CN114878527A - 一种用于生物芯片的荧光检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于生物芯片的荧光检测系统，包括支架以及竖直设置在支架上的成像采集组件，所述成像采集组件下方设置有第一滤光片；所述第一滤光片下方设置有光源组件，所述光源组件包括光源转盘，光源转盘与成像采集组件同轴，光源转盘中心设置有白光光源；所述光源转盘上设置有若干对单色光源，每对单色光源关于光源转盘中心对称，单色光源的出光端指向白光光源正上方，所述单色光源的出光端设置有第二滤光片，所述单色光源与第二滤光片之间设置有匀光组件。本发明的优点在于：能够同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标。

Description

一种用于生物芯片的荧光检测系统
技术领域
本发明涉及荧光检测领域，具体涉及一种用于生物芯片的荧光检测系统。
背景技术
近年来，以数字PCR和数字ELISA为代表的单分子检测技术快速发展，靶标检测维度的变化对荧光检测系统的性能(如：更高的光路均匀性，更大的检测视场(参见例如王子程等人，应用于dPCR的大视场荧光显微检测系统的设计，光学设计，2021，第41卷第1期：6)，更高的分辨率等)提出了较高的要求。现有技术中，例如公开号为CN112345503A的中国发明专利申请公开了一种多重荧光检测装置，对准样品，包括：位于所述样品正上方，并对准所述样品的镜头；套在所述镜头周边，环形分布有多个发光点的环形照明装置；分别发出激光的多个激光光源；连接所述环形照明装置的各个发光点和各所述激光光源的光纤；位于所述镜头正上方，并对准所述镜头，用于收集荧光信号的相机；水平设置在所述相机和所述镜头之间，并且环形阵列地搭载有多个对应不同荧光物质发射波长的滤光片的滤光片轮；驱动所述滤光片轮转动而使得一个滤光片位于所述镜头正上方的电机。然而，目前大多数单分子检测设备中采用的荧光检测系统无法同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标，任何一个短板都会直接影响核酸和蛋白单分子的检测灵敏度和定量准确性，极大地限制了单分子检测技术的发展和应用。因此，发展一种新的荧光检测系统具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：
现有技术中单分子检测设备中采用的荧光检测系统无法同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标的技术问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种用于生物芯片的荧光检测系统，包括支架以及竖直设置在支架上的成像采集组件，所述成像采集组件下方设置有第一滤光片；
所述第一滤光片下方设置有光源组件，所述光源组件包括光源转盘，光源转盘与成像采集组件同轴，光源转盘中心设置有白光光源；
所述光源转盘上设置有若干对单色光源，每对单色光源关于光源转盘中心对称，单色光源的出光端指向白光光源正上方，所述单色光源的出光端设置有第二滤光片，所述单色光源与第二滤光片之间设置有匀光组件。
本发明中的一种用于生物芯片的荧光检测系统在实际应用时，成像采集组件用于待检样品的成像和荧光信号的采集，第一滤光片能够过滤非特征波段的发射荧光，分离特征波段的发射荧光；白光光源能够提供待检样品聚焦成像的明场环境；单色光源则能够激发待检样品中的荧光物质，使其产生可被光学设备检测的荧光信号，匀光组件能够增强光信号的均匀性，提高光能利用率。本发明提供的一种用于生物芯片的荧光检测系统结构紧凑，极大地降低了硬件的空间占用，为仪器便携化和小型化设计开发提供了有利条件；本发明提出的成像采集组件与白光光源、单色光源呈同轴交叉斜对射方案可以有效降低了光信号传输时的能量损失，有利于待检样品中微弱荧光信号的探测。利用白光光源照明辅助成像采集组件聚焦成像方案，可为待检样品中荧光信号的高精度捕捉提供有利条件。该系统能够同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标。基于该系统可实现核酸或蛋白扩增生物芯片中荧光信号的有效检测。
