CN110044821A - 一种用于微弱荧光信号检测的光路结构、光学分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微弱荧光信号检测的光路结构、光学分析装置。激发光源，用于提供激发光束。激发光光路系统，用于将所述光源提供的激发光束转化为单色光，并在二色镜的反射下，使得单色光按照预设角度射入到被检测物体表面。二色镜，用于反射单色光、透过激发产生的荧光。检测光路系统，用于收集被测物体表面激发的荧光，并转化为平行光，传输到外界的光学检测器件。本发明通过缩短凸透镜与检测区域的距离，从而让更大角度范围的荧光能够进入到检测光路，从而提高系统的检测灵敏度及准确性。

Description

一种用于微弱荧光信号检测的光路结构、光学分析装置

技术领域

本发明涉及光学分析技术领域，特别涉及一种用于微弱荧光信号检测的光路结构、光学分析装置。

背景技术

荧光免疫分析仪是一种利用稀土标记物进行超微量分析的仪器。其基本原理是将抗体用稀土元素标记制成试剂，用特定波长的光源作为激发光照射，试剂就会被激发出另一种波长的荧光，通过对该荧光进行光学分析，即可做出诊断。荧光免疫分析仪的光学分析装置的好坏直接影响到检测的准确性和灵敏度。目前，荧光检测装置的光学系统主要有两种：一种是斜射型光路系统，激发光从与测试样本卡平面成45°角照射测试样本卡检测区，在与入射光成45°角并与测试样本卡平面垂直的方向上以光电检测器检测荧光信号。其优点是光路简单，缺点是激发光对荧光的干扰较强，检测灵敏度低；另一种是共焦型光路主要由二向色镜、聚光透镜、干涉滤光片等构成。激发光束经扩束准直，由二向色镜反射并由聚光透镜聚焦后垂直照射到测试样本卡的检测区域，激发产生的荧光先由聚光透镜准直，再由二向色镜透射，经干涉滤光片进一步滤除干扰光最后再由聚光透镜聚焦呈像在检测器上，其中二向色镜是关键的光学元件，起到对激发光和荧光的有效分离作用。共聚焦型荧光检测器的优点是比前一种检测方式检测灵敏度高，但这种类型的光学系统结构复杂，价格昂贵，不易微型化，集成化而且对微弱型号的检测灵敏度还是较低。

如果能提供结构简单、成本低廉、易于微型化的检测装置，将是十分有意义的。

发明内容

为达到上述目的，本发明提供了一种用于微弱荧光信号检测的光路结构，

包括：

激发光源，用于提供激发光束；

激发光光路系统，用于将所述光源提供的激发光束转化为单色光，并在二色镜的反射下，使得单色光按照预设角度射入到被检测物体表面；

二色镜，用于反射单色光、透过激发产生的荧光；

检测光路系统，用于收集被测物体表面激发的荧光，并转化为平行光，传输给外界的光学检测器件。

进一步的，所述激发光光路系统包括第一滤波片、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜；

所述第一滤波片设置于激发光源前方，用于对激发光进行滤波后形成单色光出射到第一凸透镜；

所述第一凸透镜凸面朝向第一滤波片设置，用于将单色光进行汇聚处理后出射到二色镜；所述二色镜设置于被测物体上方，且朝单色光入射方向倾斜；

所述第二凸透镜和第三凸透镜重叠设置于被测物体与二色镜之间，且凸面朝向二色镜，用于聚焦二色镜反射的单色光并入射到被测物体表面；且将被测物体表面的反射光转化为平行光。

进一步的，所述检测光路系统包括第二滤光片、第四凸透镜、第五凸透镜；

所述第二滤光片设置于二色镜上方，用于过滤被测物体表面激发出来的荧光后出射到第四凸透镜和第五凸透镜；

所述第四凸透镜设置于第二滤光片上方，且凸面朝向第二滤光片，用于聚焦反射光到光学检测器件上。

进一步的，所述检测光路系统包括第五凸透镜；

所述第四凸透镜和第五凸透镜重叠设置于第二滤光片上方，且凸面朝向第二滤光片，用于聚焦反射光到光学检测器件上。

进一步的，所述二色镜与激发光入射光线的水平入射方向呈45度。

进一步的，被检测物体与所述第二凸透镜和第三凸透镜组成的透镜组的距离等于该透镜组的焦距。

本发明还公开了一种光学分析装置，包括壳体、封装于壳体内的光路结构、光学检测器件、控制分析电路。

所述控制分析电路包括LED驱动电路、电流/电压转换电路、运算放大器、A/D转换电路、微处理器；所述微处理器连接LED驱动电路输入端及A/D转换电路输出端，LED驱动电路输出端连接电流/电压转换电路输入端，电流/电压转换电路输出端连接两个运算放大电路的输入端，A/D转换电路的输入端则连接两个运算放大电路的输出端。

