CN115266618A - 一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统 - Google Patents

一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，由光源、发射光纤、发射透镜组、微孔板、接收透镜组、接收光纤和光谱仪组成，发射透镜组由第一透镜、光阑和第一反射镜组成，第一反射镜与第一透镜的主光轴成45度角布置，接收透镜组由第二透镜、第二反射镜和第三透镜组成，第二反射镜与第二透镜的主光轴成45度角布置。本发明光学系统可实现微孔板内生物样品的全波长吸光度的在线同步检测。在吸光度检测时，可移动微孔板，或移动发射透镜组和接收透镜组，对相同单孔直径或不同单孔直径的微孔板内生物样品进行吸光度检测，实现微孔板内生物样品吸光度检测较高的重复度和一致性，从而满足实验要求的检测精度。

Description

一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于生物检测的光学系统，具体是一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统。
背景技术
在当前微生物的科学研究领域，需要进行大量的微生物培养实验。由于微孔板具有小体积大通量的特点，越来越多的科研人员开始采用微孔板进行微生物的液体培养。在微生物培养的过程中，一般需要对微孔板内的样品溶液进行吸光度检测，以观测微生物的生长浓度。吸光度是指光线通过被测样品的入射光与出射光的强度比值的以10为底的对数，即lg(入射光强/出射光强)，因此需要精确稳定地测量样品入射光强度值和出射光强度值。
但是，由于微孔板的单个孔内样品容量较小，无法采用传统的取样检测方式，同时微孔板的单孔一般为矩阵排列的圆孔，无法用分光光度计直接进行侧壁检测吸光度。并且，不同类型微孔板的单孔还具有不同的直径大小，不同直径的孔内菌液液面会形成不同的凹面，凹面的折射会对吸光度检测光束产生较大的影响。
同时，随着当前微生物科研实验发展，提出了全波长吸光度同步检测的新需求，全波长一般指包含部分紫外、全部可见光、部分红外等在内的光谱，波长范围约为300～900纳米。市面上的常规微孔板均由聚苯乙烯等塑料材质制作，对紫外光线和红外光线有较大的吸收干扰，并且塑料材质的微孔板透光率不稳定，其透光率会随温度、酸碱溶液等因素的变化产生较大影响，不适合用于全波长吸光度的检测。此外，全透明的孔壁还存在杂散光的干扰问题。
由于当前市面上无法找到满足上述检测要求的装置或仪器，为解决这个难题，需要设计一种光学检测系统，以实现多类型微孔板生物样品全波长吸光度在线同步检测的功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，由沿光路走向依次设置的光源、发射光纤、发射透镜组、微孔板、接收透镜组、接收光纤和光谱仪组成，所述的光源用于发射全波长连续光源，所述的发射透镜组用于将所述的发射光纤传导的发散光束汇聚成细直径光束，所述的发射透镜组由沿光路走向依次设置的第一透镜、光阑和第一反射镜组成，所述的第一反射镜与所述的第一透镜的主光轴成45度角布置，所述的第一反射镜用于将所述的第一透镜的出射光束改为竖直向上入射到所述的微孔板的孔内样品中，所述的接收透镜组用于汇聚样品的出射光束并经所述的接收光纤传导至所述的光谱仪，所述的接收透镜组由沿光路走向依次设置的第二透镜、第二反射镜和第三透镜组成，所述的第二反射镜与所述的第二透镜的主光轴成45度角布置，所述的第二反射镜用于将所述的第二透镜的出射光束改为水平入射到所述的第三透镜中，所述的光谱仪通过分析样品的入射光与出射光的光能量差异，计算得出样品的吸光度值。
本发明光学系统的主要检测原理为：光源提供的吸光度检测的发射光线，通过发射光纤传导给发射透镜组，发射光线经过发射透镜组汇聚成细直径光束后，从底部竖直向上入射到微孔板的孔内样品中，再通过接收透镜组，将样品的出射光束汇聚到接收光纤，由接收光纤传导至光谱仪，光谱仪通过分析样品的入射光与出射光的光能量差异，计算得出样品的吸光度值。
本发明光学系统可实现微孔板内生物样品的全波长吸光度的在线同步检测。在吸光度检测时，可移动微孔板，或移动发射透镜组和接收透镜组，对相同单孔直径或不同单孔直径的微孔板内生物样品进行吸光度检测，实现微孔板内生物样品吸光度检测较高的重复度和一致性，从而满足实验要求的检测精度。对于大直径的单孔样品，还可以通过多点检测取均值的方式，进一步提高藻类等易聚团微生物的吸光度检测精度。
作为优选，所述的光源为可发射全波长连续光源的氙灯、LED灯或卤钨灯。
作为优选，所述的发射光纤为外层具有保护壳的光导纤维，两端分别为金属封装的发射端口，一端用于连接所述的光源，另一端用于连接所述的第一透镜；所述的接收光纤为外层具有保护壳的光导纤维，两端分别为金属封装的接收端口，一端用于连接所述的第三透镜，另一端用于连接所述的光谱仪。
作为优选，所述的发射光纤和所述的接收光纤均采用石英纤芯。
作为优选，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜均为凸透镜，所述的第一反射镜和所述的第二反射镜均为单侧表面镀有反射膜的镜片。
作为优选，所述的微孔板为底部透明的复合材质的多孔板，孔底采用石英材质制作，孔壁采用黑色塑料材质制作。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、实现微孔板内生物样品的全波长吸光度的在线同步检测。
2、实现对相同单孔直径或不同单孔直径的微孔板内生物样品进行吸光度检测。
3、实现微孔板内生物样品吸光度检测较高的重复度和一致性，从而满足实验要求的检测精度，对于大直径的单孔样品，还可以通过多点检测取均值的方式，进一步提高藻类等易聚团微生物的吸光度检测精度。
附图说明
图1为实施例中光学系统的总示意图；
图2为实施例中微孔板样品吸光度检测的光路示意图；
编号说明：
