CN111398139A - 一种针对单细胞均谱的快速检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种针对单细胞均谱的快速检测系统，包括：激发器，用于激发光束；收集器，用于收集激发样品的特征均谱信号；聚焦物镜，用于实现特征均谱信号的激发与收集；光束调节器，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；所述激发器产生的激发光束经过所述光束调节器和聚焦物镜后照射到样品上，实现激发样品特征均谱信号的光斑大小的改变，本发明提供了一个通过调节激发样品特征均谱信号光斑大小的结构，通过科学的操作方法，将待测样品置于聚焦前，实现对单细胞样品的全覆盖激发，大大提高了收集效率。

Description

一种针对单细胞均谱的快速检测系统
技术领域
本发明涉及光谱分析和生物分析领域的光学系统技术领域，尤其涉及一种针对单细胞均谱的快速检测系统，用于单细胞光谱分析或识别，调节激光光束对待测样品进行激发，以增强和高效收集生物样品特征信号的系统装置。
背景技术
现有特征检测设备多为材料学研究而设计，不适用于生物样品(特别是单细胞)的特征信号收集；不同于成分简单且较为均质的材料样品，生物样品(如组织、细胞、微生物等)具有复杂的内部结构与组分；以哺乳动物细胞为例，其细胞膜由磷脂双分子层、膜蛋白等组成，细胞内部包含细胞核、线粒体、内质网、高尔基体、核糖体等多种细胞器(亚细胞结构)，每种细胞器还具有各种各样更细微的结构与成分复杂的组分；而对微生物单细胞而言，其细胞壁由肽聚糖、脂多糖等成分组成，细胞膜由磷脂双分子层组成，细胞内部包含由DNA组成的核区、由蛋白质与RNA组成的核糖体，以及富含水的细胞基质；细胞的这种非均质性，使得其不同位点的特征光谱存在差异，而现有光谱检测设备的光斑尺寸(百纳米级)往往小于单个细胞的尺寸(1-100μm)，单点测量无法表征整个细胞的真实状态；而常规的逐点扫描方式速度较慢，无法实现单细胞的快速检测与识别；
为了克服现有技术的不足，出现了一种应用单细胞的拉曼光谱作为其种类鉴别、成分分析的检测技术；
例如：如图1所示，拉曼光信号的激发收集装置由激光激发端101、分光镜102、全反镜103、一个物镜105及拉曼光信号收集器104组成，由激光激发端101发射激光激发光束，透过分光镜102和反射镜103，经过物镜105将光束聚焦到焦点处的样品上，将焦点处发出的拉曼光信号成像到收集器104。激光激发端光束充满物镜105，经过物镜105后聚焦到焦点处，样品散射出的拉曼信号重新被物镜105收集，到达拉曼光信号输出端102；
该装置聚焦光斑的最小值由于其衍射极限＝1.22*波长/NA，在同一物镜，同一激光波长的条件下，聚焦光斑的最小值为定值；因此，当单细胞的尺寸大于激光聚焦光斑(目前通常为＜1μm)时，只能得到某一点的细胞成分信息(即部分信息)，无法代表整个细胞的种类或状态；而若采用扫描的方式对整个细胞进行信号收集，则耗时很长，且数据分析繁琐，难以满足快速检测的应用需求；
因此，在实际测试中，需要一种能够高效采集到整个细胞信息的拉曼光谱检测装置，针对单细胞快速特征光谱采集的特定需求，本发明提出一种可靠、重复性好的特征均谱检测系统。
发明内容
为了克服上述技术不足，本发明提供一种针对单细胞均谱的快速检测系统，该系统提供了一个通过调节激发样品特征均谱信号光斑大小的结构，通过科学的操作方法，将待测样品置于聚焦前，实现对单细胞样品的全覆盖激发，大大提高了收集效率，结构简单，操作容易，从而实现了快速均谱检测。
一种针对单细胞均谱的快速检测系统，包括：
①激发器，作为输入端，用于激发光束；
②收集器，用于收集激发样品的特征均谱信号；
作为一种举例说明，所述激发样品包括但不限于单细胞；
作为一种举例说明，所述特征均谱信号包括：拉曼光谱、荧光光谱、红外光谱等信号；
作为一种举例说明，所述收集器采用：拉曼光谱仪、单色仪或红外光谱仪中的一种或组合；
