CN111239087A - 基于超连续谱光源的流动粒子测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，包括配置流式细胞仪使得被检测粒子逐个通过其液流系统，若干被检测粒子形成粒子流束；利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束；利用光分离元件将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，获得若干段不同波长的激发光；通过采集系统接收被检测粒子的光信号。本发明还涉及基于超连续谱光源的流动粒子测量装置。本发明利用超连续谱光源测量粒子流束，实现最大光谱带宽；最大光谱带宽与光分离元件的配合以使得被检测粒子将经过若干波长的激发光谱，实现了被检测粒子被多次的测量从而获得被检测粒子的更多信息；同时避免了通过多个发射不同波长的激光器同时进行照射，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及基于超连续谱光源的流动粒子测量方法。
背景技术
超连续谱光源它是使用超短脉冲激光耦合进高非线性光纤(通常是光子晶体光纤PCF)，因为光纤的非线性效应、四波混频及光孤子效应，使得输出光的脉冲光谱展宽，谱宽从0.4um～2.4um，从而实现超宽的光谱输出。大多数超连续谱是通过用超快脉冲泵浦高度非线性光纤产生的，非线性光纤的色散特性在超连续谱产生中起着至关重要的作用；当非线性光纤在异常色散区域中以超快脉冲泵浦并接近零色散波长时，光谱展宽主要受孤子效应的影响，该过程产生具有精细和复杂结构的光谱，其对泵浦脉冲波动非常敏感，导致从脉冲到脉冲的光谱结构的巨大差异。这种超连续谱光源主要应用于荧光成像、荧光寿命成像(FLIM)、全反射式荧光显微、单分子成像、宽频光谱学、光学同调断层扫描术(OCT)，特别是流式细胞仪领域。
流式细胞术是利用流式细胞仪对处于快速直线流动中的单细胞的特性及其成分或其他各种微小颗粒及其负载物进行多参数分析和分选的技术，其特点是检测速度快、测量参数多、采集信息量大、分析全面、方法灵活。流式细胞仪可以帮助临床医生快速实现常规免疫表型，CD4T细胞计数、DNA、网织红细胞、血小板等临床分析，是遗传、肿瘤、血液、免疫功能等诸多研究不可或缺的重要工具。
流式细胞仪在传统的生物医学领域，比如针对淋巴细胞分型，有6个荧光通道就可以完成；但随着生命医学领域的发展，比如白血病分型等，需要10个，20个，甚至更多的荧光通道，这不但需要多个不同波长的激光器，还需要足够多的AD模块进行数据采集，这不仅提高了控制系统开发成本，电路布线难度等，还影响了仪器维护、升级扩展，使得不同配置的流式细胞仪的数据采集控制系统设计完全不同。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供基于超连续谱光源的流动粒子测量方法。
本发明通过超连续谱光源测量流动粒子，实现探测通道数量的任意扩展。
本发明提供基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，包括如下步骤：
配置流式细胞仪使得被检测粒子逐个通过其液流系统，若干被检测粒子形成粒子流束；
利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束；其中，所述宽光谱激发光束垂直于所述粒子流束；
利用光分离元件将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，获得若干段不同波长的激发光；
所述若干段不同波长的激发光激发被检测粒子，以使得采集系统接收被检测粒子在所述若干段不同波长的激发光激发下获得的前向散射光信号、侧向散射光信号以及荧光信号。
优选地，所述利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束，包括：
利用光纤耦合器将超短脉冲耦合到光子晶体光纤中，所述超短脉冲经所述光子晶体光纤透射以形成所述超连续谱光源；其中，所述超短脉冲通过超短脉冲光源发出。
优选地，所述超短脉冲经所述光子晶体光纤透射以形成所述超连续谱光源，包括：
所述光子晶体光纤的横截面上分布若干圈空气孔，从所述光子晶体光纤内向外方向，所述空气孔呈六边形排列；其中，外圈的所述空气孔为圆形，最内圈的所述空气孔为椭圆形。
优选地，所述最内圈的所述空气孔填充物为五硫化二砷。
优选地，所述椭圆形的所述空气孔的纵轴线距离大于所述圆形的所述空气孔的直径。
优选地，所述利用光分离元件将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，包括：
利用所述光分离元件将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光连续的测量。
优选地，在所述激发光照射所述粒子流束之前通过若干滤光片获得区别于所述激发光的波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光间断的测量。
优选地，所述通过采集系统接收被检测粒子的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，包括：
利用聚透镜将接收的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号准直为平行光会聚到面阵探测器上，所述面阵探测器上不同的感应单元感应不同的光信号；通过图像处理器采集所述面阵探测器上的光信号。
