CN115487328B - 基于声驻波原理的usp激光灭活装置搅拌系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，包括线激光整形装置和声驻波驱动装置，所述线激光整形装置通过激光与所述声驻波驱动装置非接触连接，利用声驻波效应将反应容器中的微生物和生物大分子进行充分搅拌，使微生物和生物大分子随反应溶剂在驻波管中做简谐运动，USP激光以激光线的形式横向作用于驻波管，一个周期内的光束可以遍历待处理溶液，使得USP激光可以和待处理的生物大分子充分反应，并极大提高了反应效率，使用声波作为搅拌的动力，避免了传统机械搅拌对生物大分子的机械作用力，可以很好地保护微生物和生物大分子的结构免遭破坏，在灭活后仍能保持抗体的特性。
Description
技术领域
本发明属于疫苗制备技术领域，具体涉及一种基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统。
背景技术
USP激光是一种无化学灭活方法，可广泛用于灭活包膜和非包膜病毒，且USP激光辐射对病毒表面蛋白结构无显著影响。由于激光灭活疫苗具有产生交叉保护免疫的潜力，可作为生产通用疫苗的合适候选疫苗。USP激光灭活技术是一种较为新颖的疫苗灭活技术，通过采用可见波长范围内的超短脉冲照射处于液态溶剂中的微生物或生物大分子，从而使病毒灭活。
病毒失活是基于一种叫做脉冲受激拉曼散射（ISRS）过程的物理机制。由于超短脉冲激光目前价格较为昂贵，所以该灭活方式通常使用小面积的激光束照射透明反应容器，为使容器内的微生物被充分照射，需要一个搅拌装置对反应液进行充分搅拌，目前，生物医学领域常用的搅拌装置有摇床和磁搅拌器。
摇床通常用于化学和生物实验室搅拌溶液，使反应充分，但是该搅拌方式并能很好的应用到USP激光灭活装置中；
虽然有研究人员已经将磁搅拌器应用于USP激光灭活装置，但是磁搅拌子作为一种高速旋转的刚性物体，对微生物的影响必然不可忽略，并且受制于超短脉冲激光器高昂的价格，激光束作用于反应容器的面积较小，所以通常需要足够长的搅拌时间保证反应充分进行，因此激光器的负荷也会增大，从而使该灭活方式的成本也随之增大，无法进行商业化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于声驻波原理的USP激光灭活装置，可以进行无接触式搅拌。
具体方案如下：
基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，包括线激光整形装置和声驻波驱动装置，所述线激光整形装置通过激光与所述声驻波驱动装置非接触连接。
所述线激光整形装置包括USP激光器、扩束单元、平顶光束单元和线形光斑输出单元，其中，所述USP激光器用于产生激光束，所述扩束单元用于对激光束进行扩束，所述平顶光束单元用于将扩束后的光束整形为平顶光束，所述线形光斑输出单元用于将平顶光束整形为线形光斑。
所述扩束单元包括一对共焦的正负透镜，共焦的正负透镜为伽利略形式的扩束系统，扩束倍率为正负透镜焦距的比值。
所述平顶光束单元包括两个非球面柱面镜。
所述线性光斑输出单元包括两个柱面镜，两个柱面镜正交放置，两个柱面镜中一个为平凹柱面镜，另一个为平凸柱面镜。
所述声波驱动装置包括功率发生器、扬声器和驻波管，所述驻波管上安装有扬声器，所述扬声器与功率发生器电连接。
所述驻波管为有机玻璃管。
本发明公开了一种基于声波驻波原理的USP激光灭活装置，利用声驻波效应将反应容器中的微生物和生物大分子进行充分搅拌，使微生物和生物大分子随反应溶剂在驻波管中做简谐运动，USP激光以激光线的形式横向作用于驻波管，一个周期内的光束可以遍历待处理溶液，使得USP激光可以和待处理的生物大分子充分反应，并极大提高了反应效率，使用声波作为搅拌的动力，避免了传统机械搅拌对生物大分子的机械作用力，可以很好地保护微生物和生物大分子的结构免遭破坏，在灭活后仍能保持抗体的特性。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是激光整形装置的结构示意图。
图3是非球面形状计算原理图。
图4是柱面透镜整形原理结构示意图。
图5是声驻波驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例公开了一种基于声波驻波原理的USP激光灭活装置，利用声驻波效应将反应容器中的微生物和生物大分子进行充分搅拌，使微生物和生物大分子随反应溶剂在驻波管中做简谐运动，USP激光以激光线的形式横向作用于驻波管，一个周期内的光束可以遍历待处理溶液，使得USP激光可以和待处理的生物大分子充分反应，并极大提高了反应效率，使用声波作为搅拌的动力，避免了传统机械搅拌对生物大分子的机械作用力，可以很好地保护微生物和生物大分子的结构免遭破坏，在灭活后仍能保持抗体的特性。
如图1所示，一种基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，包括线激光整形装置1和声驻波驱动装置2，所述线激光整形装置1通过激光与所述声驻波驱动装置2非接触连接。
所述线激光整形装置1将可以将入射的圆形超快脉冲可见激光光斑整形为均匀线形光斑。