1光源，2发射光纤，21发射端口，3发射透镜组，31第一透镜，32光阑，33第一反射镜，4微孔板，41样品，42孔底，43孔壁，5接收透镜组，51第二透镜，52第二反射镜，53第三透镜，6接收光纤，61接收端口，7光谱仪。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例的用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，如图1和图2所示，由沿光路走向依次设置的光源1、发射光纤2、发射透镜组3、微孔板4、接收透镜组5、接收光纤6和光谱仪7组成。该光学系统的主要检测原理为：光源1提供的吸光度检测的发射光线，通过发射光纤2传导给发射透镜组3，发射光线经过发射透镜组3汇聚成细直径光束后，从底部竖直向上入射到微孔板4的孔内样品41中，再通过接收透镜组5，将样品41的出射光束汇聚到接收光纤6，由接收光纤6传导至光谱仪7，光谱仪7通过分析样品41的入射光与出射光的光能量差异，计算得出样品41的吸光度值。
光源1用于发射全波长连续光源，发射透镜组3用于将发射光纤2传导的发散光束汇聚成细直径光束，发射透镜组3由沿光路走向依次设置的第一透镜31、光阑32和第一反射镜33组成，第一反射镜33与第一透镜31的主光轴成45度角布置，第一反射镜33用于将第一透镜31的出射光束改为竖直向上入射到微孔板4的孔内样品41中，接收透镜组5用于汇聚样品41的出射光束并经接收光纤6传导至光谱仪7，接收透镜组5由沿光路走向依次设置的第二透镜51、第二反射镜52和第三透镜53组成，第二反射镜52与第二透镜51的主光轴成45度角布置，第二反射镜52用于将第二透镜51的出射光束改为水平入射到第三透镜53中，光谱仪7通过分析样品41的入射光与出射光的光能量差异，计算得出样品41的吸光度值。
本实施例中，光源1选用发射全波长连续光源的氙灯。氙灯可发射190～2000纳米的全波长连续光源，同时具有无需预热、发光强度稳定、寿命长等特点。
发射光纤2为外层具有保护壳的多模光导纤维，两端分别为金属封装的发射端口21，一端用于连接光源1，另一端用于发出具有一定发散角的锥形光束并连接第一透镜31；接收光纤6为外层具有保护壳的多模光导纤维，两端分别为金属封装的接收端口61，一端用于连接第三透镜53，另一端用于连接光谱仪7。本实施例中的发射光纤2和接收光纤6均采用纯度较高的石英纤芯，允许光线通过的波长范围为250～950纳米，光纤数值孔径优选0.12～0.26，光纤芯经优选50～400微米。
第一透镜31布置于发射端口21的后端，用于初步汇聚准直发射端口21的出射光线。第一透镜31设计为直径3～10毫米、焦距5～12毫米的凸透镜，材质优先采用熔融石英玻璃，光线透射波长范围为185～1100纳米，具有较好的透过率。
光阑32为中心开设有小圆孔的挡光片，布置于第一透镜31的后端，用于进一步限制第一透镜31的出射光束直径，同时用于消除多余的杂散光。光阑32的小圆孔直径优选为0.5～5毫米。
第一反射镜33为单侧表面镀有反射膜的镜片，用于改变第一透镜31的出射光束方向，同时有利于压缩发射透镜组3的竖直占用空间。
微孔板4设计为底部透明的复合材质的多孔板，孔的位置采用矩阵排列，每个单孔均可盛放一定容量的样品41。微孔板4的孔底42采用石英材质制作，以提高光线透过率，孔底42的平面厚度设计为0.3～0.6mm，平行度要求为0.02～0.05mm，以减小孔底42对检测光路的折射影响。微孔板4的孔壁43采用黑色耐温耐化学腐蚀的塑料材质制作，以消除孔内散射光的多次反射干扰。微孔板4设计有多种孔数规格，例如12孔微孔板、24孔微孔板、48孔微孔板、96孔微孔板、384孔微孔板等，不同孔数的微孔板的单孔直径均不相同，不同直径的单孔适用于不同种类的微生物培养。如图2所示，样品41为待检测的溶液，在生物实验中，样品41一般是由菌种和培养液按一定比例混合的菌液。当样品41加入微孔板4的单孔中后，由于存在液体与单孔孔壁43的吸附作用，样品41的液面往往会形成向重力方向凹陷的液面，此时样品41具有凹透镜的作用，对入射光束会产生折射及色散效果。发射透镜组3的全波长入射光束，在经过样品41之后产生了发散，并且不同直径的单孔内样品41会产生不同凹陷半径，因此产生不同的发散角度。
第二透镜51布置于样品41出射光束的后端，用于初步汇聚样品41出射的发散光束。第二透镜51设计为直径8～20毫米、焦距6～18毫米的凸透镜，材质优先采用熔融石英玻璃，光线透射波长范围为185～1100纳米，具有较好的透过率。
第二反射镜52为单侧表面镀有反射膜的镜片，用于改变第二透镜51的出射光束方向，同时有利于压缩接收透镜组5的竖直占用空间。
第三透镜53布置于第二反射镜52出射光束的后端，用于再次汇聚第二透镜51出射的光束。第三透镜53设计为直径4～8毫米、焦距6～10毫米的凸透镜，材质优先采用熔融石英玻璃，光线透射波长范围为185～1100纳米，具有较好的透过率。
通过发射透镜组33与接收透镜组5的配合，可将光源1入射到样品41的光束完整的传导光谱仪7，从而大大减小了由于不同样品41浓度和液面凹陷差异带来的光线折射与色散误差。光谱仪7用于分析接收光纤6传导回来的光线，其具有全波长光束的分光能力，分辨率为1纳米，可针对不同的波长进形单独的光能量计算，然后通过分析样品41的入射光与出射光的差异，计算出300～900纳米范围内不同波长的吸光度值。
综上，本发明较好地解决了多类型微孔板内生物样品多波长吸光度的检测难题。通过光学仿真软件对300纳米、600纳米、900纳米等多种波长进行光路色散仿真，并对不同直径单孔的样品凹面进行光路折射仿真，且结合实际样机测试，证实本发明实现了微孔板内单孔样品的吸光度检测较高的重复度，同时实现了各个单孔之间的吸光度检测的较高的一致性，有效解决了微孔板高通量培养实验中吸光度全波长在线同步检测的难题。此外，经过实践研究发现，对于藻类等容易聚团的微生物，需要采用单孔直径12mm以上的微孔板培养，还可以通过移动发射透镜组和接收透镜组或微孔板，对单孔的多处液面位置点进行吸光度检测，然后再计算吸光度平均值，可以进一步降低微孔板生物样品的检测误差。