优选地，所述通过采集系统接收被检测粒子的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，包括：
利用光电探测器采集被检测粒子发出的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，并通过数据处理器将采集的光信号转换为电信号。
本发明还提供基于超连续谱光源的流动粒子测量装置，包括装置本体，所述装置本体包括液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件和主控组件，所述液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件电性连接所述主控组件；其中，
所述液流控制组件用于将被检测粒子在气压的作用下形成单列粒子流束；
所述光学控制组件设置于所述粒子流束的一侧，所述光学控制组件包括超连续谱光源与光分离元件，所述超连续谱光源与光分离元件相邻设置；所述超连续谱光源发出与所述粒子流束垂直的宽光谱激发光束；所述光分离元件将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得单个被检测粒子经过所述若干种波长的激发光；
所述信号采集组件设置于所述粒子流束的另一侧，所述信号采集组件用于采集所述光学控制组件作用于所述粒子流束上产生的光信号。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了基于超连续谱光源的流动粒子测量方法及装置，本发明利用超连续谱光源测量粒子流束，实现最大光谱带宽；最大光谱带宽与光分离元件的配合以使得被检测粒子将经过若干波长的激发光谱，实现了被检测粒子被多次的测量从而获得被检测粒子的更多信息；同时避免了通过多个发射不同波长的激光器同时进行照射，降低了生产成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法的整体流程图；
图2为本发明的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法中利用光分离元件将宽光谱激发光束进行空间扩展的一种实施例；
图3为本发明的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法中利用光分离元件将宽光谱激发光束进行空间扩展的另一种实施例；
图4为本发明的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法中的光子晶体光纤的结构示意图；
图5为本发明的一种基于超连续谱光源测量流动粒子装置的整体结构示意图；
图6为一种基于超连续谱光源测量流动粒子装置的信号采集逻辑图；
附图标记：10、超连续谱光源，20、光分离元件，30、滤光片，40、粒子流束，410、被检测细胞。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
流式细胞仪是目前在基础医学、临床医学与生物医学工程研究中常用的检测设备。目前广泛使用的流式细胞仪多由一个或多个不同波长的半导体、准分子或染料激光器等作为照射光源，激发光照射波长的数目直接决定流失细胞仪的用途与成本。本发明中通过利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发粒子流束，利用一个超连续谱光源实现最大光谱带宽，一个被检测粒子被多次测量从而获得被检测粒子的更多信息。
本发明提供基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，如图1-4所示，包括如下步骤：
S1、配置流式细胞仪使得被检测粒子逐个通过其液流系统，若干被检测粒子形成粒子流束40。在一个实施例中，流式细胞仪的液流系统多采用鞘液流动系统包裹细胞，依次以单细胞形式进行流动室中并通过激光照射光束，通过改变样本压力调节样本的进样速率，以改变细胞之间的距离；其中，流动室是流式细胞仪的核心部件，在流动室中，被检测细胞410逐个通过并在流动室中与激光照射光束正交。若干被检测细胞410在流动室中形成离子流束。
S2、利用超连续谱光源10发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束40；其中，所述宽光谱激发光束垂直于所述粒子流束40。在一个实施例中，光谱是指白光(或复色光)经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长大小而依次排列的图案。超连续谱光源为白光激光器，白光激光器可提供的最大波长范围为300nm-3000nm。
具体的，如图4所示，利用光纤耦合器将超短脉冲耦合到光子晶体光纤中，所述超短脉冲经所述光子晶体光纤透射以形成所述超连续谱光源；其中，所述超短脉冲通过超短脉冲光源发出。所述光子晶体光纤的横截面上分布若干圈空气孔，从所述光子晶体光纤内向外方向，所述空气孔呈六边形排列；其中，外圈的所述空气孔为圆形，最内圈的所述空气孔为椭圆形。所述最内圈的所述空气孔填充物为五硫化二砷。所述椭圆形的所述空气孔的纵轴线距离大于所述圆形的所述空气孔的直径。光子晶体光纤是产生超连续谱光源激光器的核心，超连续谱光源一般采用高峰值功率超短脉冲激光泵浦具有小模场面积的光子晶体光纤，在光子晶体光纤中实现超连续谱展宽。由于超连续谱产生过程中，短波长激光束缚能量较弱，使得一部分短波长发生泄漏，产生热沉积。通过将最内圈的空气孔设置成椭圆形，增加包层的表面积，通过增加散热面积，实现高功率连续激光的输出。
