CN113008851A - 一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，利用共聚焦光学结构聚焦激发光，滤除聚焦点外的杂散光，高效收集聚焦点内的荧光，利用微流控芯片底部的反射原理，采用斜入式聚焦照射，使激发光反射到物镜聚焦区以外的区域，在共聚焦光学结构的基础上进一步提升其信噪比，在此基础上设计了可以保证检测物单个通过检测区的微流控芯片通道，信号处理时加入了基于谱减法的去噪放大算法，加上可调节光源，以及螺旋微调套件的合理设计和应用，使装置变得小型化、易于操作、成本低廉、信号信噪比强。解决现有荧光检测设备仪器需要繁杂滤光去噪的不足，以及体积大、成本高昂、检测效率低、操作复杂的问题。

Description

一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的 装置

技术领域

本发明涉及海洋微藻和荧光微塑料的检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置。

背景技术

随着世界经济的发展，船舶海洋的发展已成为衡量一个国家经济实力的重要标准，船舶的发展增强了一个国家的贸易吞吐量能力，然而，人们享受着船舶带来的利益的同时也在面临着诸多挑战。其中船舶压载水是影响海洋生态系统平衡和人们日常生活的重要方面，而压载水中微藻的检测成为困扰时间航海事业的一大难题，目前，微藻检测技术与微流控芯片上结合的检测方式，以其较高的效率和更为精确的检测精度成为微藻检测识别的重要方式。

微藻入侵也是船舶压载水密切相关的，船舶来往于各国之间，船舶会根据自身的运行需要注入和排出海水，从而达到调整船舶吃水和船体平衡的作用。保证船舶能够平稳运行，减少颠簸，改善船舱的舒适性。但是海水是不同海域的，船舶从一个海域抵达另一个海域，就会携带上一个海域的微藻及其他生物，造成微藻入侵，这些藻类有些在新的海域会不受限制的繁殖，产生水华赤潮等现象，消耗水中的营养物质，使营养级发生改变进而改变当地的群落和营养循环，严重影响当地的生态环境，对海洋造成不可估量的损害。并且这或多或少的会影响到生态系统的结构，甚至会使生态系统发生不可逆转的变化。

藻类叶绿素荧光可以有效的反映藻类在不同的生长条件下的生理状态，并且该种方法在检测的同时并不会对藻类结构造成破坏，对于检测微藻活性和监测微藻生长及代谢具有重要意义。当前荧光检测的方法有很多，其发展一直侧重于检测精度的提高上，例如流式、荧光显微镜、共聚焦、全内反射、高内涵药筛系统和双光子等方法。流式的方法是一种比较常见的大通量荧光检测方式，该方式结合了流体力学、电子工程、计算机科学和单克隆染色等多门学科，可以应用于生物、医学等等诸多领域。其灵敏度如果用异硫氰基荧光素标记的荧光微球的最少分子数来表示的话，市面上比较常见的可以达到1000左右。但是设备却很巨大难以携带。荧光显微镜虽然没有流式的大通量检测优势，却可以实现更高的检测精度可以对物质进行定量和定性的分析，还可以有效的观察检测物的位置变化和形状差异，但是检测物必须经过严格的染色，才能达到设备的要求，由于人们对精度不断提出要求其结构也在不断变化，上面提到的共聚焦荧光显微镜和双光子荧光显微镜都是其衍生物，其精度更高，可实现高分辨率的后端三维重建，随之而来的是更加复杂的结构，更加困难的维护方式。

总的来说，海洋微藻已成为影响区域环境的重要因素，需要一种大通量和高精度相结合的设备来弥补这方面的检测欠缺，但是噪声往往是影响这类检测精度的重要原因，流式的方法虽然可以实现大通量检测，但是精度还是不够，并且设备庞大，不易带到户外进行检测作业，而荧光显微镜则一直朝着精度不断提高的方向发展，其仪器设备越来越精密，更易受到颠簸的影响，维护困难其价格极为昂贵。虽然目前也有将二者结合的技术，但是其信号的信噪比差所导致的精度不足，一直成为该领域的困扰，对于大通量、低成本、小型化且高精度的设备的需求依旧很高。

