CN111781144A - 一种微型双通道荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型双通道荧光检测装置，包括双通道光路结构、盒体，盒体设置有盒体盖板、盒体底板，盒体盖板为腔体结构，活动罩设在盒体底板的上端，一个侧面设置有一开孔；双通道光路结构固定安装在盒体腔体结构的底部，设置有光路支架、光路支架盖板、光学组件、聚焦镜头，其中光路支架一端部通过螺纹连接聚焦镜头，另一端完全安装在盒体内，光路支架盖板通过多组安装孔安装在光路支架顶部，光学组件固定安装在光路支架内。该装置采用共聚焦光路的原理，将双通道激发检测光路集成到一小体积盒体中，单独使用或作为功能模块集成到相关仪器中；采用双通道设计，预设多种工作模式，可实现两种波长激发检测分时复用或单路激发双路检测。

Description

一种微型双通道荧光检测装置

技术领域

本发明属于荧光检测技术，属于光学检测技术领域，特别涉及一种微型双通道荧光检测装置。

背景技术

荧光作为一种重要的光学信号，在生物、化学、医疗等领域都有着广泛的应用，目前市场上常见的荧光检测装置大多采用分布式或开放式的结构，激发光源与检测器不能很好的集成到一个封闭的盒体中，使得装置体积较大、结构复杂，无论是单独使用还是作为功能模块集成到相关仪器中都比较困难。此外，分布式的结构也使得装置的稳定性降低，影响检测结果的准确性。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种微型双通道荧光检测装置，该装置采用共聚焦光路的原理，将双通道激发检测光路集成到了一个体积小于等于60×40×20mm的盒体中，设置光路部分仅一个聚焦镜头与外部联通，控制电路部分只有电源和通讯接口与外部联通，通过定制的通讯协议和预留的通讯接口，可以控制该装置单独使用或作为功能模块集成到相关的仪器中，装置采用双通道设计，预设多种工作模式，可以实现两种波长激发检测分时复用或单路激发双路检测，适应多种应用场景。

具体的提供了一种微型双通道荧光检测装置，包括双通道光路结构、盒体，所述盒体设置有盒体盖板、盒体底板，盒体盖板为腔体结构，活动罩设在盒体底板的上端，一个侧面设置有一开孔；所述双通道光路结构固定安装在盒体腔体结构的底部，设置有光路支架、光路支架盖板、光学组件、聚焦镜头，其中所述光路支架一端部通过螺纹连接聚焦镜头，另一端完全安装在盒体内，所述光路支架盖板通过多组安装孔安装在光路支架顶部，所述光学组件固定安装在光路支架内。

作为改进，还包括电路板，设置在双通道光路结构底部，通过紧固件可拆卸地将双通道光路结构与电路板固定安装在盒体腔体结构的底部。

作为改进，所述电路板包括电源管理单元、光源驱动单元、信号放大滤波单元、模数转换单元、通讯接口单元和微控制器核心单元；其中所述电源管理单元用于提供电源电力，输入端通过电源接口与外部供电装置连通，输出端电性连接电路板内部用电单元；所述光源驱动单元共有两路，用于驱动激发光源，与激发光源底板电性连接；所述信号放大滤波单元位于检测器底板上，与模数转换单元电性连接，用于将荧光信号转换成微控制器可处理的数字电信号；所述通讯接口单元采用RS232、RS485、I2C或SPI通信协议；所述微控制器采用主流的单片机。

作为改进，光学组件包括第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、第四二向色镜，设定沿聚焦镜头的中心方向为光学组件的主光路轴线，其中距离聚焦镜头一定距离处在光路支架内部由近及远依次设置有第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、第四二向色镜；所述第一二向色镜、第二二向色镜平行设置，且均单独地与主光路轴线成45°夹角固定安装；所述第三二向色镜、第四二向色镜平行设置，均单独地与主光路轴线成135°夹角固定安装。

作为改进，在光路支架内部主光路轴线的两侧分别独立地设置有一组通道，每组通道内光学组件包括激发光源、激发透镜、检测滤光片、检测器、检测透镜、激发滤光片；其中第一二向色镜或第三二向色镜的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为激发滤光片、激发透镜、激发光源；第二二向色镜或第四二向色镜的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为检测滤光片、检测透镜、检测器。