如图2所示，所述线激光整形装置1包括USP激光器3、扩束单元4、平顶光束单元5和线形光斑输出单元6，其中，所述USP激光器3用于产生激光束，所述扩束单元4用于对激光束进行扩束，所述平顶光束单元5用于将扩束后的光束整形为平顶光束，所述线形光斑输出单元6用于将平顶光束整形为线形光斑。
所述扩束单元4包括一对共焦的正负透镜，共焦的正负透镜为伽利略形式的扩束系统，扩束倍率为正负透镜焦距的比值，在本实施例中，激光源光束直径为2mm，若采用五倍的放大倍率进行扩束，则正负透镜焦距比值为5，同样，激光发散角也缩小至1/5。
所述平顶光束单元5包括两个非球面柱面镜，使输出光束为平顶光束，采用两个非球面柱面镜进行整形，第二片非球面柱面镜起到二次整形兼准直的作用，使得出射光近似为平行光。
在本实施例中，所述非球面柱面镜的参数确定过程如下所示：
设入射高斯光束为
（1）
其中，
Iin表示入射光光强；
r1表示光束中某点与中心轴的距离
表示高斯光束的束腰
以均化洛伦兹函数作为平顶光束的输出形式，所述匀化洛伦兹函数为
（2）
其中，
RFL表示出射平顶光强分布的半高宽
r2表示光束中某点与中心轴的距离
q表示匀化常数，决定了输出函数的均匀度
由能量守恒知：
（3）
其中，
r1 ’表示输入光束中某点与中心轴的距离
r2 ’表示输出光束中某点与中心轴的距离
对公式（3）进行积分，
（4）
由公式（4）得到映射关系：
（5）
根据Shell’s定律及能量守恒定律，可推导非球面的面型系数方程为：
（6）
其中，
z1表示第一片非球面的面型参数函数
z2表示第二片非球面的面型参数函数
n表示材料的折射率
d表示两个非球面的间距，如图3所示，表示非球面切线的垂线和光轴之间的夹角。
线形光斑输出单元6包括两个柱面镜，两个柱面镜正交放置，两个柱面镜中一个为平凹柱面镜，另一个为平凸柱面镜。平凹柱面镜和平凸柱面镜将光束整形为线形光斑。
柱面镜整形原理如图4所示，其中，L为工作距离，x为所需线长，θ为光线的扇形角，L、x和θ三者之间的关系为：
（7）
根据输入光束半径（d/2）和公式（8）计算柱面镜的有效焦距EFL，
（8）
d表示直径，EFL 表示柱面镜的有效焦距。
在本实施例中，
第一个柱面镜的工作距离L=1cm，线长x=50cm；
第二个柱面镜的工作距离L=1cm，线长x=50um；
则根据公式（7）和公式（8）可得到第一柱面镜的有效焦距EFL1为2cm，第二柱面镜的有效焦距EFL2为100cm。
所述声波驱动装置2包括功率发生器7、扬声器8和驻波管9，所述驻波管9上安装有扬声器8，所述扬声器8与功率发生器7电连接。
本实施例中，所述扬声器8的频率应控制在10KHz以下，以避免超声空化效应，所述驻波管9为有机玻璃管，有机玻璃管的长度为50cm，有机玻璃管内装有待处理生物反应液，液体中的生物大分子将再声场的作用下，在驻波管内做简谐运动。
线形光斑横向照射在驻波管内，管内所有微生物和生物大分子理论上在驻波一个周期内都经过激光照射，极大提高了反应效率，缩短了反应时间。
本发明中的线激光整形装置1，还可以为空间光调制器进行光束整形或光学透镜组，以进行光束的整形。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，其特征在于：包括线激光整形装置（1）和声驻波驱动装置（2），所述线激光整形装置（1）通过激光与所述声驻波驱动装置（2）非接触连接；所述线激光整形装置（1）包括USP激光器（3）、扩束单元（4）、平顶光束单元（5）和线形光斑输出单元（6），其中，所述USP激光器（3）用于产生激光束，所述扩束单元（4）用于对激光束进行扩束，所述平顶光束单元（5）用于将扩束后的光束整形为平顶光束，所述线形光斑输出单元（6）用于将平顶光束整形为线形光斑；所述声驻波驱动装置（2）包括功率发生器（7）、扬声器（8）和驻波管（9），所述驻波管（9）上安装有扬声器（8），所述扬声器（8）与功率发生器（7）电连接，USP激光以激光线的形式横向作用于驻波管，使微生物和生物大分子随反应溶剂在驻波管中做简谐运动，一个周期内的光束可以遍历待处理溶液。
2.根据权利要求1所述的基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，其特征在于：所述扩束单元（4）包括一对共焦的正负透镜，共焦的正负透镜为伽利略形式的扩束系统，扩束倍率为正负透镜焦距的比值。
3.根据权利要求1所述的基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，其特征在于：所述平顶光束单元包括两个非球面柱面镜。
4.根据权利要求1所述的基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，其特征在于：所述线形光斑输出单元包括两个柱面镜，两个柱面镜正交放置，两个柱面镜中一个为平凹柱面镜，另一个为平凸柱面镜。
5.根据权利要求1所述的基于声驻波原理的USP激光灭活装置搅拌系统，其特征在于：所述驻波管（9）为有机玻璃管。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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