在内圈的空气孔中填充五硫化二砷，得到五硫化二砷的玻璃光子晶体光纤，通过将若干圈空气孔设置成正六边形，利用光纤耦合器将超短脉冲耦合到光子晶体光纤中，由于处在正色散区，有效减少了孤子效应；由于光纤的色散值接近零使得脉冲种子光源的波长有了更广泛的选择。另外，五硫化二砷的玻璃光子晶体光纤具有良好的化学耐久性和强度。
五硫化二砷的玻璃光子晶体光纤有五个正六边形空气环包围，除了最内圈的椭圆形空气孔，其他空气孔的直径相同且间距相等，两个空气孔之间的间距d1范围为3μm-4μm，圆形空气孔的直径d2范围为1.5μm-2μm。椭圆形的纵轴线d3的距离大于圆形的空气孔的直径，六个椭圆形的空气孔均匀分布于最内圈。
S3、利用光分离元件20将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，获得若干段不同波长的激发光。在一个实施例中，光分离元件20是将超连续谱光源10色散成光谱，光分离元件20优选色散器，比如棱镜或衍射光栅。利用色散器将白光激发器发出的宽光谱发光束扩展为若干种波长的激发光，若干种波长的激发光以一定角度照射在粒子光束上。
具体地，在一个实施例中，如图2所示，利用所述光分离元件20将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光连续的测量。若干种波长的激发光谱照射在粒子光束上，使得被检测细胞在经过流动室的过程中从短波长到长波长或长波长到多波长扫描激发光谱。因此，被检测细胞由激发光的全光谱顺序地激发时被连续的测量。
在另一个实施例中，如图3所示，在所述激发光照射所述粒子流束之前通过若干滤光片30获得区别于所述激发光的波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光间断的测量。图中只显示了一个滤光片，还可以设置若干个滤光片。比如:白光激发器通过色散器色散后得到波长范围为400nm-2400nm的光谱，先通过三个滤光片30对该光谱进行过滤，得到三个间断的波长范围：400nm-700nm、1000nm-1500nm、1800nm-2500nm。
S4、所述若干段不同波长的激发光激发被检测粒子，以使得采集系统接收被检测粒子在所述若干段不同波长的激发光激发下获得的前向散射光信号、侧向散射光信号以及荧光信号。通过采集系统接收被检测细胞的各个信号，并通过采集系统将光信号转换为电信号以及数字信号。
具体地，在一个实施例中，利用聚透镜将接收的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号准直为平行光会聚到面阵探测器上，所述面阵探测器上不同的感应单元感应不同的光信号；通过图像处理器采集所述面阵探测器上的光信号。通过聚透镜接收细胞的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号并将其准直为平行光照射到光栅光分离元件上，最后会聚到面阵探测器上。其中，光栅光分离元件用于将前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号的混合光谱进行分离。面阵探测器优选CCD探测器阵列，图像处理器采集CCD探测器阵列上的光信号经过处理后得到被检测样品的激光散射信号强度，进一步得到样品的相关参数。
在另一个可替换的实施例中，利用光电探测器采集被检测粒子发出的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，并通过数据处理器将采集的光信号转换为电信号。光电探测器接收被检测细胞的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，AD模块对光电探测器接收的光信号进行转换为数字信号并将转换后的数字信号发送给数据处理器，经过数据处理器处理后的数字信号发送给主控组件。
本发明还提供一种基于超连续谱光源的流动粒子测量装置，如图5、6所示包括装置本体，所述装置本体包括液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件和主控组件，所述液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件电性连接所述主控组件；其中，
所述液流控制组件用于将被检测粒子在气压的作用下形成单列粒子流束；
所述光学控制组件设置于所述粒子流束的一侧，所述光学控制组件包括超连续谱光源与光分离元件，所述超连续谱光源与光分离元件相邻设置；所述超连续谱光源发出与所述粒子流束垂直的宽光谱激发光束；所述光分离元件将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得单个被检测粒子经过所述若干种波长的激发光；
所述信号采集组件设置于所述粒子流束的另一侧，所述信号采集组件用于采集所述光学控制组件作用于所述粒子流束上产生的光信号。
光电探测器接收被检测细胞的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号后，通过AD模块对光电探测器接收的光信号进行转换为数字信号并将转换后的数字信号发送给数据处理器，数据处理器还连接有数据存储器，数据存储器用于将数据处理器中的数据进行保存于本地，经过数据处理器处理后的数字信号发送给主控组件。另外，主控组件还连接有上位机，通过上位机给主控组件发送指令，以及显示显示主控组件反馈的信息。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置流式细胞仪使得被检测粒子逐个通过其液流系统，若干被检测粒子形成粒子流束；