作为改进，所述激发光源固定安装在激光透镜的焦距上，检测器固定安装在检测透镜的焦距上，检测透镜和激光透镜均固定安装在透镜套内部，均单独地设置为双凸透镜或平凸透镜。

作为改进，所述聚焦镜头设置为双凸透镜或平凸透镜。

作为改进，激发光源设置为发光二极管、激光器、卤钨灯中任一种，检测器选为光电二极管或光电倍增管。

同时，还提供了上述微型双通道荧光检测装置在两种波长激发检测分时复用或单路激发双路检测中的应用。

有益效果：本发明提供的微型双通道荧光检测装置，与现有检测装置相比，具有如下优势：

(1)本发明采用了一体化设计，在一个封闭的光路结构中集成了双通道荧光检测所有光学组件，同时将光路结构和控制电路封装在一个封闭的金属盒体内，大大提高了装置的稳定性，有效屏蔽外部杂散光和电磁噪声干扰；

(2)整个装置外壳体积不足60×40×20mm，小巧便携，控制电路预留电源和通讯接口，既可以单独使用也可以作为功能模块集成到相关仪器中；

(3)双通道设计，预设多种工作模式，可以实现两种波长激发检测分时复用，也可以单路激发双路检测，适应多种应用场景；

(4)通过在聚焦镜头后方增加一块反射镜，可以很方便的改变聚焦镜头的方向至朝上或朝下，方便某些需要顶部激发检测或底部激发检测的应用。

附图说明

图1为本发明装置的外侧面整体结构图。

图2是本发明装置的盒体内部结构图。

图3是本发明装置的双通道光路结构及光学组件位置图。

图4是本发明装置的双通道光路原理示意图。

附图中：1、双通道光路结构；101、光路支架；102、聚焦镜头；103、第一二向色镜；104、第二二向色镜；105、第三二向色镜；106、第四二向色镜；第一激发滤光片107、第二激发滤光片108，第一检测滤光片109、第二检测滤光片110、；111、第一激发透镜；112、第二激发透镜；113、第一检测透镜；114、第二检测透镜；115、激发光源底板；116、检测器底板；117、第一检测器；118、第二检测器；119、安装孔；120、光路支架盖板；2、电路板；3、盒体；301、盒体盖板；302、盒体底板。

具体实施方式

一种微型双通道荧光检测装置，包括双通道光路结构1、盒体3，所述盒体3设置有盒体盖板301、盒体底板302，盒体盖板301为腔体结构，活动罩设在盒体底板(302)的上端，一个侧面设置有一开孔；所述双通道光路结构1固定安装在盒体3腔体结构的底部，设置有光路支架101、光路支架盖板120、光学组件、聚焦镜头102，其中所述光路支架101一端部通过螺纹连接聚焦镜头102，另一端完全安装在盒体3内，所述光路支架盖板120通过多组安装孔119安装在光路支架101顶部，所述光学组件固定安装在光路支架101内。

还包括电路板2，设置在双通道光路结构1底部，通过紧固件可拆卸地将双通道光路结构1与电路板2固定安装在盒体3腔体结构的底部。

所述电路板2包括电源管理单元、光源驱动单元、信号放大滤波单元、模数转换单元、通讯接口单元和微控制器核心单元；其中所述电源管理单元用于提供电源电力，输入端通过电源接口与外部供电装置连通，输出端电性连接电路板2内部用电单元；所述光源驱动单元共有两路，用于驱动激发光源，与激发光源底板115电性连接；所述信号放大滤波单元位于检测器底板116上，与模数转换单元电性连接，用于将荧光信号转换成微控制器可处理的数字电信号；所述通讯接口单元可采用RS232、RS485、I2C或SPI通信协议；所述微控制器可采用各类主流的单片机，包括但不限于C8051F系列、STM32系列、MSP430系列等。

光学组件包括第一二向色镜103、第二二向色镜104、第三二向色镜105、第四二向色镜106，设定沿聚焦镜头102的中心方向为光学组件的主光路轴线，其中距离聚焦镜头102一定距离处在光路支架101内部由近及远依次设置有第一二向色镜103、第二二向色镜104、第三二向色镜105、第四二向色镜106；所述第一二向色镜103、第二二向色镜104平行设置，且均单独地与主光路轴线成45°夹角固定安装；所述第三二向色镜105、第四二向色镜106平行设置，均单独地与主光路轴线成135°夹角固定安装。