进一步的，所述壳体为黑色。

进一步的，在光路检测电路与控制分析电路之间设置有放大电路。

本发明的有益效果为：

本发明通过缩短凸透镜与检测区域的距离，从而让更大角度范围的荧光能够进入到检测光路，从而提高系统的检测灵敏度及准确性。

附图说明

图1为传统光路结构示意图。

图2为本发明的光路结构示意图。

图3为传统光路光收集结构中凸透镜与检测区域距离图。

图4为本发明光路结构中凸透镜与检测区域距离示意图。

图5为光学分析装置结构示意图。

图6为控制分析电路示意图。

图中：1.控制分析电路，4.光学分析装置，8.光路封装体，9.外壳，10.光学检测器件；a1.激发光源,a2.第一滤波片,a3.第一凸透镜,a4.二色镜上,a5.第二凸透镜,a6.测试卡，a7.第二滤光片，a8.第四凸透镜,a9.光学检测器件,a10.放大电路，a11.第三凸透镜,a12.第五凸透镜。

具体实施方式

下面结合附图1～6及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本发明的设计构思为：

传统共聚形光学系统(图1所示为典型的传统光路结构)对微弱荧光信号检测灵敏度低是因为激发出的荧光能被光学系统收集到的量太少，因此需要提高光学系统收集荧光的能力。在检测光路准直凸透镜直径一定的情况下，凸透镜离荧光发光点的距离越近能够收集到的荧光的角度范围越大，也就是进入检测光路的荧光的量更多，更多的荧光量达到光信号检测器检测下线的可能性就更大，从而能够提高该检测系统的灵敏度。本发明采用双透镜组合的方式来减小凸透镜与发光点的距离(如附图2所示)，从而提高荧光采集量。

一.光路结构

下面先对光路结构进行说明。其包括：激发光源a1、激发光光路系统、二色镜a4、检测光路系统。

激发光源a1用于提供激发光束。激发光源a1的波长根据需要进行选择。

激发光光路系统用于将所述激发光源a1提供的激发光束转化为单色激发光后，按照预设角度射入到被检测物体表面。所述激发光光路系统包括第一滤波片a2、第一凸透镜a3、第二凸透镜a5、第三凸透镜a11。所述第一滤波片a2设置于激发光源a1前方，用于将激发光中的干扰光过滤掉后形成单色光出射到第一凸透镜a3。所述第一凸透镜a3凸面朝向第一滤波片a2设置，用于将单色光进行汇聚处理后出射到二色镜a4所述第二凸透镜a5和第三凸透镜a11重叠设置于被测物体与二色镜a4之间，且凸面朝向二色镜a4，用于聚焦二色镜a4反射的单色光并入射到被测物体表面；且将被测物体表面的反射光转化为平行光。

二色镜a4，用于折射单色光、透过激发产生的荧光。检测光路系统，用于将被测物体表面激发出来的荧光转化为平行光，传输给外界的光学检测器件a9。二色镜a4设置于被测物体上方，且朝单色光入射方向倾斜，与其水平照射方向成45°角倾斜。

检测光路系统用于将被测物体表面激发出来的荧光转化为平行光，传输给外界的光学检测器件a9。如图2所示，该系统包括第二滤光片a7、第四凸透镜a8。所述第二滤光片a7设置于二色镜a4上方，用于过滤被测物体表面激发出来的荧光后出射到第四凸透镜a8。所述第四凸透镜a8凸面朝向第二滤光片a7，用于聚焦反射光到光学检测器件a9上。为了进一步的缩小装置的体积，还设置有第五凸透镜a12，所述第四凸透镜a8、第五凸透镜a12重叠设置于第二滤光片a7上方，且凸面朝向第二滤光片a7，用于聚焦反射光到光学检测器件a9上。这样设计的好处是：在检测光路最后聚焦的透镜处也做成了双透镜组合的结构，能够减小焦距，降低后续所述光信号检测器件a9的位置，缩小装置的体积。