利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束；其中，所述宽光谱激发光束垂直于所述粒子流束；
利用光分离元件将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，获得若干段不同波长的激发光；
所述若干段不同波长的激发光激发被检测粒子，以使得采集系统接收被检测粒子在所述若干段不同波长的激发光激发下获得的前向散射光信号、侧向散射光信号以及荧光信号。
2.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述利用超连续谱光源发射宽光谱激发光束激发所述粒子流束，包括：
利用光纤耦合器将超短脉冲耦合到光子晶体光纤中，所述超短脉冲经所述光子晶体光纤透射以形成所述超连续谱光源；其中，所述超短脉冲通过超短脉冲光源发出。
3.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述超短脉冲经所述光子晶体光纤透射以形成所述超连续谱光源，包括：
所述光子晶体光纤的横截面上分布若干圈空气孔，从所述光子晶体光纤内向外方向，所述空气孔呈六边形排列；其中，外圈的所述空气孔为圆形，最内圈的所述空气孔为椭圆形。
4.如权利要求3所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述最内圈的所述空气孔填充物为五硫化二砷。
5.如权利要求4所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述椭圆形的所述空气孔的纵轴线距离大于所述圆形的所述空气孔的直径。
6.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述利用光分离元件将所述宽光谱激发光束进行空间扩展，包括：
利用所述光分离元件将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光连续的测量。
7.如权利要求6所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，在所述激发光照射所述粒子流束之前通过若干滤光片获得区别于所述激发光的波长的激发光，以使得被检测粒子被若干种波长的所述激发光间断的测量。
8.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述通过采集系统接收被检测粒子的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，包括：
利用聚透镜将接收的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号准直为平行光会聚到面阵探测器上，所述面阵探测器上不同的感应单元感应不同的光信号；通过图像处理器采集所述面阵探测器上的光信号。
9.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的流动粒子测量方法，其特征在于，所述通过采集系统接收被检测粒子的前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，包括：
利用光电探测器采集被检测粒子发出的所述前向散射光信号、侧向散射光信号以及被激发的荧光信号，并通过数据处理器将采集的光信号转换为电信号。
10.基于超连续谱光源的流动粒子测量装置，其特征在于，包括装置本体，所述装置本体包括液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件和主控组件，所述液流控制组件、光学控制组件、信号采集组件电性连接所述主控组件；其中，
所述液流控制组件用于将被检测粒子在气压的作用下形成单列粒子流束；
所述光学控制组件设置于所述粒子流束的一侧，所述光学控制组件包括超连续谱光源与光分离元件，所述超连续谱光源与光分离元件相邻设置；所述超连续谱光源发出与所述粒子流束垂直的宽光谱激发光束；所述光分离元件将所述宽光谱激发光束扩展为若干种波长的激发光，以使得单个被检测粒子经过所述若干种波长的激发光；
所述信号采集组件设置于所述粒子流束的另一侧，所述信号采集组件用于采集所述光学控制组件作用于所述粒子流束上产生的光信号。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023102675A1 (en) * | 2021-12-06 | 2023-06-15 | Shenzhen Genorivision Technology Co., Ltd. | Flow cytometry systems with image sensors |
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| CN103608664A (zh) * | 2011-06-24 | 2014-02-26 | 贝克顿·迪金森公司 | 吸收光谱扫描流动血细胞计数 |
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| CN110556692A (zh) * | 2019-08-02 | 2019-12-10 | 苏州众为光电有限公司 | 一种光子晶体光纤、相干中红外超连续谱光源 |
-
2020
- 2020-01-14 CN CN202010038773.4A patent/CN111239087A/zh active Pending
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