CN114280033A - 一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，属于医疗检测器械领域，包括激发光源组件、光路组件、光谱采集组件、样品台组件和控制分析组件；激发光源组件发出的激光经光路组件聚焦于样品台组件上滴有待测血清的基板表面以激发产生等离子体光，等离子体光沿光路组件进入光谱采集组件；光谱采集组件对等离子体光进行收集并转换为光谱信号输入至控制分析组件进行分析并输出检测结果，实现待测血清中元素种类和元素含量的检测。本发明将激光诱导击穿光谱技术应用于临床血清检测，实现多元素快速实时分析，进而反应病人体内电解质水平，为临床快速诊断提供参考，而不必使用多个设备、多个样品来进行检测，节省了人力物力和时间。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置

技术领域

本发明属于医疗检测器械领域，更具体地，涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置。

背景技术

随着当今社会的迅速发展，人们的生活水平不断提高，对物质的需求也不断增加，对身体健康和疾病治疗也愈发关注，随之带来的是疾病检测和诊断需求的日益增加。血液作为人体的“生命之源”，承载着生命活动的正常运行。人们不断地在血液中发现疾病的早期征兆，血清中的生物标志物被越来越多的用作疾病判断。而人体内的化学元素对维持生理稳态有着重要作用，元素的含量变化及分布失调与人体疾病的产生和演变息息相关。所以，对血清中化学元素含量分布的实时检测对于临床疾病诊断有着非常重要的参考价值。尤其是在某些急性疾病发生的情况下，快速得到一份血清元素分析结构，能够帮助医生迅速对病情做出判断，为患者治疗提供宝贵的时间。常见的血清元素检测方法主要包括原子吸收分光光度法、离子选择电极法、邻甲酚酞络合酮法等。它们虽然结果可靠，但是也存在制样复杂、耗时费力的缺点，无法做到快速和多元素的同时检测，因此提供一种快速而精准的血清多元素检测装置及方法具有十分显著的临床意义。

国内专利公开了一种准确测定血清钾的方法，以钴元素作为内标，将未经稀释的血清样品和内标溶液直接加入样品瓶中混合均匀后再稀释，进一步用电感耦合等离子体质谱法测量血清中钾浓度，具有高灵敏度和高准确度。但该装置只能实现血清中钾元素的测定，且样品制备较为复杂耗时。

激光探针技术又称为激光诱导击穿光谱技术(Laser-induced breakdownspectroscopy，简称LIBS)，是一种新兴的元素在线检测技术，基本原理是利用高能脉冲激光在待测样品表面烧蚀，并产生等离子体，通过收集分析等离子体的发射光谱，判断样品中所含元素的种类和含量信息。激光探针技术具有全元素检测、快速实时、原位分析等优点，因此十分适用于血清组织中元素的精准高效检测。利用该技术可为血清快速检测提供一种新思路，通过对元素成分含量的快速检测分析，能够为临床快速诊断提供十分关键的信息，为病理医生实时提供辅助意见。

激光诱导击穿光谱技术作为目前新兴的元素在线检测和分析技术，可以实现临床中同时对血清中多种元素的定性定量分析。但在临床实际应用场合，尚没有成熟的应用设备，且现有的血清元素检测设备具有制样复杂、耗时费力的缺点。因此，亟需一种血清的快速检测装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，由此解决现有血清元素检测设备检测复杂、耗时费力的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，所述装置包括机架、激发光源组件、光路组件、光谱采集组件、样品台组件和控制分析组件；

所述激发光源组件设置于所述机架；所述光路组件垂直于所述激发光源组件激光出射方向设置；所述样品台组件设置于所述光路组件的下方，且在所述样品台组件的一侧设有所述控制分析组件；所述控制分析组件分别与所述光路组件和所述样品台组件连接；

由所述激发光源组件发出的激光经所述光路组件后改变传播方向并聚焦于放置在所述样品台组件的滴有待测血清的基板表面以激发待测血清产生等离子体光，所述等离子体光沿所述光路组件传播并进入所述光谱采集组件；所述光谱采集组件用于对等离子体光进行收集并转换为光谱信号输入至所述控制分析组件进行分析并输出检测结果，从而实现待测血清中元素种类和元素含量的检测。

优选地，所述激发光源组件包括激光器和能量衰减器，所述能量衰减器沿所述激光器激光出射方向设置；所述激光器发出用于激发血清样品产生等离子体光的脉冲激光以及用于起辅助指示作用的连续激光；所述能量衰减器用于调节所述脉冲激光的能量以使其符合血清检测的能量范围。

