CN114755207A - 一种多色荧光探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多色荧光探测方法及系统，涉及荧光检测与传感技术领域，解决了现有技术中存在的荧光检测器不能同时检测多种荧光，导致检测效率低下的技术问题。该多色荧光探测方法及系统包括通过光源装置发射至少两种激发光，至少两种激发光经由N合一光纤进行耦合，并将耦合的光信号传输至待测试样品处，以激发待测试样品中的荧光；荧光经由若干折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经若干折光镜片分光后剩余的光束经过反射镜片反射，以得到若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述发射滤光片过滤的光束信号经由荧光探测机构处理。本发明用于提供一种高效检测多色荧光的多色荧光探测方法及系统。

Description

一种多色荧光探测方法及系统

技术领域

本发明涉及荧光检测与传感技术领域，尤其是涉及一种多色荧光探测方法及系统。

背景技术

近年来，随着生物技术、微流体技术、人工智能等相关技术的高速发展，微流控、生物医学检测、生物分子检测、药物筛选、环境检测、生化战剂检测、生物气溶胶检测等领域对诱导荧光检测技术的需求也在不断攀升。

诱导荧光法是一种通过入射光激发样品中荧光物质，发出荧光，经过光电探测器进行光电转换的方法，具有检测灵敏度高、操作简单等优势。

诱导荧光法对于单色荧光染料的检测较为容易，且操作简单。为了提高检测效率、节约试剂成本，同一只试剂管中加入多种荧光染料物质，进行多色荧光检测成为一种趋势。

目前，市场上的多色通道荧光检测器，虽然具有多色激发光、荧光探测器，但它们通过移动或转动的方式，在同一时刻只能检测一种荧光，难以解决荧光材料光谱交叉的问题，不能满足多色荧光同时探测的实际需求。并且，其体积比较大、结构比较复杂、装配难度高、维护维修不方便、价格昂贵，难以应对快速现场测试的需求。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现有的荧光检测器不能同时检测多种荧光，导致检测效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多色荧光探测方法及系统，以解决现有技术中存在的荧光检测器不能同时检测多种荧光，导致检测效率低下的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的多色荧光探测方法，包括：

通过光源装置发射至少两种激发光，至少两种激发光经由N合一光纤进行耦合，并将耦合的光信号传输至待测试样品处，以激发待测试样品中的荧光；

荧光经由若干折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经若干折光镜片分光后剩余的光束经过反射镜片反射，以得到若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述发射滤光片过滤的光束信号经由荧光探测机构处理。

作为本发明的进一步改进，通过准直透镜对耦合的光信号进行准直处理，再通过出光耦合透镜对光信号聚焦。

一种多色荧光探测系统，包括光源装置、探测装置及控制板，所述光源装置、所述探测装置均与所述控制板连接；其中：

所述探测装置上设置有激发光汇入接口、激发光出口，所述光源装置的激发光输出端通过N合一光纤与所述激发光汇入接口连接，N≥2；

所述探测装置内设置有第一折光镜片、第二折光镜片、反射镜片及荧光探测机构，所述第一折光镜片设置在所述激发光汇入接口与所述激发光出口相交处，所述第一折光镜片倾斜45度角设置，所述激发光出口通过外接光纤接至待测试样品处：

所述第二折光镜片设置在所述第一折光镜片远离所述激发光出口的一侧，所述第二折光镜片与所述第一折光镜片平行设置；

所述第二折光镜片至少设置有一个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由至少一个所述第二折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经至少一个所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射，以获取若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述荧光探测机构用以处理所述发射滤光片过滤的光束信号。

作为本发明的进一步改进，在所述激发光汇入接口设置有准直透镜，在所述激发光出口设置有出光耦合透镜。

作为本发明的进一步改进，所述第二折光镜片设置有一个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由所述第二折光镜片分光得到目标光束，经所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射，得到反射光束。

作为本发明的进一步改进，所述第二折光镜片设置有三个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由三个所述第二折光镜片逐级分光，得到两束目标光束，经三个所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射得到两束反射光束。