发明内容

根据上述提出的在海洋微藻检测方面，现有设备存在体积庞大、制作成本高、技术复杂且操作困难、检测效率低等诸多问题，其中，信噪比引起的精度问题，一直成为解决上述问题的困扰，如何实现小成本、小体积且高精度是急需突破的难题，所以，为了解决上述问题，本发明提供一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置。本发明主要结合共聚焦光学结构和斜入式聚焦激发的方式尽可能多的去滤除杂散光的干扰，实现信噪比的提高进而实现精度的提升。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，包括：

用于发射不同波长激发光的光源组件；

用于将光源组件发射的激发光准直形成平行光的准直套件；

用于分离激发光和荧光以及汇聚激发光的分光和聚焦光学组件；

用于激发单个微藻产生荧光信号的微流控芯片；

用于调整微流控芯片的角度，使其精准对焦到分光和聚焦光学组件所形成的聚焦点上的微流控芯片角度调整架；

用于搭载探测器的探测器连接套件；

用于采集经过分光和聚焦光学组件、微流控芯片通道中的单个微藻的荧光信号，并将荧光信号转换成电信号，再进行A/D转换和滤波放大成为一个信号波形，显示在PC端，并完成数据拷贝和储存，且分析荧光特性的荧光信号采集处理组件。

进一步地，所述光源组件包括TO封装的LD光源、散热片、LD灯座、可调节电流电源以及固定结构，且所述光源组件与准直套件进行耦合，LD灯座用于切换LD光源的波长，电源用于根据不同波长的LD光源提供相应的电流电压，根据LD光源的P-I曲线输出相应的光功率。

进一步地，所述准直套件包括镜头盖、准直透镜卡槽、通光通道、调焦螺纹、光源卡槽、散热后盖，准直透镜卡槽用于搭载准直透镜，并由镜头盖进行固定；通光通道搭配调焦螺纹用于精细调焦；光源卡槽用于搭载TO56的激光二极管，散热后盖采用导热金属材料制成。

进一步地，所述分光和聚焦光学组件包括二相色镜、物镜、聚焦透镜、遮光罩和固定光学器件的结构，所述准直套件发出的激发光经过二相色镜反射到物镜中，再经过物镜汇聚到微流控芯片的通道检测区，激发出的样品荧光，样品荧光被物镜收集返回到二相色镜端，在二相色镜处被透射，完成激发光和荧光的分离；透射光再经过聚焦透镜打入小孔，经过滤光片进入探测器中。

进一步地，所述微流控芯片包括进液区、进液及离心通道、检测区、出液通道、出液区，进液及离心通道以及出液通道的尺寸为80微米以上，检测区的尺寸为40微米以下。

进一步地，所述微流控芯片角度调整架包括芯片支架、刻度盘、旋钮、连接架和xyz调整台，通过旋钮调节芯片支架上芯片的角度，并根据刻度盘确定芯片倾斜角度，使反射的激发光最大限度的反射到聚焦区外，连接架连接芯片支架和xyz调整台，调节xyz调整台实现芯片的空间平移，完成对焦。

进一步地，所述探测器连接套件包括透镜卡槽、精细调焦螺旋、滤光片卡槽、小孔、探测器卡槽，探测器卡槽和透镜卡槽用螺旋结构连接，实现精细螺旋调焦，控制透镜到探测器的距离。

本发明还提供了一种藻类的种类区分方法，所述方法基于上述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置实现，包括如下步骤：