优选地，所述光路组件包括笼式立方、透镜安装座和固定机构，所述笼式立方与所述透镜安装座通过固定机构连接；所述笼式立方内设有激光反射镜，所述激光反射镜用于使激光器出射的激光方向由平行改变为垂直于所述样品台组件；所述透镜安装座设有第一平凸透镜，所述第一平凸透镜用于使激光聚焦于待测血清并使其激发并产生等离子体光，所述等离子体光经所述第一平凸透镜后由散射光变为平行光并向上传播进入所述光谱采集组件。

优选地，所述固定机构包括金属立柱和金属接杆；所述金属立柱固定设置于所述机架，所述金属接杆穿过所述金属立柱并与所述笼式立方连接；所述金属接杆还用于连接与所述笼式立方与所述透镜安装座。

优选地，所述光谱采集组件包括第二平凸透镜、光纤耦合器、光纤和光谱仪；所述第二平凸透镜设置于所述笼式立方的顶部，所述光纤耦合器位于所述第二平凸透镜的上方，所述光纤耦合器与所述光谱仪通过所述光纤连接；所述第二平凸透镜用于使所述等离子体光聚焦于所述光纤耦合器，所述光纤耦合器用于采集等离子体光并通过光纤传输至所述光谱仪，所述光谱仪用于对光纤传输来的采集光进行分光，并通过光电转换器件将光信号转化为电信号输出至所述控制分析组件中。

优选地，所述样品台组件包括三维位移平台和载物台；所述载物台安装于所述透镜安装座底部，所述三维位移平台安装于所述载物台底部。

优选地，所述载物台包括载物台面、第一夹具和第二夹具；所述第一夹具和所述第二夹具相对设置于所述载物台面上，所述第一夹具和所述第二夹具用于分别夹持待测血清的基板的两端。

优选地，所述载物台面为加热台面，用于将滴有待测血清的基板烘干至固态。

优选地，所述控制分析组件包括位移平台控制器和终端装置；所述终端装置与所述位移平台控制器通讯连接，所述位移平台控制器分别与所述透镜安装座和所述三维位移平台连接；所述终端装置用于向所述位移平台控制器发送控制指令以使所述位移平台控制器驱动所述透镜安装座和所述三维位移平台联动，从而使激光聚焦于待测血清。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明所提出的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，将激光诱导击穿光谱技术应用于血清检测装置，通过光路组件将激光聚焦于置于样品台组件上的待测血清以使其激发并产生等离子光，通过对等离子体光进行收集及分析可以实现待测血清中元素种类和元素含量的快速检测，无需使用多个设备、多个样品来进行检测，为临床快速诊断提供参考，具有良好的应用前景和价值。

附图说明

图1是本发明实施例中血清快速检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中载物台的结构示意图；

图3是本发明实施例中检测方法流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器；2-能量衰减器；3-金属立柱；4-笼式立方；5-金属接杆；6-透镜安装座；7-第二平凸透镜；8-光纤耦合器；9-光纤；10-光谱仪；11-载物台；12-三维位移平台；13-位移平台控制器；14-终端装置；15-载物台面；16-第一夹具；17-第二夹具；18-基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1-图3，本发明提出一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，该装置能够快速检测血清中的多种元素含量，从而反应人体内的电解质水平，为临床快速诊断提供依据。该血清快速检测装置具体包括：

激发光源组件，所述激发光源组件包括激光器1和能量衰减器2，所述激光器1为高能量脉冲激光器，所述激发光源组件用于提供激光。所述高能量脉冲激光器可发出一束用于激发血清样品产生等离子体的脉冲激光和一束起辅助指示作用的低能量连续激光。激光发出后首先经过能量衰减器2，所述能量衰减器2可以将激光能量调节至适合血清检测的大小，经能量衰减器调节后激光进入所述光路组件。

光路组件，所述光路组件包括激光反射部分和激光聚焦部分，并通过金属立柱3和金属接杆5连接在一起。具体的，所述激光反射部分为激光反射镜和安装激光反射镜的笼式立方4，所述激光聚焦部分为激光聚焦用的第一平凸透镜和可调节高度的透镜安装座6，所述光路组件用于激发待测样品产生等离子体。

进一步地，通过调整安装在所述笼式立方4内的激光反射镜，将激光方向从平行改变为垂直于所述样品台组件向下经过所述第一平凸透镜聚焦，再通过调节所述透镜安装座6高度调整所述第一平凸透镜焦点位置，使激光聚焦于血清样品并对其激发产生等离子体。经激发产生的部分等离子体光经过所述第一平凸透镜由散射光变为平行光向上传播，进入所述光谱采集组件。