作为本发明的进一步改进，所述光源装置包括光源电路板，在所述光源电路板上设置有若干光源，若干所述光源发出激发光，在每个所述光源的出光端均设置有用以减小激发光发散角的光源耦合透镜，在光源耦合透镜后设置有激发滤光片。

作为本发明的进一步改进，所述第一折光镜片、所述第二折光镜片为分光镜或者二向色镜；

所述第一折光镜片、所述第二折光镜片、所述反射镜片均为45度角设置；

所述反射镜片为反光镜或者反射棱镜；

所述光源为LED光源、激光或者卤钨灯泡。

作为本发明的进一步改进，所述荧光探测机构包括荧光探头和荧光接收电路板，所述荧光探头为PD光电二极管、PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管、SiPM光电管或CMOS探测器。

作为本发明的进一步改进，所述控制板包括电源模块、MCU、荧光信号采集模块及光源控制模块，所述电源模块、所述光源控制模块、所述荧光信号采集模块均与所述MCU电连接；

所述电源模块包括电源接口及电源滤波电路模块；

所述光源控制模块包括信号接口、信号传送电路模块、多通道DAC电路模块、压控恒流源模块、程控输出模块，通过所述信号接口、所述信号传送电路模块，传输控制数据给所述MCU，所述MCU控制所述多通道DAC电路模块，输出相应的电压信号，电压信号驱动所述压控恒流源模块，调节输出电流值，分时控制多通道的所述程控输出模块，以输出调节好的电流给到所述光源电路板，进而分时控制各通道所述光源发光；

所述荧光信号采集模块包括前置放大电路模块、低通滤波电路模块、多通道ADC电路模块，所述荧光探测机构采集的信号经过所述前置放大电路模块、所述低通滤波电路模块、所述多通道ADC电路模块转换为数字量的荧光信号，并输送至所述MCU。

本发明的有益效果是：本发明提供的多色荧光探测方法，通过光源装置发射至少两种激发光，至少了两种激发光通过N合一光纤进行耦合，实现了多种激发光同时发出，以激发待测试样品中的多色荧光，多色荧光能够从同一出口返回接收，并经若干折光镜片逐级分光，使荧光从不同的通道发出至荧光探测机构处理，以实现多色荧光同时检测，提高检测效率。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例的四色荧光探测系统示意图

图2是本发明第二实施例的两色荧光探测系统示意图

图3是本发明的电路功能框图。

图中1、探测装置；2、光源装置；3、控制板；101、激发光汇入接口；1011、准直透镜；102、激发光出口；1021、出光耦合透镜；1022、外部光纤接口；103、第一折光镜片；104、反射镜片；105、发射滤光片；106、荧光探头；107、荧光接收电路板；108、第二折光镜片；201、光源；202、光源耦合透镜；203、激发滤光片；204、光源电路板；221、四合一光纤；222、二合一光纤。

具体实施方式

下面可以参照附图图1～图3以及文字内容理解本发明的内容以及本发明与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。需要说明的是：本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓：可以将本发明提供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本发明提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上；术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种高效检测多色荧光的多色荧光探测方法及系统。

下面结合图1～图3对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本发明提供了一种多色荧光探测方法，包括：

通过光源装置发射至少两种激发光，至少两种激发光经由N合一光纤进行耦合，并将耦合的光信号传输至待测试样品处，以激发待测试样品中的荧光；

荧光经由若干折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经若干折光镜片分光后剩余的光束经过反射镜片反射，以得到若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述发射滤光片过滤的光束信号经由荧光探测机构处理。

本发明提供的多色荧光探测方法，通过光源装置发射至少两种激发光，至少了两种激发光通过N合一光纤进行耦合，实现了多种激发光同时发出，以激发待测试样品中的多色荧光，多色荧光能够从同一出口返回接收，并经若干折光镜片逐级分光，使荧光从不同的通道发出至荧光探测机构处理，以实现多色荧光同时检测，提高检测效率。