Claims (6)

1.一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，由沿光路走向依次设置的光源、发射光纤、发射透镜组、微孔板、接收透镜组、接收光纤和光谱仪组成，所述的光源用于发射全波长连续光源，所述的发射透镜组用于将所述的发射光纤传导的发散光束汇聚成细直径光束，所述的发射透镜组由沿光路走向依次设置的第一透镜、光阑和第一反射镜组成，所述的第一反射镜与所述的第一透镜的主光轴成45度角布置，所述的第一反射镜用于将所述的第一透镜的出射光束改为竖直向上入射到所述的微孔板的孔内样品中，所述的接收透镜组用于汇聚样品的出射光束并经所述的接收光纤传导至所述的光谱仪，所述的接收透镜组由沿光路走向依次设置的第二透镜、第二反射镜和第三透镜组成，所述的第二反射镜与所述的第二透镜的主光轴成45度角布置，所述的第二反射镜用于将所述的第二透镜的出射光束改为水平入射到所述的第三透镜中，所述的光谱仪通过分析样品的入射光与出射光的光能量差异，计算得出样品的吸光度值。
2.根据权利要求1所述的一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，所述的光源为可发射全波长连续光源的氙灯、LED灯或卤钨灯。
3.根据权利要求1所述的一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，所述的发射光纤为外层具有保护壳的光导纤维，两端分别为金属封装的发射端口，一端用于连接所述的光源，另一端用于连接所述的第一透镜；所述的接收光纤为外层具有保护壳的光导纤维，两端分别为金属封装的接收端口，一端用于连接所述的第三透镜，另一端用于连接所述的光谱仪。
4.根据权利要求3所述的一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，所述的发射光纤和所述的接收光纤均采用石英纤芯。
5.根据权利要求1所述的一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，所述的第一透镜、第二透镜、第三透镜均为凸透镜，所述的第一反射镜和所述的第二反射镜均为单侧表面镀有反射膜的镜片。
6.根据权利要求1所述的一种用于微孔板样品全波长吸光度同步检测的光学系统，其特征在于，所述的微孔板为底部透明的复合材质的多孔板，孔底采用石英材质制作，孔壁采用黑色塑料材质制作。
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