步骤1：将藻类样品通过微泵注入微流控芯片；

步骤2：使光源发出405nm的光，采集其荧光光谱曲线；

步骤3：使光源再发出425、450、470、480、505、520nm的光，依次采集光谱，并将以上光谱集成到一张图上，形成未知藻的特征光谱；

步骤4：将得到的特征光谱与特征光谱库进行对比，当相似度到达80％以上，则完成藻类的区分。

本发明还提供了一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、打开光源，并切换适当的波长和光功率；

S2、调焦准直套件使光路准直，保证光源反射并进入到物镜，完成聚焦，满足系统要求；

S3、调节微流控芯片角度调整架，使微流控芯片倾斜合适角度保证最优的斜入式照射，并使聚焦光斑打在检测区上；

S4、将藻类或者荧光微塑料球通过微泵加入到微流控芯片中；

S5、调整探测器连接套件使透过二色镜的荧光聚焦并透过小孔和滤光片进入探测器中；

S6、采集荧光信号；

S7、将采集到的信号发送到荧光信号采集处理组件进行处理显示。

进一步地，在进行藻类活性检测时，采用基于谱减法的去噪放大算法，具体为：

对信号y(t)进行分段运算，分段信号y₁(t)分两路并发处理，一路Y(w)在频域上取平方得到Y²(w)，减去噪声的频域平方值N²(w)，得到去噪的信号值S²(w)，开平方后得到S(w)再回到时域，得到s(t)；另一路则提取分段信号的峰值信号即假定的荧光信号，并对提取的信号取平均值A，随后取均值的三分之一即A/3，进而和分段函数组合得到自增强函数：

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，在成本相近的条件下，通过斜入式聚焦照射和其他结构设计大幅提升荧光检测的信噪比，进而提升装置的整体的精度。

2、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，在进行藻类活性检测时，采用基于谱减法的去噪放大算法，可以在信号处理端完成信号信噪比的提升。

3、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，结合了激光诱导荧光、共聚焦结构、微流控芯片的优点，实现了较高的通量和精度的检测。

4、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，结构小巧且稳定性强，方便携带，不会受到轻微颠簸的影响，可脱离实验室进行户外检测。

5、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，可以耦合光谱仪和光电二极管，两种探测器实现藻类活性检测和种类区分。

6、本发明提供的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，所用零件均为市面上的常见材料，易于购买和搭建。

基于上述理由本发明可在海洋微藻和荧光微塑料的检测等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置整体示意图及斜入式聚焦照射的示意图。

