CN109870411A - 一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池。具体的，将检测池内可调部件与三维位移平台机械桥连，配合池周围的观察孔，可对激发光纤‑光窗‑收集光纤系统进行微米尺度的三维校准；同时检测池利用密封圈、卡套与堵头等进行严格密封，保证了滴加甘油后折光补偿系统的长期稳定性，最终得到了很高的检测灵敏度。本检测池可以单独更换器件参数，如毛细管内外径、激发光纤和收集光纤的内外径，即可适应不同应用要求。

Description

一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池

技术领域

本发明专利涉及荧光检测装置，更具体地说，涉及一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池。

背景技术

荧光检测具有极高的灵敏度，在超痕量分析中有着重要地位。检测池为检测系统的重要部件，其性能的好坏决定了检测灵敏度的优劣。通过设计优化检测池结构，可以使系统的激发光杂散光背景降低，荧光的收集效率提高，从而能得到高灵敏度的检测系统。

目前，柱上检测池是一种应用最为广泛的池结构，有着柱外效应小，通用性强等优点。但该结构激发窗口处存在明显的光学界面(石英毛细管n＝1.467/空气n＝1)，会造成的强烈的激发光散射，使背景噪音提高，检测灵敏度降低。折光补偿法是一种消除光学界面的好方法，如CN 201177602Y设计了一种自对准型-折光补偿荧光检测池，以开孔的商品化三通为池体，毛细管、激发光纤、收集光纤自然共轭对准，同时毛细管与池体内壁间的缝隙用甘油(n＝1.475)填满，使检测池内部趋近“光学透明”的效果，降低了激发光的散射，提高了检测的灵敏度。然而该结构自对准的弊端在于，激发和接收光纤相对位置不可调也不可观察，即无法验证光路的对准情况、无法保证光路的对准精度，经过数百倍的显微镜放大后会发现“几十微米对准几十微米”有明显偏差，导致重复制作的检测系统灵敏度差别达1个数量级。

CN 201220461300.6设计了一种可校准-柱上光纤荧光检测池，通过对观察孔与固体膜的结合利用，使检测池在三维方向上可进行微米尺度的调节，保证了对准及检测灵敏度。但该结构在可调的同时无法兼顾池体的密封性，在滴加甘油后仅能维持有限的折光补偿时间如15min，超过时间后，甘油会沿缝隙缓慢泄露，使折光补偿效果逐渐消失。

因此，在小体积的检测池设计中，如何兼顾池体的密封与光路的可调对准，并建立长效的折光补偿方法，得到高灵敏度的检测装置，是重要问题也是难点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池。具体的，将检测池内可调部件与三维位移平台机械桥连，配合池周围的观察孔，可对激发光纤-光窗-收集光纤系统进行微米尺度的三维校准；同时检测池利用密封圈、卡套与堵头等进行严格密封，保证了滴加甘油后折光补偿系统的长期稳定性，最终得到了很高的检测灵敏度。

本发明的技术方案是：

一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池，包括池座、池座压盖、池座底座、池座平台、三维位移平台和连接板，其特征在于：

所述池座的底面中心设有圆形凹槽，于凹槽内部底面处沿轴心设有上、下两端开口的贯穿池座的圆柱形空腔；毛细管经池座侧壁垂直穿过空腔中心线，于位于空腔内的毛细管中部设有长度3～10mm的透明光窗，毛细管两端贯穿池座并延伸出池座之外；收集光纤贯穿池座侧壁伸入至空腔处，收集光纤与毛细管夹角45°且二者的中心线共面；收集光纤的一端与透明光窗接触；毛细管、收集光纤的插口处均设有密封固定的套设于毛细管外部的毛细管卡套结构和套设于光纤外部的收集光纤卡套结构；池座的侧面设有与空腔相连通的侧面观察孔，其中心线与毛细管的中心线共面，处于空腔内的开口端面向透明光窗处，侧面观察孔配有密封堵头；

所述池座平台为池座提供支撑，置于其下方，二者通过机械紧固；

所述池座底座为圆柱形，其直径小于池座底面凹槽直径；池座底座沿轴心设有光纤通道，激发光纤的上端从通道伸出；于通道下端插口处设有密封固定的套设于光纤外部的激发光纤卡套结构；池座底座自下伸入池座底面凹槽内，与底面凹槽的内表面贴合，并通过连接板与三维位移平台机械桥连，池座底座与池座底面凹槽同轴；