光谱采集组件，所述光谱采集组件包括光谱采集头、光纤9和光谱仪10，所述光谱采集组件用于收集等离子体光，得到可分析的光谱信号。进一步地，所述光谱采集头由第二平凸透镜7和光纤耦合器8构成，等离子体光经过所述第二平凸透镜7聚焦于所述光纤耦合器8上。所述光纤9连接光谱采集头和所述光谱仪10，聚焦于所述光纤耦合器8的等离子体光通过光纤9传输至光谱仪10。所述光谱仪10对光纤9传输来的收集光进行分光，并通过光电转换器件将光信号转化为电信号，传输至所述控制分析组件进行处理。

样品台组件，所述样品台组件包括可三维移动的三维位移平台12和可加热的载物台11，所述样品台组件用于承载血清样品并将血清样品快速蒸干。所述三维位移平台12为平面移动的两轴和垂直方向移动的一轴，用于将待测样品快速移动至激光焦点处。所述载物台11用于夹持滴加待测血清的基板18，同时具备加热功能，可以将血清样品快速烘干至固态。

控制分析组件，所述控制分析组件包括终端装置14和位移平台控制器13。本发明中，所述终端装置14为计算机，在计算机中安装有激光器、光谱仪控制软件以及相关数据分析软件，所述控制分析组件用于各仪器的联动控制以及光谱信号的分析。在计算机的控制软件中可以控制所述位移平台控制器13完成三维位移平台12的三维移动以及载物台11的加热，可以实现激光器与光谱仪联动触发来进行光谱信号采集。在计算机分析软件中可以对采集的光谱信号进行快速分析并输出检测结果。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-3所示，本发明提出一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，包括激发光源组件、光路组件、光谱采集组件、样品台组件和控制分析组件。

所述激发光源组件包括Nd：YAG激光器和能量衰减器，Nd：YAG激光器发出用于激发的高能量脉冲激光和辅助指示的连续激光在同轴光路上，激光沿光路经过能量衰减器调整至能量合适大小后进一步传入光路组件。

所述光路组件包含笼式立方4、透镜安装座6，所述笼式立方4中装有一片激光反射镜，所述透镜安装座6中装有一片第一平凸透镜。所述笼式立方4和所述透镜安装座6通过金属立柱3和金属接杆5连接在一起。经能量衰减器2调整过的激光进入所述笼式立方4中，被激光反射镜反射后光路方向由水平变为垂直向下，进一步通过安装在透镜安装座6的第一平凸透镜作用下完成激光聚焦。同时，所述透镜安装座6可在垂直方向上移动第一平凸透镜的高度，通过调节第一平凸透镜的高度可以将激光焦点对准于放置在载物台11上的待测样品表面，实现激发产生等离子体。激发产生的部分等离子体光经过所述第一平凸透镜沿激光光路反向向上，达到笼式立方4时由于激光反射镜对大部分等离子体光无反射作用，等离子体光透过激光反射镜继续向上进入光谱采集组件。

所述光谱采集组件包括第二平凸透镜7、光纤耦合器8、光纤9和光谱仪10。等离子体光向上通过笼式立方4后，再经过安装在笼式立方4上方的第二平凸透镜7聚焦。所述第二平凸透镜7和光纤耦合器8的距离固定，使得第二平凸透镜7聚焦后的等离子体光焦点正好落于光纤耦合器8上。聚焦于光纤耦合器8的等离子体光通过光纤9传输至光谱仪10，所述光谱仪10对收集光进行分光处理，并通过电偶耦合器件等定制光电转换器件将光信号转化为电信号，传输到计算机进行处理。

所述样品台组件包括三维位移平台12和载物台11，所述三维位移平台12由可平面移动的互相垂直两轴和可垂直移动的一轴组成，通过三维位移平台12可以快速将待测样品移动至激光焦点处。所述载物台11由具有加热功能的载物台面15和第一夹具16、第二夹具17组成，所述第一夹具16、第二夹具17可以将滴加有待测血清的基板18固定在载物台面15上防止其在检测过程中滑动，所述载物台面15具有加热功能，可以将血清样品快速烘干至固态，消除样品中水分对光谱采集的干扰。