优化的，还包括转动安装在支架上的滤光片转盘，支架上设置有能够驱动滤光片转盘转动的滤光片转盘驱动机构，所述第一滤光片设置在若干个，所有第一滤光片按照圆形阵列分布在滤光片转盘上，所述滤光片转盘驱动机构能够驱动滤光片转盘带动第一滤光片转动至所述成像采集组件下方；
所述滤光片转盘驱动机构采用电机，电机转轴竖直向下，滤光片转盘安装在电机转轴上。
实际应用时，电机驱动滤光片转盘转动，进而带动不同的第一滤光片转动至所述成像采集组件下方，能够满足多通道检测需求。
优化的，所述光源组件还包括光源转盘驱动机构，光源转盘驱动机构能够驱动光源转盘转动；
所述光源转盘驱动机构采用电机，电机转轴竖直向上且与所述成像采集组件同轴，所述光源转盘安装在电机转轴上。
优化的，所述光源转盘上设置有若干对固定座，每对固定座关于光源转盘中心对称，固定座内部沿其轴向贯通，所述固定座倾斜设置，所述单色光源设置在固定座下端，所述第二滤光片设置在固定座上端，所述匀光组件设置在固定座内部。
优化的，所述匀光组件包括沿单色光源出光方向依次设置的非球面透镜、复眼透镜、聚焦镜。
通过非球面透镜、复眼透镜、聚焦镜形成的匀光组件能够有效增强光信号的均匀性，提高光能利用率。
优化的，所述固定座下端设置有下固定座，所述单色光源、非球面透镜设置在下固定座上。
优化的，所述下固定座中设置有与固定座同轴的透光孔，所述透光孔位于单色光源与非球面透镜之间。
优化的，所述下固定座上端内部设置有下压圈，所述非球面透镜被下压圈压在下固定座中。
优化的，所述下固定座底部设置有散热组件；
所述散热组件包括若干个平行设置的散热翅片。
优化的，所述固定座上端设置有安装座，所述复眼透镜被安装座压在固定座内部，所述安装座上端内部设置有上压圈，所述聚焦镜、第二滤光片被上压圈压在安装座内部。
本发明的优点在于：
1.本发明中的一种用于生物芯片的荧光检测系统在实际应用时，成像采集组件用于待检样品的成像和荧光信号的采集，第一滤光片能够过滤非特征波段的发射荧光，分离特征波段的发射荧光；白光光源能够提供待检样品聚焦成像的明场环境；单色光源则能够激发待检样品中的荧光物质，使其产生可被光学设备检测的荧光信号，匀光组件能够增强光信号的均匀性，提高光能利用率。本发明提供的一种用于生物芯片的荧光检测系统结构紧凑，极大地降低了硬件的空间占用，为仪器便携化和小型化设计开发提供了有利条件；本发明提出的成像采集组件与白光光源、单色光源呈同轴交叉斜对射方案可以有效降低了光信号传输时的能量损失，有利于待检样品中微弱荧光信号的探测。利用白光光源照明辅助成像采集组件聚焦成像方案，可为待检样品中荧光信号的高精度捕捉提供有利条件。该系统能够同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标。基于该系统可实现核酸或蛋白扩增生物芯片中荧光信号的有效检测。
2.实际应用时，电机驱动滤光片转盘转动，进而带动不同的第一滤光片转动至所述成像采集组件下方，能够满足多通道检测需求。
3.通过非球面透镜、复眼透镜、聚焦镜形成的匀光组件能够有效增强光信号的均匀性，提高光能利用率。
附图说明
图1、2为本发明实施例中一种用于生物芯片的荧光检测系统不同视角的立体图(隐藏支架)；
图3为本发明实施例中一种用于生物芯片的荧光检测系统的主视图；
图4为本发明实施例中一种用于生物芯片的荧光检测系统的右视图；
图5为图4中A-A剖视图；
图6为本发明实施例中单色光源的立体图；
图7为本发明实施例中单色光源的主视图；
图8为图7中B-B剖视图；
图9、10为本发明实施例中一种用于生物芯片的荧光检测系统的爆炸图；其中，
支架-1；
成像采集组件-2；相机-21；远心镜头-22；
第一滤光片-3；滤光片转盘-31；滤光片转盘驱动机构-32；
光源组件-4；安装座-40；光源转盘-41；白光光源-42；单色光源-43；第二滤光片-44；匀光组件-45；光源转盘驱动机构-46；固定座-47；下固定座-48；散热组件-49；上压圈-401；非球面透镜-451；复眼透镜-452；聚焦镜-453；透光孔-481；下压圈-482。