图2为本发明准直套件剖视图。

图3为本发明微流控芯片通道结构图。

图4为本发明装置操作流程图。

图5为藻类活性检测时用到的基于谱减法的去噪放大算法流程图。

图中：1、光源组件；2、准直套件；3、分光和聚焦光学组件；4、微流控芯片；5、微流控芯片角度调整架；6、探测器连接套件；7、荧光信号采集处理组件；8、进液区；9、进液及离心通道；10、检测区；11、出液通道；12、出液区；13、镜头盖；14、准直透镜卡槽；15、通光通道；16、调焦螺纹；17、光源卡槽；18、散热后盖；19、聚焦区；20、聚焦区外。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，包括光源组件1、准直套件2、分光和聚焦光学组件3、微流控芯片4、微流控芯片角度调整架5、探测器连接套件6、荧光信号采集处理组件7；其中，光源组件1用于发射不同波长激发光；准直套件2用于将光源组件1发射的激发光准直形成平行光；分光和聚焦光学组件3用于分离激发光和荧光以及汇聚激发光；微流控芯片4用于激发单个微藻产生荧光信号；微流控芯片角度调整架5用于调整微流控芯片的角度，使其精准对焦到分光和聚焦光学组件3所形成的聚焦点上；探测器连接套件6用于搭载探测器；荧光信号采集处理组件7用于采集经过分光和聚焦光学组件3、微流控芯片通道中的单个微藻的荧光信号，并将荧光信号转换成电信号，再进行A/D转换和滤波放大成为一个信号波形，显示在PC端，并完成数据拷贝和储存，且分析荧光特性；具体实施时，所述光源组件1可以发射波长425、450、470、480、505、520nm的光，当切换到不同波长时，光源处又可以利用单片机控制电源的电压电流，使其输出光功率稳定的激发光；激发光经过准直套件2准直形成平行光，进入分光和聚焦光学组件3，在物镜处完成激发光的汇聚，将光斑照射在微流控通道的检测区10，检测区10藻类会受到激发光的激发产生荧光信号，经过物镜收集返回到分光和聚焦光学组件3，由于激发得到荧光在680nm左右，所以荧光会在二相色镜(对520nm以下的波长高度反射，对600nm以上的波长高度透射)处透射，返回的大部分小于600nm的光会被进一步滤除，反射到光源方向，使其不会照射到探测器方向，当荧光透射过二相色镜，会经过一个透镜进行汇聚，增强其信号值，随后的小孔和滤光片是为了防止后续过程中的杂散光进入探测器，进一步减小噪声。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述光源组件1包括TO封装的LD光源、散热片、LD灯座、可调节电流电源以及固定结构，且所述光源组件1与准直套件2进行耦合，LD灯座用于切换LD光源的波长，电源用于根据不同波长的LD光源提供相应的电流电压，根据LD光源的P-I曲线输出相应的光功率。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述准直套件2采用螺旋调焦套筒，用于精细调节准直透镜与光源之间的距离，保证不同LD光源和准直套件2中的准直透镜在套件中都有一个合适的距离，能够保证分光和聚焦光学组件3对平行光的要求。如图2所示，所述准直套件2包括镜头盖13、准直透镜卡槽14、通光通道15、调焦螺纹16、光源卡槽17、散热后盖18，准直透镜卡槽14用于搭载准直透镜，并由镜头盖13进行固定；通光通道15搭配调焦螺纹16用于精细调焦；光源卡槽17用于搭载TO56的激光二极管，散热后盖18采用导热金属材料制成。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述分光和聚焦光学组件3包括二相色镜、物镜、聚焦透镜、遮光罩和固定光学器件的结构，所述准直套件2发出的激发光经过二相色镜反射到物镜中，再经过物镜汇聚到微流控芯片的通道检测区，激发出的样品荧光，样品荧光被物镜收集返回到二相色镜端，在二相色镜处被透射，完成激发光和荧光的分离；透射光再经过聚焦透镜打入小孔，经过滤光片进入探测器中。在分光和聚焦光学组件3中，借鉴了共聚焦结构的原理，分光镜可以将激发光和荧光分离使得激发光不会进入探测器，进而去除激发光所引起的杂散光，在物镜处，由于激发光被汇聚提高了激发效率，进而增大了信号值，另一方面收集荧光时，物镜只会收集聚焦点上的荧光信号和一小部分杂散光，所以信号的信噪比会进一步增强，在探测器前加小孔和滤光片可以进一步去除荧光波长以外的大部分杂散光，加之聚焦透镜的会聚作用，又一次提升了信号的幅值。在此组件中大大提升了信噪比。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述微流控芯片4包括进液区8、进液及离心通道9、检测区10、出液通道11、出液区12，进液及离心通道9以及出液通道11的尺寸为80微米以上，检测区10的尺寸为40微米以下。样品通过微泵加压进入进液区8，在进液及离心通道9中，给定适当的流速，样品会在离心力和流体的作用下，贴近通道外壁一侧向前流动，并排成一个队列，样品被稀释到合适的浓度，即保证单个微藻进入检测区10，被激发并产生荧光信号后，进入出液通道11再通过出液区12流出进入废液槽。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述微流控芯片角度调整架5包括芯片支架、刻度盘、旋钮、连接架和xyz调整台，通过旋钮调节芯片支架上芯片的角度，并根据刻度盘确定芯片倾斜角度，使反射的激发光最大限度的反射到聚焦区外20，连接架连接芯片支架和xyz调整台，调节xyz调整台实现芯片的空间平移，完成对焦。微流控芯片角度调整架5可将微流控芯片4旋转一定角度，并且耦合了XYZ调整台，可以保证微流控芯片4的通道检测区10能够精确对焦到分光和聚焦光学组件3所形成的聚焦点上，在此过程中先旋转微流控芯片4，使聚焦光斜着打到微流控芯片4下端、调整角度使微流控芯片4与聚焦光三角区的一个三角形腰平行形成图示角度，利用光的反射原理，最大限度的保证反射的激发光全部进入聚焦区外20，激发光不会因为镜面反射回到聚焦透镜，而是反射到聚焦区外20，从而大幅减少镜面反射引起的杂散光，进一步减少杂散光进入系统，为后续的滤光，去噪等等信号处理方面省去大量工作，从而简化装置，由于不需要大量的滤光去噪工作，为装置省去大量空间，使得装置更加的小型化，并且提高系统的信噪比。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述探测器连接套件6包括透镜卡槽、精细调焦螺旋、滤光片卡槽、小孔、探测器卡槽，探测器卡槽和透镜卡槽用螺旋结构连接，实现精细螺旋调焦，控制透镜到探测器的距离。探测器连接套件6可以搭载光电二极管接收荧光脉冲信号，实现藻类活性检测，也可以搭载小型光谱仪接受光谱信号，实现藻类种类的区分，并且通过螺旋调焦结构，精细调节探测器和探测器之间的距离。