所述控制分析组件包括位移平台控制器13和计算机，所述位移平台控制器13主要用于控制三维位移平台。计算机中安装有激光器、光谱仪控制软件以及相关数据分析软件。通过位移平台控制器13和计算机中的控制软件可以完成位移平台的三维移动和加热，计算机中的控制软件可以实现激光器与光谱仪联动触发来进行光谱信号采集。计算机中的分析软件可以分析采集到的光谱信号，实现血清中元素种类和元素含量的快速检测，并输出检测结果。

本发明所提出的基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置可以完成临床检测中同时对血清中多种元素的定性定量分析，而不必使用多个设备、多个样品来进行检测，为临床快速检测提供参考，具有良好的应用前景和价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述装置包括机架、激发光源组件、光路组件、光谱采集组件、样品台组件和控制分析组件；

所述激发光源组件设置于所述机架；所述光路组件垂直于所述激发光源组件激光出射方向设置；所述样品台组件设置于所述光路组件的下方，且在所述样品台组件的一侧设有所述控制分析组件；所述控制分析组件分别与所述光路组件和所述样品台组件连接；

由所述激发光源组件发出的激光经所述光路组件后改变传播方向并聚焦于放置在所述样品台组件的滴有待测血清的基板(18)表面以激发待测血清产生等离子体光，所述等离子体光沿所述光路组件传播并进入所述光谱采集组件；所述光谱采集组件用于对等离子体光进行收集并转换为光谱信号输入至所述控制分析组件进行分析并输出检测结果，从而实现待测血清中元素种类和元素含量的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述激发光源组件包括激光器(1)和能量衰减器(2)，所述能量衰减器(2)沿所述激光器(1)激光出射方向设置；所述激光器(1)发出用于激发血清样品产生等离子体光的脉冲激光以及用于起辅助指示作用的连续激光；所述能量衰减器(2)用于调节所述脉冲激光的能量以使其符合血清检测的能量范围。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述光路组件包括笼式立方(4)、透镜安装座(6)和固定机构，所述笼式立方(4)与所述透镜安装座(6)通过固定机构连接；所述笼式立方(4)内设有激光反射镜，所述激光反射镜用于使激光器(1)出射的激光方向由平行改变为垂直于所述样品台组件；所述透镜安装座(6)设有第一平凸透镜，所述第一平凸透镜用于使激光聚焦于待测血清并使其激发并产生等离子体光，所述等离子体光经所述第一平凸透镜后由散射光变为平行光并向上传播进入所述光谱采集组件。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述固定机构包括金属立柱(3)和金属接杆(5)；所述金属立柱(3)固定设置于所述机架，所述金属接杆(5)穿过所述金属立柱(3)并与所述笼式立方(4)连接；所述金属接杆(5)还用于连接与所述笼式立方(4)与所述透镜安装座(6)。

5.根据权利要求3所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述光谱采集组件包括第二平凸透镜(7)、光纤耦合器(8)、光纤(9)和光谱仪(10)；所述第二平凸透镜(7)设置于所述笼式立方(4)的顶部，所述光纤耦合器(8)位于所述第二平凸透镜(7)的上方，所述光纤耦合器(8)与所述光谱仪(10)通过所述光纤(9)连接；所述第二平凸透镜(7)用于使所述等离子体光聚焦于所述光纤耦合器(8)，所述光纤耦合器(8)用于采集等离子体光并通过光纤(9)传输至所述光谱仪(10)，所述光谱仪(10)用于对光纤(9)传输来的采集光进行分光，并通过光电转换器件将光信号转化为电信号输出至所述控制分析组件中。

6.根据权利要求3所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述样品台组件包括三维位移平台(12)和载物台(11)；所述载物台(11)安装于所述透镜安装座(6)底部，所述三维位移平台(12)安装于所述载物台(11)底部。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述载物台(11)包括载物台面(15)、第一夹具(16)和第二夹具(17)；所述第一夹具(16)和所述第二夹具(17)相对设置于所述载物台面(15)上，所述第一夹具(16)和所述第二夹具(17)用于分别夹持待测血清的基板(18)的两端。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述载物台面(15)为加热台面，用于将滴有待测血清的基板(18)烘干至固态。

9.根据权利要求6所述的一种基于激光诱导击穿光谱技术的血清快速检测装置，其特征在于，所述控制分析组件包括位移平台控制器(13)和终端装置(14)；所述终端装置(14)与所述位移平台控制器(13)通讯连接，所述位移平台控制器(13)分别与所述透镜安装座(6)和所述三维位移平台(12)连接；所述终端装置(14)用于向所述位移平台控制器(13)发送控制指令以使所述位移平台控制器(13)驱动所述透镜安装座(6)和所述三维位移平台(12)联动，从而使激光聚焦于待测血清。

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