传统检测光路要么没有凸透镜准直收集荧光，要么只有一个凸透镜(如图3所示)，而由于凸透镜固有的特性决定了单个凸透镜的焦距很难减小。作为对现有技术的另一个贡献，本实施例中采用了双透镜组合的方式来减小凸透镜与发光点的距离：如图4所示，被测物体表面与第二凸透镜a5和第三凸透镜a11所形成的透镜组的距离为该透镜组的焦距，反射单色光在被测物体平面形成一定直径的一个圆形区域。距离参数根据透镜焦距不同而不同，检测点就在这个焦点上，焦距越近收集的角度越大。这样设计能最大限度的收集反光，从而提高荧光采集量。需要说明的是，前述距离是指的被测物体表面与透镜组中最接近其的凸透镜的距离。如图3、4所示，H1>H2，A1<A2。本实施例中，距离H2为4mm。被测物体反射光的最大夹角R2为74度。

优选的，光路中所有的凸透镜都是相同的型号这样能够降低装置的复杂程度和缩减其成本。

下面结合图2对上述光路的工作原理进行说明。

激发光源a1向水平方向发出激发光，通过第一滤波片a2的过滤，再由第一凸透镜a3准直调整激发光的照射范围后，又照在与激发光照射方向成45°角的二色镜a4上，该二色镜a4对激发光是截止的不能透过，但是可以折射，经二色镜a4折射后的激发光垂直向下照射，再经第二凸透镜a5和第三凸透镜a11双透镜的聚焦作用，把激发光照射在样本检测卡a6的检测区域上，为了扩大激发光的照射面积没有把样本检测卡a6放在激发光聚焦后的焦点上，这样既能够聚集激发光的能量，又能够扩大被照射的检测区域从而产生更多的荧光信号。荧光由样本检测卡a6被照射的检测区域发散出来，由于第二凸透镜a5和第三凸透镜a11组成的透镜组合焦距很短而且理论上的焦点就在检测区域上，所以被激发出来荧光经过第二凸透镜a5和第三凸透镜a11后变为垂直向上的平行光，照向二色镜a4上，而该二色镜a4能够让被激发出来的荧光透过，反射的极少，透过去的荧光再经第二滤光片a7过滤掉杂光，最后由第四凸透镜a8和第五凸透镜a12组成的透镜组聚焦在光学检测器件a9上。光学检测器件a9把光信号转换成电信号由放大电路a10放大后传输到控制分析电路1。其中所有的凸透镜都是相同的型号,这样能够降低装置的复杂程度和缩减其成本。

二.光学分析装置

本发明还公开了一种光学分析装置，包括壳体9、封装于壳体9内的前述光路结构、光学检测器件10及控制分析电路1。需要说明的是，前述光路结构的各个零部件是封装固定的(如，光路是利用单独的光路封装壳8封装的)。如图5所示。下面分别进行介绍。

壳体9为黑色，它不仅起着固定其余零件的作用，而且能够隔离外界光源对光学系统的干扰。

光学检测器件10设置于第四凸透镜a8的焦点处或第四凸透镜a8和第五凸透镜a12组成的透镜组的焦点处。通过光学检测器件a9把光信号转换成电信号，传输到控制分析电路1，由控制分析电路1对该信号进行处理，最后得出相应的诊断结果。

优选的，在光路检测电路与控制分析电路1之间设置有放大电路a10，用于放大电信号，提高检测灵敏度。

如图6所示，所述控制分析电路1包括LED驱动电路、电流/电压转换电路、运算放大器、A/D转换电路、微处理器。连接关系为：

所述微处理器连接LED驱动电路输入端及A/D转换电路输出端，LED驱动电路输出端连接激发光源a1，电流/电压转换电路输出端连接两个运算放大电路的输入端，A/D转换电路的输入端则连接两个运算放大电路的输出端。

所述微处理器用于控制电机运动、控制LED驱动电路，并接收A/D转换电路输出信号进行处理，根据所得到的信号值匹配对应的浓度值，进而得到测试卡内抗原或者抗体的浓度。

电流/电压转换电路接收来自光学检测器件的电流信号转换为电压信号后输出到两个运算放大电路，经放大后的电压信号输出到A/D转换电路，再把转换得到的数字信号发送给微处理器进行处理。

