锁定旋钮II（9）、固定底座II（11）、上下调节旋钮（12）、一维光学平移台I（13）、一维光学平移台II（14）、支撑底座（15）、锁定旋钮IV（16）、高度调节多头螺纹（17）、支撑板（18）、光电倍增管（19）、荧光遮光桶(21)、焦距调节多头螺纹B（23）、固定底座III（24）、锁定旋钮III（25）、微孔空间滤波器（26）表面经过黑色氧化处理。
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