在探测器连接套件6处，设置了可以耦合光电二极管和光谱仪的接口，耦合光电二极管时即可做藻类活性检测，耦合光谱仪时即可做600nm的光谱检测进而区分种类。一种藻类的种类区分方法，所述方法基于上述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置实现，包括如下步骤：

步骤1：将藻类样品通过微泵注入微流控芯片；

步骤2：使光源发出405nm的光，采集其荧光光谱曲线；

步骤3：使光源再发出425、450、470、480、505、520nm的光，依次采集光谱，并将以上光谱集成到一张图上，形成未知藻的特征光谱；

步骤4：将得到的特征光谱与特征光谱库进行对比，当相似度到达80％以上，则完成藻类的区分。

对于藻类活性检测是使用波长450nm光功率80mW的激发光，经过分光和聚焦光学组件3聚焦，打在检测区10，返回激发出的荧光，在检测端耦合一个光电二极管，经过螺旋调焦使荧光聚焦进入光电二极管，完成光信号到电信号的转换，再经过一块放大电路板将信号放大，进入Labview信号采集卡在进入电脑PC端进行处理，将信号波形显示在电脑上，并完成储存和拷贝，在处理过程中会将信噪比低于3的峰值滤除即将活性差的藻细胞和其他杂质信号滤除，显示信噪比高于3的信号即默认为是活性较好的藻细胞，从而检测到存活的藻细胞，并完成计数。

一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置的检测方法，如图4所示，包括如下步骤：

S1、打开光源，并切换适当的波长和光功率；

S2、调焦准直套件使光路准直，保证光源反射并进入到物镜，完成聚焦，满足系统要求；

S3、调节微流控芯片角度调整架，使微流控芯片倾斜合适角度保证最优的斜入式照射，并使聚焦光斑打在检测区上；

S4、将藻类或者荧光微塑料球通过微泵加入到微流控芯片中；

S5、调整探测器连接套件使透过二色镜的荧光聚焦并透过小孔和滤光片进入探测器中；

S6、采集荧光信号；

S7、将采集到的信号发送到荧光信号采集处理组件进行处理显示。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，在进行藻类活性检测时，如图5所示，采用基于谱减法的去噪放大算法，具体为：

对信号y(t)进行分段运算，分段信号y₁(t)分两路并发处理，一路Y(w)在频域上取平方得到Y²(w)，减去噪声的频域平方值N²(w)，得到去噪的信号值S²(w)，开平方后得到S(w)再回到时域，得到s(t)；另一路则提取分段信号的峰值信号即假定的荧光信号，并对提取的信号取平均值A，随后取均值的三分之一即A/3，进而和分段函数组合得到自增强函数：

其具体含义为：经过前面的处理信号的信噪比基本上是3以上，噪声最大也不能超过信号的三分之一，所以取到均值的三分之一即A/3，再用分段信号值比上该值即可得到一个系数，该系数再取平方保证非零，即可保证对大于A/3信号的增强，而小于的部分则会被削减，从另一方面降低了信号边缘幅值，降低信号宽度，使信号区分度更好。两路相乘并保证时间同步即可完成信号放大，得到处理后的信号e(t)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，包括：

用于发射不同波长激发光的光源组件(1)；

用于将光源组件(1)发射的激发光准直形成平行光的准直套件(2)；

用于分离激发光和荧光以及汇聚激发光的分光和聚焦光学组件(3)；

用于激发单个微藻产生荧光信号的微流控芯片(4)；

用于调整微流控芯片的角度，使其精准对焦到分光和聚焦光学组件(3)所形成的聚焦点上的微流控芯片角度调整架(5)；

用于搭载探测器的探测器连接套件(6)；

用于采集经过分光和聚焦光学组件(3)、微流控芯片通道中的单个微藻的荧光信号，并将荧光信号转换成电信号，再进行A/D转换和滤波放大成为一个信号波形，显示在PC端，并完成数据拷贝和储存，且分析荧光特性的荧光信号采集处理组件(7)。