具体实施方式
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
综合参考图1-3，一种用于生物芯片的荧光检测系统，包括支架1、成像采集组件2、第一滤光片3、光源组件4。
本实施例中，所述支架1的主要作用是为其余各零部件提供安装位置，支架1不限于特定形状，只要能够满足将各零部件按照要求安装、配合，并实现相应功能即可。如图3所示，相机21通过一安装座安装在所述支架1上，滤光片转盘驱动机构32通过一安装座安装在所述支架1上，光源转盘驱动机构46则直接安装在支架1上。
如图3所示，所述成像采集组件2竖直设置在支架1上，如图5所示，所述成像采集组件2下方设置有第一滤光片3；如图4、5所示，所述第一滤光片3下方设置有光源组件4，所述光源组件4包括光源转盘41，光源转盘41与成像采集组件2同轴，光源转盘41中心设置有白光光源42，所述白光光源42采用白光LED，照射方向竖直向上且与成像采集组件2同轴。
综合参考图1、5，所述光源转盘41上设置有若干对单色光源43，每对单色光源43关于光源转盘41中心对称，本实施例设置6对单色光源43，每对单色光源43中的两个单色光源43相同，单色光源43的出光端指向白光光源42正上方，通过光路在待检样品表面交叉重叠，能够提高激发光的强度。单色光源43中心波长为350nm±20nm、494nm±20nm、535nm±20nm、585nm±20nm、643nm±20nm、684nm±20nm中的一种或多种。
如图6、8所示，所述单色光源43的出光端设置有第二滤光片44，第二滤光片44为现有技术，市购即可，所述单色光源43与第二滤光片44之间设置有匀光组件45。
实际应用中，白光光源42和单色光源43不会同时开启，白光光源42仅在单次实验开始前开启一次；一对两个同种单色光源43发出的光路在待检样品目标区域重叠；每种发射滤光片(即第一滤光片3)与每种单色光源43是一一对应的，当开启单色光源43时，相应的会切换至相应的发射滤光片。
具体的，如图1所示，所述成像采集组件2包括自上而下依次设置的相机21、远心镜头22，相机21用于待检样品的成像和荧光信号的采集，远心镜头22用于调整成像靶面积。所述相机21通过一L形的安装座安装在所述支架1上，远心镜头22与相机21同轴且竖直向下。
如图3所示，所述一种用于生物芯片的荧光检测系统还包括转动安装在支架1上的滤光片转盘31，支架1上设置有能够驱动滤光片转盘31转动的滤光片转盘驱动机构32，所述第一滤光片3设置在若干个，本实施例为六个，分别与6对单色光源43一一对应，所有第一滤光片3按照圆形阵列分布在滤光片转盘31上，第一滤光片3中心波长和带宽为440nm±30nm、518nm±30nm、556nm±30nm、605nm±30nm、667nm±30nm、710nm±30nm中的一种或多种。
所述滤光片转盘驱动机构32能够驱动滤光片转盘31带动第一滤光片3转动至所述成像采集组件2下方，转动至成像采集组件2下方的第一滤光片3与成像采集组件2同轴，不同的第一滤光片3与不同对单色光源43之间可形成不同的检测通道，可根据检测通道的选择进行切换，使得检测通道匹配的发射滤光片(即第一滤光片3)位于相机21和远心镜头22的末端。
所述第一滤光片3在滤光片转盘31上的具体安装方式为：滤光片转盘31上开设六个通孔，所述第一滤光片3安装在对应的通孔中。第一滤光片3为现有技术，市购即可。
如图4所示，所述滤光片转盘驱动机构32采用电机，电机转轴竖直向下，滤光片转盘31安装在电机转轴上。所述电机通过一L形的安装座安装在所述支架1上。
如图3所示，所述光源组件4还包括光源转盘驱动机构46，光源转盘驱动机构46能够驱动光源转盘41转动；所述光源转盘驱动机构46采用电机，电机转轴竖直向上且与所述成像采集组件2同轴，所述光源转盘41安装在电机转轴上。