③聚焦物镜，用于实现特征均谱信号的激发与收集；
④光束调节器，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；光束调节器可实现激发样品特征信号的光斑大小的改变；
作为一种举例说明，所述光束调节器采用：单个透镜或多个透镜组、液体变焦晶体、扩缩束器件、扩缩束晶体或光束空间调制器中的一种或组合；
⑤分光镜，用于用于透射激发光束，反射特征均谱信号；
⑥反射镜，用于反射激发光束和特征均谱信号信号；
进一步的，所述激发器产生的激发光束经过所述光束调节器和聚焦物镜后照射到样品上，实现激发样品特征均谱信号的光斑大小的改变；
本发明的有益效果：
本发明提供了一个通过调节激发样品特征均谱信号光斑大小的结构，通过科学的操作方法，将待测样品置于聚焦前，实现对单细胞样品的全覆盖激发，大大提高了收集效率，结构简单，操作容易，适合推广；
通过光束调节器的两种实施例结构的优化设计，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；大大适应了多种生物样品的快速均谱监测。
附图说明
图1是本发明一种针对单细胞均谱的快速检测系统之背景技术举例现有技术的结构示意图
图2是本发明一种针对单细胞均谱的快速检测系统之实施例1原理结构示意图
图3是本发明一种针对单细胞均谱的快速检测系统之实施例2原理结构示意图
图4是本发明一种针对单细胞均谱的快速检测系统之微生物单细胞的单点检测与大光斑全覆盖检测图谱对比示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
详见图2至图4所示，一种针对单细胞均谱的快速检测系统，包括：
①激发器，作为输入端，用于激发光源；
②收集器，用于收集激发样品的特征均谱信号；
作为一种举例说明，所述激发样品包括但不限于单细胞；
作为一种举例说明，所述特征均谱信号包括：拉曼光谱、荧光光谱、红外光谱等信号；
作为一种举例说明，所述收集器采用：拉曼光谱仪、单色仪或红外光谱仪中的一种或组合；
③聚焦物镜，用于实现特征均谱信号的激发与收集；
④光束调节器，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；光束调节器可实现激发样品特征信号的光斑大小的改变；
作为一种举例说明，所述光束调节器采用：单个透镜或多个透镜组、液体变焦晶体、扩缩束器件、扩缩束晶体或光束空间调制器中的一种或组合；
⑤分光镜，用于用于透射激发光束，反射特征均谱信号；
⑥反射镜，用于反射激发光和特征均谱信号；
进一步的，所述激发器产生的激发光束经过所述光束调节器和聚焦物镜后照射到样品上，实现激发样品特征均谱信号的光斑大小的改变；
为了更好的说明本发明的设计原理，现通过具体实施例简要介绍工作过程如下：
实施例一：详见图2所示；
一种针对单细胞均谱的快速检测系统，包括：
一个输入端201，用于输入激发光束208，初始光斑直径3.5微米；
一个收集器204，用于收集拉曼光信号；
一个分光镜202，用于透射激发光束208，反射拉曼光信号；
一个反射镜205，用于反射激发光束208和拉曼光信号；
一个焦距为100x的聚焦物镜206，工作距离为3.5毫米，具有一个后焦面207；
一个光束调节器203，起到聚焦或缩小激发光束208的作用；所述光束调节器203位于所述聚焦物镜206的上方；
作为一种举例说明，所述光束调节器203采用：单个透镜或多个透镜组、液体变焦晶体一种或组合；
一种针对单细胞均谱的快速检测方法，包括如下步骤：
步骤一、首先观察待测样品的尺寸，此处采用的待测样品的尺寸约为2微米，开启输入端201，输入激发光束208透射分光镜202；
作为一种举例说明，所述待测样品为：微生物单细胞；
步骤二、透射后的激发光束208经反射镜205后，照射光束调节器203，调节所述光束调节器203，将焦点汇聚到聚焦物镜206的后焦面207上；