一种多色荧光探测系统，包括光源装置、探测装置及控制板，所述光源装置、所述探测装置均与所述控制板连接；其中：

所述探测装置上设置有激发光汇入接口、激发光出口，所述光源装置的激发光输出端通过N合一光纤与所述激发光汇入接口连接，N≥2；

所述探测装置内设置有第一折光镜片、第二折光镜片、反射镜片及荧光探测机构，所述第一折光镜片设置在所述激发光汇入接口与所述激发光出口相交处，所述第一折光镜片倾斜45度角设置，所述激发光出口通过外接光纤接至待测试样品处：

所述第二折光镜片设置在所述第一折光镜片远离所述激发光出口的一侧，所述第二折光镜片与所述第一折光镜片平行设置；

所述第二折光镜片至少设置有一个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由至少一个所述第二折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经至少一个所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射，以获取若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述荧光探测机构用以处理所述发射滤光片过滤的光束信号。

本发明提供的多色荧光探测系统，包括光源装置、探测装置及控制板，光源装置发射至少两种激发光，所述探测装置上设置有激发光汇入接口、激发光出口，所述光源装置的激发光输出端通过N合一光纤与所述激发光汇入接口连接，并经由第一折光镜片从激发光出口发出，实现了多种激发光同时发出，以激发待测试样品中的多色荧光；根据光路的可逆性，多色荧光从激发光出口接收返回并经过第一折光镜片、若干第二折光镜片逐级分光得到若干目标光束，分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射得到若干反射光束，通过分析处理目标光束和反射光束，以完成多色荧光的采集；并且，通过光源装置分时激发、荧光同时接收、对第一折光镜片、若干第二折光镜片逐级分光的目标光束以及经过反射镜片反射的反射光束采用扣除算法，解决了多色荧光材料光谱交叉的问题。

另外，光源装置与探测装置连接，光源装置、探测装置均与控制板连接，探测装置内集成了第一折光镜片、第二折光镜片、反射镜片及荧光探测机构，使得本发明提供的多色荧光探测系统体积小、结构紧凑，便于批量生产、分级质检及维护维修。

实施例1:

本实施例1提供了一种四色荧光探测系统，包括光源装置2、探测装置1及控制板3，所述光源装置2、所述探测装置1均与所述控制板3连接；其中：

所述光源装置2包括光源电路板204，在所述光源电路板204上设置有四个光源201，四个所述光源201发出激发光，在每个所述光源201的出光端均设置有用以减小激发光发散角的光源耦合透镜202，在光源耦合透镜202后设置有激发滤光片203。

所述探测装置1上设置有激发光汇入接口101、激发光出口102，所述光源装置2发出的激发光通过四合一光纤221与所述激发光汇入接口101连接，在所述激发光汇入接口101设置有准直透镜1011，在所述激发光出口102设置有出光耦合透镜1021；

所述探测装置1内设置有第一折光镜片103、三个第二折光镜片108、两个反射镜片104、荧光探头106及荧光接收电路板107，所述第一折光镜片103设置在所述激发光汇入接口101与所述激发光出口102相交处，所述第一折光镜片103倾斜45度角设置，所述激发光出口102上设置有外部光纤接口1022，所述激发光出口102通过外接光纤接至待测试样品处：

所述第二折光镜片108设置在所述第一折光镜片103远离所述激发光出口102的一侧，所述第二折光镜片108、所述反射镜片104均与所述第一折光镜片103平行设置；

从所述第一折光镜片103穿过的光束经由三个所述第二折光镜片108逐级分光以得到两个目标光束，经三个所述第二折光镜片108分光处理后剩余的光束经过两个反射镜片104反射，得到两个反射光束，两个目标光束及两个反射光束均经过发射滤光片105过滤，得到了较为纯净的荧光信号，荧光信号经过荧光探头106进行光电转换后传输至荧光接收电路板107，荧光接收电路板107与控制板3连接。

所述控制板3包括电源模块、MCU、荧光信号采集模块及光源控制模块，所述电源模块、所述光源控制模块、所述荧光信号采集模块均与所述MCU电连接；

所述电源模块包括电源接口及电源滤波电路模块；

所述光源控制模块包括信号接口、信号传送电路模块、多通道DAC电路模块、压控恒流源模块、程控输出模块，通过所述信号接口、所述信号传送电路模块，传输控制数据给所述MCU，所述MCU控制所述多通道DAC电路模块，输出相应的电压信号，电压信号驱动所述压控恒流源模块，调节输出电流值，分时控制多通道的所述程控输出模块，以输出调节好的电流给到所述光源电路板204，进而分时控制各通道所述光源201发光；