所述池座和池座底座的顶面沿径向均设有环形凹槽，槽内分别设有第一密封圈和第二密封圈；池座压盖置于池座上方，所述池座压盖、和池座间通过螺帽或螺杆压紧密封圈；所述池座和池座底座间通过调节三维位移平台与池座平台的间距压紧；通过压紧第二密封圈形成密闭的池内空腔，空腔内填满折光补偿液体。

调节校准时，从侧面观察孔观察：调节激发光纤与透明光窗的距离；毛细管和收集光纤在Z轴方向上的对准情况；Z轴方向(垂直于水平面的Z轴方向)上的对准和微调过程不使用或也可使用手持式小型显微镜进行观察；在池座的顶面用显微镜通过圆柱形空腔作为顶面观察孔观察激发光纤和毛细管的对准效果，在X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)调节三维位移平台，使激发光纤对准毛细管的轴线中心。

所述三维位移平台为设有X、Y和Z方向的可三维位移的平台，调节X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)进行激发光纤的轴心与透明光窗的轴心的对准，调节Z方向(垂直于水平面的Z轴方向)进行池座和池座底座的压紧、密封。

所述池座、池座压盖、池座底座、池座平台和连接板由发黑处理的铝或其他金属材料制作。

所述的激发光纤卡套结构、收集光纤卡套结构、毛细管卡套结构内，于毛细管、激发光纤和收集光纤的外部都分别套有内径分别与毛细管、收集光纤和激发光纤匹配、外径与卡套内径匹配的套管，套管材料为FEP、PTFE或PEEK。

所述池座的底面凹槽侧壁面与池座底座之间留有缝隙，缝隙量为0.5～1.5mm，其尺度与三维位移平台调节器的X、Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)的调节量程相匹配。

所述激发光纤与透明光窗的距离为20～100微米。

所述激发光纤、毛细管和收集光纤的内外径及长短尺寸均可根据具体应用进行优化。

与现有技术相比，本发明的检测池具有如下优点：

(1)与现有的CN 201177602Y相比，配合三维位移平台和池周的观察孔，可以实现三维方向的观察调节与精准校准，使激发光纤、毛细管、收集光纤的对准效果更佳，检测信噪比更高；

(2)与现有的CN 201220461300.6相比，本检测池使用密封圈、卡套与堵头等进行严格密封，能保证滴加甘油后折光补偿系统的长期稳定性，最终得到很高的检测信噪比。

(3)本检测池模块化设计，单独更换不同参数的相应模块，如毛细管内外径、激发光纤和收集光纤的内外径，即可适应不同应用背景。

附图说明

图1为本发明专利的检测池的侧视剖面图。图中，1-池座，2-池座压盖，3-池座底座，4-池座平台，5-三维位移平台，6-连接板，7-毛细管，9-收集光纤，10-激发光纤卡套结构，13-激发光纤，14-第一密封圈，15-第二密封圈，16-收集光纤卡套结构，17-毛细管卡套结构、18-顶面观察孔。

图2为本发明专利的检测池的俯视剖面图。图中，1-池座，4-池座平台，6-连接板，7-毛细管，8-透明光窗，9-收集光纤，11-侧面观察孔，12-堵头，16-收集光纤卡套结构，17-毛细管卡套结构。

图3为进样1×10^-11M荧光素纳，计算检测限为3×10^-12M，谱图如图3所示；

图4为进样8×10^-11M罗丹明-123，计算检测限为8×10^-12M，谱图如图4所示。

具体实施方式：

一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池，包括池座1、池座压盖2、池座底座3、池座平台4、三维位移平台5和连接板6，其特征在于：

池座1的底面中心设有圆形凹槽，于凹槽内部底面处沿轴心设有上、下两端开口的贯穿池座的圆柱形空腔；毛细管7经池座侧壁垂直穿过空腔中心线，于位于空腔内的毛细管中部设有长度3～10mm的透明光窗8，毛细管两端贯穿池座并延伸出池座1之外；收集光纤9贯穿池座侧壁伸入至空腔处，收集光纤9与毛细管7夹角45°且二者的中心线共面；收集光纤9的一端与透明光窗8接触；毛细管7、收集光纤9的插口处均设有密封固定的套设于毛细管外部的毛细管卡套结构17和套设于光纤外部的收集光纤卡套结构16；池座1的侧面设有与空腔相连通的侧面观察孔11，其中心线与毛细管7的中心线共面，处于空腔内的开口端面向透明光窗8处，侧面观察孔11配有密封堵头12；

