CN113063762B - 半球空间类复眼体细胞激光诱导荧光探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半球空间类复眼体细胞激光诱导荧光探测仪，采用通过上、下半球复眼罩体拼合的球形复眼结构，对每个小眼均采用小眼光路结构、激发光路结构和荧光光路结构构成的LIF光路，进行激光激发和免疫荧光接收，能够实现的对待测细胞在三维空间各个角度上的动态检测，可实现对细胞内特定抗原分子空间分布及其变化的动态检测。其结构包括激发光路结构、荧光光路结构、流式进样器和球形复眼结构，所述球形复眼结构包括可靠近拼接的上半球复眼罩体和下半球复眼罩体，所述上半球复眼罩体和下半球复眼罩体布置有小眼光路结构，所述小眼光路结构连接激发光路结构和荧光光路结构。

Description

半球空间类复眼体细胞激光诱导荧光探测仪
技术领域
本发明涉及一种激光诱导荧光检测系统，尤其涉及一种基于复眼仿生光学的单细胞三维分子体分布检测仪器系统。
背景技术
细胞是构成生命体结构和实现生命功能的基本单位。从由单个细胞构成的细菌、蓝藻、原生动物，到高等动植物等多细胞生物，不同类型不同功能不同数量的细胞组成了生物体的组织、器官、系统等从简单到复杂的生命单元，从而实现了生命活动的多样性。
细胞体积较小，大部分典型细胞直径在1到30微米，个别较大的细胞可以大到厘米量级。借助于光学显微镜可以看到细胞的内部结构，对于细胞器的更细微的结构需要电子显微镜。由于细胞有运动、营养和繁殖等机能，含有生命活动丰富的信息，细胞内部有机无机分子的动态检测对理解细胞生理活动具有重要的作用。
用免疫荧光技术显示和检查细胞或组织内抗原或半抗原物质等方法称为免疫荧光细胞化学技术，采用该技术与显微成像结合可以检测细胞内的特定蛋白分子，但常规方法无法得到特定待测分子在细胞内部的空间动态变化，因此无法满足对于细胞内部特定分子动态检测的需求，例如细胞内蛋白分子对某种分子的转运或作用过程；病毒分子在细胞内部与受体结合并侵蚀细胞的过程；药物分子在细胞内部的作用过程等。
例如已经公开的现有专利申请“一种免疫荧光检测装置”中国专利公告号CN201917571U的申请方案中公开了一种免疫荧光检测装置，其结构包括激光光源、激发光路、移动平台、荧光光路、光电转换系统、控制系统、数据处理系统及试剂卡，激光光源、激发光路和荧光光路装配在同一光学基座上，光学基座和移动平台安装在装置基座上，激光光源为一个固定在内套管和外套管中的半导体激光管。
上述现有的免疫荧光检测技术方案的缺陷十分显著，只能实现从单一固定光路角度对细胞进行检测，其检测结果是平面且非实时的，无法实现对特定待测分子在细胞内部的空间动态变化，因此无法满足对于细胞内部特定分子动态检测的需求。
发明内容
本发明是为了克服现有的免疫荧光检测技术方案的上述不足之处，提供一种半球空间类复眼体细胞激光诱导荧光探测仪，采用通过上、下半球复眼罩体拼合的球形复眼结构，对每个小眼均采用小眼光路结构、激发光路结构和荧光光路结构构成的LIF光路，进行激光激发和免疫荧光接收，能够实现的对待测细胞在三维空间各个角度上的动态检测，可实现对细胞内特定抗原分子空间分布及其变化的动态检测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，包括激发光路结构、荧光光路结构、流式进样器和球形复眼结构，所述球形复眼结构包括可靠近拼接的上半球复眼罩体和下半球复眼罩体，所述上半球复眼罩体和下半球复眼罩体布置有小眼光路结构，所述小眼光路结构连接激发光路结构和荧光光路结构。
作为优选，所述小眼光路结构均匀平布在球形复眼结构的各子午面上，各小眼光路结构的小眼光轴均指向球形复眼结构的球心，各相邻小眼光轴间的光轴夹角相等，各相邻子午面的面间夹角均相等。
作为优选，所述小眼光路结构包括小眼光纤、小眼前透镜和小眼后透镜，所述的上半球复眼罩体和下半球复眼罩体均设有安装小孔，所述小眼光纤沿着小眼光轴插入安装小孔，小眼前透镜设置在安装小孔的内端的端面，所述小眼后透镜设置在安装小孔的中部。
作为优选，所述激发光路结构包括输入光纤，所述荧光光路结构包括输出光纤，所述输出光纤和输入光纤通过Y型接头连接小眼光纤。