在光路支架101内部主光路轴线的两侧分别独立地设置有一组通道，每组通道内光学组件包括激发光源、激发透镜、检测滤光片、检测器、检测透镜、激发滤光片；其中第一二向色镜103或第三二向色镜105的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为激发滤光片、激发透镜、激发光源；第二二向色镜104或第四二向色镜106的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为检测滤光片、检测透镜、检测器。

所述激发光源固定安装在激光透镜的焦距上，检测器固定安装在检测透镜的焦距上，检测透镜和激光透镜均固定安装在透镜套内部，均单独地设置为双凸透镜或平凸透镜。

所述聚焦镜头102设置为双凸透镜或平凸透镜。激发光源设置为发光二极管、激光器、卤钨灯中任一种，不限于上述类型，也可为其他常见的光源。

下面对本发明附图结合实施例作出进一步说明。

图1所示为本发明装置整体结构图，所述盒体3包括盒体盖板301和盒体底板302两部分，为金属材质，可有效屏蔽外界噪声干扰。

图2所示为本发明装置的盒体内部结构图，所述光路支架101上方和下方设置有多个安装孔119，用于安装光路支架盖板120和电路板2。所述电路板2位于双通道光路结构1下方，包含电源管理单元、光源驱动单元、信号放大滤波单元、模数转换单元、通讯接口单元和微控制器核心单元；电路板2留有电源和通讯接口，为装置供电和与外部计算机或单片机进行数据交互。

所述电路板2包括电源管理单元、光源驱动单元、信号放大滤波单元、模数转换单元、通讯接口单元和微控制器核心单元；其中所述电源管理单元用于提供电源电力，输入端通过电源接口与外部供电装置连通，输出端电性连接电路板2内部用电单元；所述光源驱动单元共有两路，用于驱动激发光源，与激发光源底板115电性连接；所述信号放大滤波单元位于检测器底板116上，与模数转换单元电性连接，用于将荧光信号转换成微控制器可处理的数字电信号；所述通讯接口单元可采用RS232、RS485、I2C或SPI通信协议；所述微控制器可采用各类主流的单片机。

图3所述是本发明装置的双通道光路结构及光学组件位置图，所述双通道光学结构1固定安装在盒体3腔体结构的底部，设置有光路支架101光路支架盖板120、光学组件、聚焦镜头102，其中光路支架101一端部通过螺纹连接聚焦镜头102，能够沿螺纹旋转固定安装在光路支架101上，另一端完全安装在盒体3内。光路支架盖板120通过多组安装孔119安装在光路支架101顶部，光学组件固定安装在光路支架101内。

光学组件包括第一二向色镜103、第二二向色镜104、第三二向色镜105、第四二向色镜106，设定沿聚焦镜头102的中心方向为光学组件的主光路轴线，其中距离聚焦镜头102一定距离处在光路支架101内部由近及远依次设置有第一二向色镜103、第二二向色镜104、第三二向色镜105、第四二向色镜106；所述第一二向色镜103、第二二向色镜104平行设置，且均单独地与主光路轴线成45°夹角固定安装；所述第三二向色镜105、第四二向色镜106平行设置，均单独地与主光路轴线成135°夹角固定安装。

在光路支架101内部主光路轴线的两侧分别独立地设置有一组通道，每组通道内光学组件包括激发光源、激发透镜、检测滤光片、检测器、检测透镜、激发滤光片；其中第一二向色镜103或第三二向色镜105的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为激发滤光片、激发透镜、激发光源；第二二向色镜104或第四二向色镜106的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为检测滤光片、检测透镜、检测器。

激发光源固定安装在激光透镜的焦距上，检测器固定安装在检测透镜的焦距上，检测透镜和激光透镜均固定安装在透镜套内部，均单独地可以将镜片选为具有汇聚发散光的功能设置为双凸透镜或平凸透镜，其中中心与光路中心重合。

聚焦镜头102设置为双凸透镜或平凸透镜，激发光源设置为发光二极管、激光器、卤钨灯中任一种，不限于上述类型，也可为其他常见的光源。检测器选为光电二极管、光电倍增管等具有光电转换功能的器件，但不局限与此。