步骤三、激发光束208经过聚焦物镜206形成平行光照射到待测样品上，从而实现激发待测样品拉曼光信号的光斑略大于待测样品的尺寸；
作为一种举例说明，所述光斑尺寸可经过对待测样品的图像识别，通过调节光束调节器203，使光斑尺寸适应待测样品的尺寸；
步骤四、待测样品被激发后产生的拉曼光信号经过反射镜205反射后，由分光镜202再次反射至收集器204收集，实现微生物单细胞均谱的快速采集。
实施例二：详见图3所示；
一种针对单细胞均谱的快速检测系统，包括：
一个输入端301，用于输入激发光束309,初始光斑直径D＝3.5微米；
一个收集器304，用于收集拉曼光信号；
一个光束调节器306，用于调节激发光束309的直径；所述光束调节器306位于所述输入端301的右侧；
一个分光镜302，用于透射激发光束，反射拉曼光信号；
一个反射镜303，用于反射光路和拉曼光信号；
一个100x的聚焦物镜305；一种针对单细胞均谱的快速检测方法，包括如下步骤：
步骤一、首先观察待测样品307的尺寸(约为2微米),输入端301产生激发光束309；
步骤二、激发光束309经过光束调节器306、分光镜302后，再经反射镜303后，照射聚焦物镜305；
步骤三、设定光束调节器，使激发光束直径减小，从而实现爱里光斑大小略大于待测样品的尺寸；
步骤二、由于NA＝D/f，D的减小导致入射光的NA随之减小，由于其衍射极限＝1.22*波长/NA，聚焦光斑的最小值会随之增加，但同时物镜的NA并没有改变，散射的拉曼光信号同样会被收集到物镜中，拉曼光信号经过反射镜303反射，再经过分光镜302反射后，由收集器304收集；
本实施例2实现了对单细胞生物样品的全覆盖激发，提高了拉曼光信号的强度，又实现了拉曼光信号的激发和收集。
作为一种举例说明，所述光束调节器包括但不仅限于：扩缩束晶体、扩缩束元件、空间光调制器等。
在具体实施方案二中，经过对生物样品尺寸的自动识别，调节光束尺寸大小，以此达到可调节检测区域以适应微生物单细胞的大小从而实现快速检测。
本发明提供了一个通过调节激发样品特征均谱信号光斑大小的结构，通过科学的操作方法，将待测样品置于聚焦前，实现对单细胞样品的全覆盖激发，大大提高了收集效率，结构简单，操作容易，适合推广；通过光束调节器的两种实施例结构的优化设计，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；大大适应了多种生物样品的快速均谱监测。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对单细胞均谱的快速检测系统，其特征在于，包括：
激发器，作为输入端，用于激发光束；
收集器，用于收集激发样品的特征均谱信号；
聚焦物镜，用于实现特征均谱信号的激发与收集；
光束调节器，用于将激发光束聚焦到所述聚焦物镜后焦面上，或使激发光束尺寸改变；光束调节器可实现激发样品特征信号的光斑大小的改变；
分光镜，用于用于透射激发光束，反射特征均谱信号；
反射镜，用于反射激发光束和特征均谱信号信号；
所述激发器产生的激发光束经过所述光束调节器和聚焦物镜后照射到样品上，实现激发样品特征均谱信号的光斑大小的改变。
2.根据权利要求1所述的一种针对单细胞均谱的快速检测系统，其特征在于，所述激发样品包括但不限于单细胞。
3.根据权利要求1所述的一种针对单细胞均谱的快速检测系统，其特征在于，所述特征均谱信号包括：拉曼光谱信号、荧光光谱信号以及红外光谱信号。
4.根据权利要求1所述的一种针对单细胞均谱的快速检测系统，其特征在于，所述收集器采用：拉曼光谱仪、单色仪或红外光谱仪中的一种或组合。
5.根据权利要求4所述的一种针对单细胞均谱的快速检测系统，其特征在于，所述光束调节器采用：单个透镜或多个透镜组、液体变焦晶体、扩缩束器件、扩缩束晶体或光束空间调制器中的一种或组合。
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