控制分析电路1的工作原理为：微处理器通过PWM调节LED灯功率(也就是激发光源a1所使用的灯)，并驱动电机运动。当被测物体刚开始被送入检测位置时，控制电机运动，使得测试沿着预定轨道运动，当运动到指定位置时，微控制器LED等以较弱的光强进行照射，微流控荧光芯片发出的荧光信号经过电流/电压转换电路转换为电压信号，同时送入两路运算放大器进行放大，A/D转换电路同时采集不同放大倍率的电信号并进行滤波处理后存入微处理器；当被测物体伸出的时候，微处理器将LED灯功率调大，以较强(通常大于前述的较弱光强10倍光强)照射，将得到的较强的荧光信号同时放大之后进行采集。微控制器根据所得到的信号值匹配对应的浓度值，进而得到测试卡内抗原或者抗体的浓度。应当理解，信号值与浓度值的对应关系是预先就确定并存储的。

通过这样的处理，可以得到很宽的测量范围，并且通过两次检测加过进行计算，可以使最终的结果更加稳定。

Claims (10)

1.一种用于微弱荧光信号检测的光路结构，其特征在于，包括：

激发光源，用于提供激发光束；

激发光光路系统，用于将所述光源提供的激发光束转化为单色光，并在二色镜的反射下，使得单色光按照预设角度射入到被检测物体表面；

二色镜，用于反射单色光、透过激发产生的荧光；

检测光路系统，用于收集被测物体表面激发的荧光，并转化为平行光，传输给外界的光学检测器件。

2.如权利要求1所述的一种用于微弱荧光信号检测的光路结构，其特征在于，所述激发光光路系统包括第一滤波片、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜；

所述第一滤波片设置于激发光源前方，用于对激发光进行滤波后形成单色光出射到第一凸透镜；

所述第一凸透镜凸面朝向第一滤波片设置，用于将单色光进行汇聚处理后出射到二色镜；所述二色镜设置于被测物体上方，且朝单色光入射方向倾斜；

所述第二凸透镜和第三凸透镜重叠设置于被测物体与二色镜之间，且凸面朝向二色镜，用于聚焦二色镜反射的单色光并入射到被测物体表面；第二凸透镜和第三凸透镜为激发光光路系统与检测光路系统所共用。

3.如权利要求1所述的一种用于微弱荧光信号检测的光路结构，其特征在于，所述检测光路系统包括第二滤光片、第四凸透镜、第五凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜；

所述第二滤光片设置于二色镜上方，用于过滤被测物体表面激发出来的荧光后出射到第四凸透镜和第五凸透镜；

所述第四凸透镜设置于第二滤光片上方，且凸面朝向第二滤光片，用于聚焦反射光到光学检测器件上；

第三凸透镜与第二凸透镜用于收集被测物体表面激发出来的荧光，并将其转化为平行光照射到二色镜。

4.如权利要求3所述的一种用于微弱荧光信号检测的光路结构，其特征在于，所述检测光路系统包括第五凸透镜；

所述第四凸透镜和第五凸透镜重叠设置于第二滤光片上方，且凸面朝向第二滤光片，用于聚焦反射光到光学检测器件上。

5.如权利要求1所述的一种光路结构，其特征在于，所述二色镜与激发光入射光线的水平入射方向呈45度。

6.如权利要求1～5任一项所述的一种光路结构，其特征在于，被检测物体与所述第二凸透镜和第三凸透镜组成的透镜组的距离等于该透镜组的焦距。

7.一种光学分析装置，其特征在于，包括壳体、封装于壳体内的如权利要求1～6任一项所述的光路结构、光学检测器件、控制分析电路。

8.如权利要求7所述的光学分析装置，其特征在于，所述控制分析电路包括LED驱动电路、电流/电压转换电路、运算放大器、A/D转换电路、微处理器；所述微处理器连接LED驱动电路输入端及A/D转换电路输出端，电流/电压转换电路输出端连接两个运算放大电路的输入端，A/D转换电路的输入端则连接两个运算放大电路的输出端。

9.如权利要求7所述的光学分析装置，其特征在于，所述壳体为黑色。

10.如权利要求7或8或9所述的光学分析装置，其特征在于，在光学检测器件与控制分析电路之间设置有放大电路。