作为本发明的具体实施方式，可以设置为光学组件包括：第一激发滤光片107、第二激发滤光片108，第一检测滤光片109、第二检测滤光片110、第一激发透镜111、第二激发透镜112，第一检测透镜113，第二检测透镜114，第一激发光源115、第二激发光源116，第一检测器117，第二检测器118；所述第一二向色镜103、第二二向色镜104、第三二向色镜105、第四二向色镜106排列在主光路轴上，第一二向色镜103与第二二向色镜104平行且与光路呈45度夹角放置，第三二向色镜105与第四二向色镜106平行且与光路呈135度夹角放置。

第一激发透镜111、第二激发透镜112、第一检测透镜113和第二检测透镜114均为具有汇聚发散光的功能的双凸透镜或平凸透镜，且被安装在定制的透镜套中，其中心与光路中心重合。

第一激发光源115和第二激发光源116焊接在定制的电路底板上，底板边缘设有焊盘，与电路板201表面焊盘相对应连接。第一检测器117和第二检测器118焊接在定制的电路底板上，底板边缘设有焊盘，与电路板表面焊盘相对应连接。第一激发光源115位于第一激发透镜111焦距上；第二激发光源116位于第二激发透镜112焦距上；第一检测器117位于第一检测透镜113焦距上；第二检测器118位于第二检测透镜114焦距上。

图4所示为本发明装置的双通道光路原理示意图，所述第一二向色镜、第二二向色镜、第三二向色镜、第四二向色镜排列在主光路轴上，第一二向色镜与第二二向色镜平行且与光路呈45度夹角放置，第三二向色镜与第四二向色镜平行且与光路呈135度夹角放置。所述第一激发光源位于第一激发光透镜焦距上；第二激发光源位于第二激发光透镜焦距上；第一检测器位于第一检测透镜焦距上；第二检测器位于第二检测透镜焦距上。

本发明中还提供了上述微型双通道荧光检测装置在两种波长激发检测分时复用或单路激发双路检测中的应用，以下通过具体实施例进行说明。

实施例1：荧光素钠浓度检测实验

本实施例将本发明装置作为独立装置单独使用，将本发明装置的通讯接口与计算机相连，接通电源，即可在定制的计算机桌面端软件的控制下进行荧光素钠浓度检测实验，具体操作步骤如下：

1、按一定的浓度梯度配置荧光素钠溶液，分装在高透离心管中待用。

2、将上述装有已知浓度梯度荧光素钠溶液的高透离心管依次放置于聚焦镜头前方透镜焦点处，开启第一激发光源，同时开启第一检测器进行第一通道荧光检测；装置自带的微控制器对检测到的荧光数据进行分析处理，随后发送至计算机桌面端软件；用户记录荧光素钠浓度及其对应的荧光信号强度，并绘制浓度-荧光信号强度标准曲线。

3、将装有未知浓度荧光素钠溶液的高透离心管放置于聚焦镜头前方透镜焦点处，开启第一激发光源，同时开启第一检测器进行第一通道荧光检测；装置自带的微控制器对检测到的荧光数据进行分析处理，随后发送至计算机桌面端软件，用户记录其荧光信号强度；对照浓度-荧光强度标准曲线，即可获得该待测荧光素钠溶液的浓度。

实施例2：艰难梭菌多重实时荧光PCR实验

本实施例将本发明装置作为功能模块，集成于自制的温度控制平台，构建实时荧光PCR平台，将本发明装置的电源与通讯接口与实时荧光PCR平台主控电路板相连，即可在主控电路板的控制下按照实验步骤，进行荧光检测操作。具体操作步骤如下：

1、配置实时荧光PCR试剂体系：Master Mix 12.5μL，艰难梭菌上下游引物各1μL，荧光探针0.5μL，DNA模板2μL，去离子水将体系补充至20μL。按照上述体系配置3管PCR试剂，其中1号管为阴性对照，将DNA模板换成等量去离子水；2号管为阳性对照，DNA模板为已知浓度DNA模板；3号管为待测样本管，DNA模板为上游核酸提取获得的DNA样本。

2、将上述3个PCR放入平台线性排列的金属热阱中，金属热阱朝向本发明装置一侧的侧面开孔，开孔处在本发明装置的聚焦镜头的焦点处，且处于同一高度。

3、开始实时荧光PCR实验，在每一个PCR热循环的延伸阶段结束前，步进电机带动本发明装置对3个PCR管进行一个来回的扫描，在一个来回中，前半段开启第一激发光源，同时开启第一检测器进行第一通道的荧光检测，后半段关闭第一通道，开启第二激发光源，同时开启第二检测器进行第二通道的荧光检测。扫描结束后，装置自带的微控制器对本次循环检测到的荧光数据进行分析处理，随后发送至平台主控电路板，主控电路板将其发送至计算机控制软件，进行实时荧光曲线绘制。