作为优选，所述的激发光路结构包括依次对接的激光器、准直镜、微透镜阵列、输入光纤，所述的微透镜阵列包括阵列布置的若干小透镜，每根输入光纤的末端和单独的一片小透镜对接。
作为优选，所述的荧光光路结构包括输出光纤、光电管阵列、阵列驱动电路，所述光电管阵列包括带通滤色片和光电二极管，所述输出光纤的末端连接单独的一组带通滤色片和光电二极管。
作为优选，所述流式进样器的出口位置设有用于给待测细胞带上负电荷的上电头，上半球复眼罩体和下半球复眼罩体内表面设有内表面电极，上半球复眼罩体和下半球复眼罩体闭合拼接时，内表面电极带正电使球形复眼结构内形成对称的内电场。
作为优选，所述上半球复眼罩体和下半球复眼罩体的两侧分别设有一个极点，所述上半球复眼罩体和下半球复眼罩体拼接时，两侧的极点分别对应重合，上半球复眼罩体和下半球复眼罩体的内表面由金属镀膜而成，形成内表面电极。
作为优选，所述下半球复眼罩体设有平动控制器，所述平动控制器的控制下半球复眼罩体上下运动靠近或远离上半球复眼罩体。
作为优选，所述流式进样器包括毛细管和流动管，在球形复眼结构的另一侧设置收集板，所述收集板带正电。
本发明提出一种双半球空间拼合结构的球形复眼结构，基于仿生复眼的细胞检测仪器。通过上、下半球复眼罩体拼合的球形复眼结构及内表面电极形成球内均匀电场，当电场力平衡时，可将均匀带电的细胞固定于球心位置，方便对兴趣分子在细胞的体分布进行探测。对每个小眼均采用小眼光路结构、激发光路结构和荧光光路结构构成的LIF光路，进行激光激发和免疫荧光接收，可实现对细胞内特定抗原分子空间分布及其变化的动态检测，从而满足对细胞特定生理运动的研究需求。同时所述小眼光路结构是布置在球形复眼结构上，能够实现的对待测细胞在三维空间各个角度上的动态检测。
附图说明
图1为本发明的半球空间类复眼体细胞激光诱导荧光探测仪的总结构图。
图2为本发明中微透镜阵列结构图。
图3为本发明中光电管阵列结构图。
图4为本发明中上半球复眼罩体的结构图。
图5为本发明中小眼光路结构的结构图。
图6为本发明中待测细胞与小眼光轴关系图。
图7为本发明中上半球复眼罩体的侧视图。
图8为本发明中的上半球复眼罩体的子午面结构图。
图中标注：1、下半球复眼罩体；2、收集板；3、小眼光纤；4、Y型接头；5、输出光纤；6、光电管阵列；7、阵列驱动电路；8、微透镜阵列；9、准直镜；10、激光器；11、输入光轴；12、流式进样器；13、样品口；14、鞘流；15、主控制器；16、单细胞流；17、待测细胞；18、上电头；19、输入光纤；20、小透镜；21、带通滤色片；22、光电二极管；23、安装小孔；24、小眼光轴；25、小眼前透镜；26、小眼后透镜；27、端面；28、抗原分子；29、极点；30、面间夹角；31、子午面；32、球心；33、光轴夹角；34、上半球复眼罩体；35、平动控制器；36、内表面电极；37、毛细管；38、流动管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明的一种半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，包括激发光路结构、荧光光路结构、流式进样器12和球形复眼结构。所述球形复眼结构包括可靠近拼接的上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34。所述下半球复眼罩体34设有平动控制器35，所述平动控制器35的控制下半球复眼罩体34上下运动靠近或远离上半球复眼罩体1。
如图1、图2所示，所述的激发光路结构包括依次对接的激光器10、准直镜9、微透镜阵列8、输入光纤19，所述的微透镜阵列8包括阵列布置的若干小透镜20，每根输入光纤19的末端和单独的一片小透镜20对接。
如图1、图3所示，所述的荧光光路结构包括输出光纤5、光电管阵列6、阵列驱动电路7，所述光电管阵列6包括带通滤色片21和光电二极管22，所述输出光纤5的末端连接单独的一组带通滤色片21和光电二极管22。
如图4、图5、图6所示，所述上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34布置有小眼光路结构。所述小眼光路结构均匀平布在球形复眼结构的各子午面31上，各小眼光路结构的小眼光轴24均指向球形复眼结构的球心32，各相邻小眼光轴24间的光轴夹角33相等，各相邻子午面31的面间夹角30均相等。