如图1所示，所述光源转盘41上设置有若干对固定座47，每对固定座47关于光源转盘41中心对称，本实施例中，所述固定座47设置12个，固定座47与单色光源43是一一对应的，其具体数量可根据实际需求增减，固定座47内部沿其轴向贯通，呈圆筒形结构。所述固定座47倾斜设置，固定座47的倾斜角度满足：固定座47轴线与相机21、远心镜头22竖直轴线之间的夹角为30°-60°，优选为47.5°±1.5°，实际应用时根据实际需求设置即可。
如图8所示，所述单色光源43设置在固定座47下端，所述第二滤光片44设置在固定座47上端，所述匀光组件45设置在固定座47内部。
具体的，如图8所示，所述匀光组件45包括沿单色光源43出光方向依次设置的非球面透镜451、复眼透镜452、聚焦镜453，所述非球面透镜451、复眼透镜452、聚焦镜453均为现有技术，市购即可。
如图6-8所示，所述固定座47下端设置有下固定座48，所述下固定座48的上部为圆筒形结构，下部为方形座，下固定座48上部的圆筒形结构设置外螺纹，固定座47下端内部设置内螺纹，下固定座48通过螺纹安装在固定座47下端。
如图8所示，所述单色光源43、非球面透镜451设置在下固定座48上。具体的，所述下固定座48中设置有与固定座47同轴的透光孔481，所述透光孔481位于单色光源43与非球面透镜451之间。具体的，透光孔481上方为上大下小的圆锥形坡面。所述下固定座48上端内部设置有下压圈482，下压圈482通过螺纹安装在下固定座48中，所述非球面透镜451被下压圈482压在下固定座48中。
如图6、8所示，所述下固定座48底部设置有散热组件49；如图9、10所示，所述散热组件49包括若干个平行设置的散热翅片，散热组件49上部则为方形座，散热翅片均匀分布在方形座下方，散热组件49的方形座与下固定座48的方形座截面大小相同，两个方形座通过螺钉连接，所述透光孔481的下方开设凹槽，用以容纳所述单色光源43，所述单色光源43固定安装在凹槽中或者与散热组件49的方形座固定连接。
如图8所示，所述固定座47上端设置有圆筒形结构的安装座40，所述复眼透镜452被安装座40压在固定座47内部，所述安装座40上端内部设置有上压圈401，上压圈401与安装座40上端内部通过螺纹连接，所述聚焦镜453、第二滤光片44被上压圈401压在安装座40内部，具体的，所述第二滤光片44的边缘部位分别向上、向下凸起一部分，安装后，所述第二滤光片44与聚焦镜453顶部之间间隔一定间隙。
本实施例中，所述单色光源43采用单色LED，所述单色光源43的光出射方向与固定座47同轴，所述透光孔481、非球面透镜451、复眼透镜452、聚焦镜453、第二滤光片44、固定座47之间均是同轴的。
工作原理：
本发明中的一种用于生物芯片的荧光检测系统在实际应用时，成像采集组件2用于待检样品的成像和荧光信号的采集，第一滤光片3能够过滤非特征波段的发射荧光，分离特征波段的发射荧光；白光光源42能够提供待检样品聚焦成像的明场环境；单色光源43则能够激发待检样品中的荧光物质，使其产生可被光学设备检测的荧光信号，匀光组件45能够增强光信号的均匀性，提高光能利用率。本发明提供的一种用于生物芯片的荧光检测系统结构紧凑，极大地降低了硬件的空间占用，为仪器便携化和小型化设计开发提供了有利条件；本发明提出的成像采集组件2与白光光源42、单色光源43呈同轴交叉斜对射方案可以有效降低了光信号传输时的能量损失，有利于待检样品中微弱荧光信号的探测。利用白光光源42照明辅助成像采集组件2聚焦成像方案，可为待检样品中荧光信号的高精度捕捉提供有利条件。该系统能够同时满足高光路均匀性、大检测视场和高分辨率等检测指标。基于该系统可实现核酸或蛋白扩增生物芯片中荧光信号的有效检测。
实际应用时，电机驱动滤光片转盘31转动，进而带动不同的第一滤光片3转动至所述成像采集组件2下方，能够满足多通道检测需求。通过非球面透镜451、复眼透镜452、聚焦镜453形成的匀光组件45能够有效增强光信号的均匀性，提高光能利用率。
以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：包括支架(1)以及竖直设置在支架(1)上的成像采集组件(2)，所述成像采集组件(2)下方设置有第一滤光片(3)；