4、重复步骤3，直至整个实时荧光PCR过程完成，即可根据绘制的实时荧光PCR曲线获取待测样本的相关信息。

从实施例可以看出，本发明装置中，通过双通道设计，预设多种工作模式，可以实现两种波长激发检测分时复用，也可以单路激发双路检测，适应多种应用场景；另外，通过在聚焦镜头后方增加一块反射镜，可以很方便的改变聚焦镜头的方向至朝上或朝下，方便某些需要顶部激发检测或底部激发检测的应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种微型双通道荧光检测装置，其特征在于：包括双通道光路结构(1)、盒体(3)，所述盒体(3)设置有盒体盖板(301)、盒体底板(302)，盒体盖板(301)为腔体结构，活动罩设在盒体底板(302)的上端，一个侧面设置有一开孔；所述双通道光路结构(1)固定安装在盒体(3)腔体结构的底部，设置有光路支架(101)、光路支架盖板(120)、光学组件、聚焦镜头(102)，其中所述光路支架(101)一端部通过螺纹连接聚焦镜头(102)，另一端完全安装在盒体(3)内，所述光路支架盖板(120)通过多组安装孔(119)安装在光路支架(101)顶部，所述光学组件固定安装在光路支架(101)内。

2.根据权利要求1所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：还包括电路板(2)，设置在双通道光路结构(1)底部，通过紧固件可拆卸地将双通道光路结构(1)与电路板(2)固定安装在盒体(3)腔体结构的底部。

3.根据权利要求2所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：所述电路板(2)包括电源管理单元、光源驱动单元、信号放大滤波单元、模数转换单元、通讯接口单元和微控制器核心单元；其中所述电源管理单元用于提供电源电力，输入端通过电源接口与外部供电装置连通，输出端电性连接电路板(2)内部用电单元；所述光源驱动单元共有两路，用于驱动激发光源，与激发光源底板(115)电性连接；所述信号放大滤波单元位于检测器底板(116)上，与模数转换单元电性连接，用于将荧光信号转换成微控制器可处理的数字电信号；所述通讯接口单元采用RS232、RS485、I2C或SPI通信协议；所述微控制器采用单片机。

4.根据权利要求1所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：光学组件包括第一二向色镜(103)、第二二向色镜(104)、第三二向色镜(105)、第四二向色镜(106)，设定沿聚焦镜头(102)的中心方向为光学组件的主光路轴线，其中距离聚焦镜头(102)一定距离处在光路支架(101)内部由近及远依次设置有第一二向色镜(103)、第二二向色镜(104)、第三二向色镜(105)、第四二向色镜(106)；所述第一二向色镜(103)、第二二向色镜(104)平行设置，且均单独地与主光路轴线成45°夹角固定安装；所述第三二向色镜(105)、第四二向色镜(106)平行设置，均单独地与主光路轴线成135°夹角固定安装。

5.根据权利要求4所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：在光路支架(101)内部主光路轴线的两侧分别独立地设置有一组通道，每组通道内光学组件包括激发光源、激发透镜、检测滤光片、检测器、检测透镜、激发滤光片；其中第一二向色镜(103)或第三二向色镜(105)的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为激发滤光片、激发透镜、激发光源；第二二向色镜(104)或第四二向色镜(106)的一侧沿主光路轴线由近及远依次设置为检测滤光片、检测透镜、检测器。

6.根据权利要求5所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：所述激发光源固定安装在激光透镜的焦距上，检测器固定安装在检测透镜的焦距上，检测透镜和激光透镜均固定安装在透镜套内部，均单独地设置为双凸透镜或平凸透镜。

7.根据权利要求1所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：所述聚焦镜头(102)设置为双凸透镜或平凸透镜。

8.根据权利要求5所述的微型双通道荧光检测装置，其特征在于：激发光源设置为发光二极管、激光器、卤钨灯中任一种，检测器选为光电二极管或光电倍增管。

9.权利要求1-8任一所述的微型双通道荧光检测装置在两种波长激发检测分时复用或单路激发双路检测中的应用。

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