如图5所示，所述小眼光路结构包括小眼光纤3、小眼前透镜25和小眼后透镜26，所述的上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34均设有安装小孔23，所述小眼光纤3沿着小眼光轴24插入安装小孔23，小眼前透镜25设置在安装小孔23的内端的端面，所述小眼后透镜26设置在安装小孔23的中部。
所述输出光纤5和输入光纤19通过Y型接头4连接小眼光纤3。
N根输入光纤19按小眼编号顺序排列并安装至微透镜阵列8，与数量同为N的小透镜20匹配；微透镜阵列8垂直于输入光轴11，并以输入光轴11为中心；激光器10用以发射激发LIF荧光信号的泵浦激光；准直镜9将激光器10输出的激光扩束准直，覆盖微透镜阵列8；各个小透镜20将准直激光聚焦进各自对应的输入光纤19；N根输出光纤5按小眼编号顺序排列并安装至光电管阵列6，与数量同为N的光电二极管22匹配；每只光电二极管22覆盖带通滤色片21，其通带波长对应由泵浦激光激发荧光标记抗体产生的荧光波段，光电二极管22将荧光信号转化为电信号；阵列驱动电路7用于驱动光电管阵列6工作，并将光电管阵列6输出的电信号进行放大和模数转换后送至主控制器15储存分析。
所述的激发光路结构、荧光光路结构和小眼光路结构构成一个LIF光路，使得球形复眼结构上的每个小眼都能够进行激光激发和免疫荧光接收，可实现对细胞内特定抗原分子空间分布及其变化的动态检测，从而满足对细胞特定生理运动的研究需求。同时所述小眼光路结构是布置在球形复眼结构上，能够实现的对待测细胞在三维空间各个角度上的动态检测。
所述的主控制器15用于向激光器10、平动控制器35、流式进样器12、上电头18、激光器10、阵列驱动电路7、收集板2发出控制指令，控制它们的工作，还用于接收阵列驱动电路7的数据进行储存及分析。
如图1、图7、图8所示，所述上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34的两侧分别设有一个极点29，所述上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34拼接时，两侧的极点29分别对应重合，使得拼合后的球形复眼结构两侧各有一个极点29。上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34的内表面由金属镀膜而成，形成内表面电极36。上半球复眼罩体1和下半球复眼罩体34闭合拼接时，内表面电极36带正电使球形复眼结构内形成对称的内电场。所述的内电场为正。所述流式进样器12的出口位置设有用于给待测细胞带上负电荷的上电头18。所述流式进样器12包括毛细管37和流动管38，在球形复眼结构的另一侧设置收集板2，所述收集板2带正电。
进样时流式进样器启动流动液，沿流动管内四周流动，形成鞘流；样品细胞混悬液从毛细管37喷出，与鞘流14一起流动，在流动管中间形成单细胞流16，流出的待测细胞17在流动管38出口处，被上电头上电，带上均匀负电荷。进入球形复眼结构的内部后，上、下半球复眼罩体拼合，在复眼内部球对称内电场的作用下，带均匀负电荷的待测细胞运动至其质心近似与球心重合，在静电力的作用下近似处于平衡态，此时可开始检测；检测完成后，下半球复眼和上半球复眼分离，在带正电的收集板作用下，待测细胞向收集板靠近，直至贴合上收集板。

Claims (10)

1.一种半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，包括激发光路结构、荧光光路结构、流式进样器(12)和球形复眼结构，所述球形复眼结构包括可靠近拼接的上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)，所述上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)布置有小眼光路结构，所述小眼光路结构连接激发光路结构和荧光光路结构，所述的激发光路结构、荧光光路结构和小眼光路结构构成一个LIF光路，使得球形复眼结构上的每个小眼都能够进行激光激发和免疫荧光接收，可实现对细胞内特定抗原分子空间分布及其变化的动态检测。