2.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述光源组件(1)包括TO封装的LD光源、散热片、LD灯座、可调节电流电源以及固定结构，且所述光源组件(1)与准直套件(2)进行耦合，LD灯座用于切换LD光源的波长，电源用于根据不同波长的LD光源提供相应的电流电压，根据LD光源的P-I曲线输出相应的光功率。

3.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述准直套件(2)包括镜头盖(13)、准直透镜卡槽(14)、通光通道(15)、调焦螺纹(16)、光源卡槽(17)、散热后盖(18)，准直透镜卡槽(14)用于搭载准直透镜，并由镜头盖(13)进行固定；通光通道(15)搭配调焦螺纹(16)用于精细调焦；光源卡槽(17)用于搭载TO56的激光二极管，散热后盖(18)采用导热金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述分光和聚焦光学组件(3)包括二相色镜、物镜、聚焦透镜、遮光罩和固定光学器件的结构，所述准直套件(2)发出的激发光经过二相色镜反射到物镜中，再经过物镜汇聚到微流控芯片的通道检测区，激发出的样品荧光，样品荧光被物镜收集返回到二相色镜端，在二相色镜处被透射，完成激发光和荧光的分离；透射光再经过聚焦透镜打入小孔，经过滤光片进入探测器中。

5.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述微流控芯片(4)包括进液区(8)、进液及离心通道(9)、检测区(10)、出液通道(11)、出液区(12)，进液及离心通道(9)以及出液通道(11)的尺寸为80微米以上，检测区(10)的尺寸为40微米以下。

6.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述微流控芯片角度调整架(5)包括芯片支架、刻度盘、旋钮、连接架和xyz调整台，通过旋钮调节芯片支架上芯片的角度，并根据刻度盘确定芯片倾斜角度，使反射的激发光最大限度的反射到聚焦区外(20)，连接架连接芯片支架和xyz调整台，调节xyz调整台实现芯片的空间平移，完成对焦。

7.根据权利要求1所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置，其特征在于，所述探测器连接套件(6)包括透镜卡槽、精细调焦螺旋、滤光片卡槽、小孔、探测器卡槽，探测器卡槽和透镜卡槽用螺旋结构连接，实现精细螺旋调焦，控制透镜到探测器的距离。

8.一种藻类的种类区分方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-7中任意一项所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置实现，包括如下步骤：

步骤1：将藻类样品通过微泵注入微流控芯片；

步骤2：使光源发出405nm的光，采集其荧光光谱曲线；

步骤3：使光源再发出425、450、470、480、505、520nm的光，依次采集光谱，并将以上光谱集成到一张图上，形成未知藻的特征光谱；

步骤4：将得到的特征光谱与特征光谱库进行对比，当相似度到达80％以上，则完成藻类的区分。

9.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的基于斜入式激发提高共聚焦结构微弱信号检测信噪比的装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、打开光源，并切换适当的波长和光功率；

S2、调焦准直套件使光路准直，保证光源反射并进入到物镜，完成聚焦，满足系统要求；

S3、调节微流控芯片角度调整架，使微流控芯片倾斜合适角度保证最优的斜入式照射，并使聚焦光斑打在检测区上；

S4、将藻类或者荧光微塑料球通过微泵加入到微流控芯片中；

S5、调整探测器连接套件使透过二色镜的荧光聚焦并透过小孔和滤光片进入探测器中；

S6、采集荧光信号；

S7、将采集到的信号发送到荧光信号采集处理组件进行处理显示。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在进行藻类活性检测时，采用基于谱减法的去噪放大算法，具体为：

对信号y(t)进行分段运算，分段信号y₁(t)分两路并发处理，一路Y(w)在频域上取平方得到Y²(w)，减去噪声的频域平方值N²(w)，得到去噪的信号值S²(w)，开平方后得到S(w)再回到时域，得到s(t)；另一路则提取分段信号的峰值信号即假定的荧光信号，并对提取的信号取平均值A，随后取均值的三分之一即A/3，进而和分段函数组合得到自增强函数：

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