所述荧光信号采集模块包括前置放大电路模块、低通滤波电路模块、多通道ADC电路模块，所述荧光探测机构采集的信号经过所述前置放大电路模块、所述低通滤波电路模块、所述多通道ADC电路模块转换为数字量的荧光信号，并输送至所述MCU。

本发明的工作流程如下：

通过信号接口、信号传送电路模块，传输控制数据给MCU，MCU控制多通道DAC电路模块，输出相应的电压信号，电压信号驱动压控恒流源模块，调节输出电流值，分时控制1-4通道的程控输出模块，或独立控制1-4通道中的程控输出模块，以输出调节好的电流给到光源电路板，进而分时控制各通道光源201发光。

光源201发出的光，经过光源耦合透镜202减小发散角，再通过激发滤光片203形成单色的激发光，进而耦合进四合一光纤221中。从四合一光纤221中出射的光具有较大的发散角，需要通过准直透镜1011进行准直，以得到发散角较小的平行光，提高光能利用率。准直后的平行光，通过第一折光镜片103后，变成竖直向上的光束，再经过出光耦合透镜1021变为较为聚焦的光斑，到达外部光纤接口1022。外部光纤接口1022可以外接光纤至待测样品处，也可以直接照射在待测样品处，激发出待测样品中的荧光。

根据光路的可逆性，待测样品激发后得到的荧光通过外部光纤接口1022、出光耦合透镜1021原路返回，穿过第一折光镜片103，进而穿过随后的三片第二折光镜片108，经过第二折光镜片108进行分光、反射镜片104进行反射，荧光光束进入不同的通道，再通过发射滤光片105过滤后，得到各通道较为纯净的荧光信号。

各通道荧光信号经过PD光电二极管荧光探头106进行光电转换，信号传输至荧光接收电路板107,经过导线传输至控制板3。在控制板3上，经过前置放大电路、低通滤波电路、多通道ADC电路模块，转换为数字量的荧光信号，送至MCU中进行数据处理。处理后的数据经过信号传送电路模块，如RS232或RS485电路模块，传送至信号接口。至此，完成整个多通道激发光源控制、荧光信号采集的过程。

在此过程中，电源接口通过电路滤波电路模块，得到较为纯净的电源，为控制板3、荧光接收电路板107、光源电路板204供电。

解决多色荧光材料光谱交叉的算法：以第一通道和第二通道为例，控制第一通道光源激发时，待测样品由于材料物质光谱交叉，在第一通道检测出荧光信号P1的同时，相邻的第二通道也会有相应的荧光信号值P2，该第二通道的荧光信号值是材料物质光谱交叉得到的信号贡献值Kn*P2(其中Kn为贡献度，由材料的物质及含量决定)，是第一通道荧光信号值中多余的信号值，需要予以算法扣除，该扣除算法可以在MCU中执行(P1–Kn*P2)，即为第一通道的实际荧光值。其余相邻通道以此类推。

该系统通过MCU分时控制不同通道发出不同的激发光、同一时刻不同通道同时接收不同荧光物质所发出的荧光，再通过荧光信号值扣除的方式，可解决多色荧光材料光谱交叉的问题。

实施例2：

本实施例2与实施例1的不同点在于：提供了一种二色荧光探测系统，所述光源装置2包括光源电路板204，在所述光源电路板204上设置有两个光源201，两个所述光源201发出激发光，在两个所述光源201的出光端均设置有用以减小激发光发散角的光源耦合透镜202，在光源耦合透镜202后设置有激发滤光片203。

所述光源装置2发出的激发光通过二合一光纤222与所述激发光汇入接口101连接。

所述第二折光镜片108设置有一个，从所述第一折光镜片103穿过的光束经由所述第二折光镜片108分光得到目标光束，经所述第二折光镜片108分光处理后剩余的光束经过反射镜片104反射，得到反射光束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多色荧光探测方法，其特征在于，包括：