所述第一滤光片(3)下方设置有光源组件(4)，所述光源组件(4)包括光源转盘(41)，光源转盘(41)与成像采集组件(2)同轴，光源转盘(41)中心设置有白光光源(42)；
所述光源转盘(41)上设置有若干对单色光源(43)，每对单色光源(43)关于光源转盘(41)中心对称，单色光源(43)的出光端指向白光光源(42)正上方，所述单色光源(43)的出光端设置有第二滤光片(44)，所述单色光源(43)与第二滤光片(44)之间设置有匀光组件(45)。
2.根据权利要求1所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：还包括转动安装在支架(1)上的滤光片转盘(31)，支架(1)上设置有能够驱动滤光片转盘(31)转动的滤光片转盘驱动机构(32)，所述第一滤光片(3)设置在若干个，所有第一滤光片(3)按照圆形阵列分布在滤光片转盘(31)上，所述滤光片转盘驱动机构(32)能够驱动滤光片转盘(31)带动第一滤光片(3)转动至所述成像采集组件(2)下方；
所述滤光片转盘驱动机构(32)采用电机，电机转轴竖直向下，滤光片转盘(31)安装在电机转轴上。
3.根据权利要求1所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述光源组件(4)还包括光源转盘驱动机构(46)，光源转盘驱动机构(46)能够驱动光源转盘(41)转动；
所述光源转盘驱动机构(46)采用电机，电机转轴竖直向上且与所述成像采集组件(2)同轴，所述光源转盘(41)安装在电机转轴上。
4.根据权利要求1所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述光源转盘(41)上设置有若干对固定座(47)，每对固定座(47)关于光源转盘(41)中心对称，固定座(47)内部沿其轴向贯通，所述固定座(47)倾斜设置，所述单色光源(43)设置在固定座(47)下端，所述第二滤光片(44)设置在固定座(47)上端，所述匀光组件(45)设置在固定座(47)内部。
5.根据权利要求4所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述匀光组件(45)包括沿单色光源(43)出光方向依次设置的非球面透镜(451)、复眼透镜(452)、聚焦镜(453)。
6.根据权利要求5所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述固定座(47)下端设置有下固定座(48)，所述单色光源(43)、非球面透镜(451)设置在下固定座(48)上。
7.根据权利要求6所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述下固定座(48)中设置有与固定座(47)同轴的透光孔(481)，所述透光孔(481)位于单色光源(43)与非球面透镜(451)之间。
8.根据权利要求6所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述下固定座(48)上端内部设置有下压圈(482)，所述非球面透镜(451)被下压圈(482)压在下固定座(48)中。
9.根据权利要求6所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述下固定座(48)底部设置有散热组件(49)；
所述散热组件(49)包括若干个平行设置的散热翅片。
10.根据权利要求5所述的一种用于生物芯片的荧光检测系统，其特征在于：所述固定座(47)上端设置有安装座(40)，所述复眼透镜(452)被安装座(40)压在固定座(47)内部，所述安装座(40)上端内部设置有上压圈(401)，所述聚焦镜(453)、第二滤光片(44)被上压圈(401)压在安装座(40)内部。
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