池座平台4为池座1提供支撑，置于其下方，二者通过机械紧固；

池座底座3为圆柱形，其直径小于池座1底面凹槽直径；池座底座3沿轴心设有光纤通道，激发光纤13的上端从通道伸出；于通道下端插口处设有密封固定的套设于光纤外部的激发光纤卡套结构10；池座底座3自下伸入池座1底面凹槽内，与底面凹槽的内表面贴合，并通过连接板6与三维位移平台5机械桥连，池座底座3与池座1底面凹槽同轴；

池座1和池座底座3的顶面沿径向均设有环形凹槽，槽内分别设有第一密封圈14和第二密封圈15；池座压盖2置于池座1上方，所述池座压盖2、和池座1间通过螺帽或螺杆压紧密封圈；所述池座1和池座底座3间通过调节三维位移平台5与池座平台4的间距压紧；通过压紧第二密封圈15形成密闭的池内空腔，空腔内填满折光补偿液体。

调节校准时，从侧面观察孔11观察：调节激发光纤13与透明光窗8的距离；毛细管7和收集光纤9在Z轴方向上的对准情况；Z轴方向(垂直于水平面的Z轴方向)上的对准和微调过程不使用或也可使用手持式小型显微镜进行观察；在池座1的顶面用显微镜通过圆柱形空腔作为顶面观察孔18观察激发光纤13和毛细管7的对准效果，在X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)调节三维位移平台5，使激发光纤13对准毛细管7的轴线中心。

三维位移平台5为设有X、Y和Z方向的可三维位移的平台，调节X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)进行激发光纤13的轴心与透明光窗8的轴心的对准，调节Z方向(垂直于水平面的Z轴方向)进行池座1和池座底座3的压紧、密封。

池座1、池座压盖2、池座底座3、池座平台4和连接板6由发黑处理的铝或其他金属材料制作。

激发光纤卡套结构10、收集光纤卡套结构16、毛细管卡套结构17内，于毛细管7、激发光纤13和收集光纤9的外部都分别套有内径分别与毛细管7、收集光纤9和激发光纤13匹配、外径与卡套内径匹配的套管，套管材料为FEP、PTFE或PEEK。

池座1的底面凹槽侧壁面与池座底座3之间留有缝隙，缝隙量为0.5～1.5mm，其尺度与三维位移平台调节器5的X、Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)的调节量程相匹配。

激发光纤13与透明光窗8的距离为20～100微米。

激发光纤13、毛细管7和收集光纤9的内外径及长短尺寸均可根据具体应用进行优化。

实施例1

一种可调校准——折光补偿激光诱导荧光检测器，激发光源为450nm小型半导体激光二极管。激发光纤13及激发光纤卡套结构10同轴置于池座1的地面凹槽内；激发光纤13芯径50μm，数值孔径0.22，激发光纤13与毛细管的透明光窗8距离50μm；毛细管7的内径50μm，外径365μm，毛细管7垂直穿过池座1空腔的中心线；收集光纤9芯径0.4mm，数值孔径0.22，与毛细管7夹角45°，且二者的中心线共面，收集光纤9的一端与透明光窗8物理接触；毛细管7、收集光纤9的插口处均由一体化PEEK拧帽卡套结构17和16同轴固定；池座1的侧面开设有侧面观察孔11，其中心线与毛细管7的中心线共面。如图1所示，通过压紧第二密封圈15形成密闭的池内空腔，空腔内填满折光补偿液体甘油，将甘油密封住。校准时，于侧面观察孔11观察调节激发光纤13与透明光窗8的距离50μm；在池座1的顶面用手持式小型显微镜通过顶面观察孔18观察，在X和Y方向调节三维位移平台5，使激发光纤13对准毛细管7的轴线中心。光电接收器件为光电倍增管(PMT)，极化电压500mV；发射滤光片为530nm，带宽30nm；浙江大学N2000色谱工作站用于信号采集。毛细管电泳条件为：缓冲液，2.0×10^-2M Na₂B₄O₇-9.3×10^-2M H₃BO₃(pH＝8.3)；电压，10kV；进样时间，20s。

实验结果：

进样1×10^-11M荧光素纳，计算检测限为3×10^-12M，谱图如图3所示；进样8×10^-11M罗丹明-123，计算检测限为8×10^-12M，谱图如图4所示。