通过光源装置发射至少两种激发光，至少两种激发光经由N合一光纤进行耦合，并将耦合的光信号传输至待测试样品处，以激发待测试样品中的荧光；

荧光经由若干折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经若干折光镜片分光后剩余的光束经过反射镜片反射，以得到若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述发射滤光片过滤的光束信号经由荧光探测机构处理。

2.根据权利要求1所述的多色荧光探测方法，其特征在于，通过准直透镜对耦合的光信号进行准直处理，再通过出光耦合透镜对光信号聚焦。

3.一种多色荧光探测系统，其特征在于，包括光源装置、探测装置及控制板，所述光源装置、所述探测装置均与所述控制板连接；其中：

所述探测装置上设置有激发光汇入接口、激发光出口，所述光源装置的激发光输出端通过N合一光纤与所述激发光汇入接口连接，N≥2；

所述探测装置内设置有第一折光镜片、第二折光镜片、反射镜片及荧光探测机构，所述第一折光镜片设置在所述激发光汇入接口与所述激发光出口相交处，所述第一折光镜片倾斜45度角设置，所述激发光出口通过外接光纤接至待测试样品处：

所述第二折光镜片设置在所述第一折光镜片远离所述激发光出口的一侧，所述第二折光镜片与所述第一折光镜片平行设置；

所述第二折光镜片至少设置有一个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由至少一个所述第二折光镜片逐级分光以得到若干目标光束，经至少一个所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射，以获取若干反射光束，若干目标光束及若干反射光束均经过发射滤光片过滤，所述荧光探测机构用以处理所述发射滤光片过滤的光束信号。

4.根据权利要求3所述的多色荧光探测系统，其特征在于，在所述激发光汇入接口设置有准直透镜，在所述激发光出口设置有出光耦合透镜。

5.根据权利要求3所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述第二折光镜片设置有一个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由所述第二折光镜片分光得到目标光束，经所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射，得到反射光束。

6.根据权利要求3所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述第二折光镜片设置有三个，从所述第一折光镜片穿过的光束经由三个所述第二折光镜片逐级分光，得到两束目标光束，经三个所述第二折光镜片分光处理后剩余的光束经过反射镜片反射得到两束反射光束。

7.根据权利要求3所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述光源装置包括光源电路板，在所述光源电路板上设置有若干光源，若干所述光源发出激发光，在每个所述光源的出光端均设置有用以减小激发光发散角的光源耦合透镜，在光源耦合透镜后设置有激发滤光片。

8.根据权利要求7所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述第一折光镜片、所述第二折光镜片为分光镜或者二向色镜；

所述第一折光镜片、所述第二折光镜片、所述反射镜片均为45度角设置；

所述反射镜片为反光镜或者反射棱镜；

所述光源为LED光源、激光或者卤钨灯泡。

9.根据权利要求3所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述荧光探测机构包括荧光探头和荧光接收电路板，所述荧光探头为PD光电二极管、PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管、SiPM光电管或CMOS探测器。

10.根据权利要求7所述的多色荧光探测系统，其特征在于，所述控制板包括电源模块、MCU、荧光信号采集模块及光源控制模块，所述电源模块、所述光源控制模块、所述荧光信号采集模块均与所述MCU电连接；

所述电源模块包括电源接口及电源滤波电路模块；

所述光源控制模块包括信号接口、信号传送电路模块、多通道DAC电路模块、压控恒流源模块、程控输出模块，通过所述信号接口、所述信号传送电路模块，传输控制数据给所述MCU，所述MCU控制所述多通道DAC电路模块，输出相应的电压信号，电压信号驱动所述压控恒流源模块，调节输出电流值，分时控制多通道的所述程控输出模块，以输出调节好的电流给到所述光源电路板，进而分时控制各通道所述光源发光；

所述荧光信号采集模块包括前置放大电路模块、低通滤波电路模块、多通道ADC电路模块，所述荧光探测机构采集的信号经过所述前置放大电路模块、所述低通滤波电路模块、所述多通道ADC电路模块转换为数字量的荧光信号，并输送至所述MCU。

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