2.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述小眼光路结构均匀平布在球形复眼结构的各子午面(31)上，各小眼光路结构的小眼光轴(24)均指向球形复眼结构的球心(32)，各相邻小眼光轴(24)间的光轴夹角(33)相等，各相邻子午面(31)的面间夹角(30)均相等。
3.根据权利要求2所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述小眼光路结构包括小眼光纤(3)、小眼前透镜(25)和小眼后透镜(26)，所述的上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)均设有安装小孔(23)，所述小眼光纤(3)沿着小眼光轴(24)插入安装小孔(23)，小眼前透镜(25)设置在安装小孔(23)的内端的端面，所述小眼后透镜(26)设置在安装小孔(23)的中部。
4.根据权利要求3所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述激发光路结构包括输入光纤(19)，所述荧光光路结构包括输出光纤(5)，所述输出光纤(5)和输入光纤(19)通过Y型接头(4)连接小眼光纤(3)。
5.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述的激发光路结构包括依次对接的激光器(10)、准直镜(9)、微透镜阵列(8)、输入光纤(19)，所述的微透镜阵列(8)包括阵列布置的若干小透镜(20)，每根输入光纤(19)的末端和单独的一片小透镜(20)对接。
6.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述的荧光光路结构包括输出光纤(5)、光电管阵列(6)、阵列驱动电路(7)，所述光电管阵列(6)包括带通滤色片(21)和光电二极管(22)，所述输出光纤(5)的末端连接单独的一组带通滤色片(21)和光电二极管(22)。
7.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述流式进样器(12)的出口位置设有用于给待测细胞带上负电荷的上电头(18)，上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)内表面设有内表面电极(36)，上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)闭合拼接时，内表面电极(36)带正电使球形复眼结构内形成对称的内电场。
8.根据权利要求7所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)的两侧分别设有一个极点(29)，所述上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)拼接时，两侧的极点(29)分别对应重合，上半球复眼罩体(1)和下半球复眼罩体(34)的内表面由金属镀膜而成，形成内表面电极(36)。
9.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述下半球复眼罩体(34)设有平动控制器(35)，所述平动控制器(35)的控制下半球复眼罩体(34)上下运动靠近或远离上半球复眼罩体(1)。
10.根据权利要求1所述的半球空间类复眼体细胞LIF探测仪，其特征是，所述流式进样器(12)包括毛细管(37)和流动管(38)，在球形复眼结构的另一侧设置收集板(2)，所述收集板(2)带正电。
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郝永平等.仿生复眼结构设计及其成像系统研究新进展.激光与红外.2015,第45卷(第12期),第1407-1412页. *

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