实施例2

如实施例1所述的荧光检测池结构，将激发光源更换为470nm蓝光LED，检测样品为异硫氰酸荧光素(FITC)。

实验结果：计算检测限为1.5×10^-10M。

依据本发明实施例的设计思想对实施例的具体实施方式及应用范围进行修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的一般原理和新颖特点相一致的最宽的范围。凡依据本发明设计思想所做的任何无创造性劳动的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可调校准——折光补偿柱上荧光检测池，包括池座(1)、池座压盖(2)、池座底座(3)、池座平台(4)、三维位移平台(5)和连接板(6)，其特征在于：

所述池座(1)的底面中心设有圆形凹槽，于凹槽内部底面处沿轴心设有上、下两端开口的贯穿池座的圆柱形空腔；毛细管(7)经池座侧壁垂直穿过空腔中心线，于位于空腔内的毛细管中部设有长度3～10mm的透明光窗(8)，毛细管两端贯穿池座并延伸出池座(1)之外；收集光纤(9)贯穿池座侧壁伸入至空腔处，收集光纤(9)与毛细管(7)夹角45°且二者的中心线共面；收集光纤(9)的一端与透明光窗(8)接触；毛细管(7)、收集光纤(9)的插口处均设有密封固定的套设于毛细管外部的毛细管卡套结构(17)和套设于光纤外部的收集光纤卡套结构(16)；池座(1)的侧面设有与空腔相连通的侧面观察孔(11)，其中心线与毛细管(7)的中心线共面，处于空腔内的开口端面向透明光窗(8)处，侧面观察孔(11)配有密封堵头(12)；

所述池座平台(4)为池座(1)提供支撑，置于其下方，二者通过机械紧固；

所述池座底座(3)为圆柱形，其直径小于池座(1)底面凹槽直径；池座底座(3)沿轴心设有光纤通道，激发光纤(13)的上端从通道伸出；于通道下端插口处设有密封固定的套设于光纤外部的激发光纤卡套结构(10)；池座底座(3)自下伸入池座(1)底面凹槽内，与底面凹槽的内表面贴合，并通过连接板(6)与三维位移平台(5)机械桥连，池座底座(3)与池座(1)底面凹槽同轴；

所述池座(1)和池座底座(3)的顶面沿径向均设有环形凹槽，槽内分别设有第一密封圈(14)和第二密封圈(15)；池座压盖(2)置于池座(1)上方，所述池座压盖(2)、和池座(1)间通过螺帽或螺杆压紧密封圈；所述池座(1)和池座底座(3)间通过调节三维位移平台(5)与池座平台(4)的间距压紧；通过压紧第二密封圈(15)形成密闭的池内空腔，空腔内填满折光补偿液体。

2.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：调节校准时，从侧面观察孔(11)观察：调节激发光纤(13)与透明光窗(8)的距离；毛细管(7)和收集光纤(9)在Z轴方向上的对准情况；Z轴方向(垂直于水平面的Z轴方向)上的对准和微调过程不使用或也可使用手持式小型显微镜进行观察；在池座(1)的顶面用显微镜通过圆柱形空腔作为顶面观察孔(18)观察激发光纤(13)和毛细管(7)的对准效果，在X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)调节三维位移平台(5)，使激发光纤(13)对准毛细管(7)的轴线中心。

3.根据权利要求1或2所述的检测池，其特征在于：所述三维位移平台(5)为设有X、Y和Z方向的可三维位移的平台，调节X和Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)进行激发光纤(13)的轴心与透明光窗(8)的轴心的对准，调节Z方向(垂直于水平面的Z轴方向)进行池座(1)和池座底座(3)的压紧、密封。

4.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述池座(1)、池座压盖(2)、池座底座(3)、池座平台(4)和连接板(6)由发黑处理的铝或其他金属材料制作。

5.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述的激发光纤卡套结构(10)、收集光纤卡套结构(16)、毛细管卡套结构(17)内，于毛细管(7)、激发光纤(13)和收集光纤(9)的外部都分别套有内径分别与毛细管(7)、收集光纤(9)和激发光纤(13)匹配、外径与卡套内径匹配的套管，套管材料为FEP、PTFE或PEEK。

6.根据权利要求1、2或3所述的检测池，其特征在于：所述池座(1)的底面凹槽侧壁面与池座底座(3)之间留有缝隙，缝隙量为0.5～1.5mm，其尺度与三维位移平台调节器(5)的X、Y方向(同一水平面上的X轴和Y轴方向)的调节量程相匹配。

7.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述激发光纤(13)与透明光窗(8)的距离为20～100微米。

8.根据权利要求1所述的检测池，其特征在于：所述激发光纤(13)、毛细管(7)和收集光纤(9)的内外径及长短尺寸均可根据具体应用进行优化。