CN115656131B - 一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜以及荧光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜以及荧光系统，属于基因遗传分析仪技术领域，包括镜体和设置在镜体上的若干个凸整形柱面和若干个凹整形柱面，凸整形柱面和凹整形柱面相间分布，凸整形柱和凹整形柱面用于提高荧光的光谱分离度。本发明通过设置微阵列整形透镜，荧光穿过凸整形柱面和凹整形柱面时，能够增加光谱分离度，减少荧光的重叠，优化显色结果，可支持八色荧光检测，提高后续对基因遗传信息分析的精度。

Description

一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜以及荧光系统

技术领域

本发明涉及一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜以及荧光系统，属于基因遗传分析仪技术领域。

背景技术

目前的基因遗传分析仪主要包括毛细管电泳装置、激光激发系统、荧光采集系统和机械手等部分。毛细管电泳装置实现了DNA片段按照分子量大小进行分离。当这些带有荧光标记物的DNA片段通过毛细管阵列窗口时，被上下两束激光合成的光束均匀激发，侧方的荧光采集系统负责收集荧光，并将荧光在空间上分开用于分析。

因为相同分子量的DNA片段包含的基因信息并不一样，所以不能仅通过分子量这个特征去区分，相同分子量的不同DNA片段可以通过标记不同光谱颜色的荧光标记物来区分，荧光标记物的种类越多，能够同时分辨的DNA片段种类就越多。

目前的基因遗传分析仪最多同时使用六种荧光标记物，并且光路结构复杂，采用半开放式，光路元件易老化，易受到外部环境影响，而且部分光谱重叠区域大，需要人为舍去部分重叠区域信号，这降低了信噪比，部分小信号容易被相邻的强信号干扰。

发明内容

本发明提供一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜以及荧光系统，以解决上述现有技术中光谱的空间分布重叠度高，空间分辨率低的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜，微阵列整形透镜包括镜体和设置在镜体上的若干个凸整形柱面和若干个凹整形柱面，所述凸整形柱面和凹整形柱面相间分布，所述凸整形柱面和凹整形柱面能够提高荧光的光谱分离度。

一种用于基因遗传检测的荧光系统，包括上述的微阵列整形透镜，还包括荧光激发系统和接收传感器，所述荧光激发系统射出的激光经过微阵列整形透镜优化后传递给接收传感器。

优选地，所述荧光激发系统包括激光器、分光装置和毛细管阵列，所述激光器发出的激光经过分光装置分成两束激光，两束激光从毛细管阵列的两侧共轴相对的对毛细管阵列照射。

优选地，所述毛细管阵列的两侧设置有聚焦透镜，所述分光装置分出的两束激光分别经过两个反射镜一反射到毛细管两侧的聚焦透镜上，且两个反射镜一反射的激光共轴。

优选地，所述分光装置包括光纤分束器和两个光纤准直器，所述激光器发出的激光经过光纤传递给光纤分束器后分别通过两个光纤准直器照射到两个反射镜一上。

优选地，所述分光装置包括分光镜和反射镜二，所述激光器发出的激光经过分光镜反射的部分射到反射镜二上并被反射镜二反射到其中一个反射镜一上，所述激光器发出的激光经过分光镜折射后的部分射到另一个反射镜一上。

优选地，所述激光器和分光镜之间设置有滤镜和偏振棱镜，所述激光器发出的激光穿过滤镜和偏振棱镜后射到分光镜上。

优选地，所述反射镜一和聚焦透镜之间设置有半波片。

优选地，所述毛细管阵列和微阵列整形透镜之间依次设置有镜头一、光栅和镜头二。

优选地，所述荧光激发系统包括毛细管阵列、两个激光器和两个反射镜一，两个反射镜一和毛细管阵列之间分别设置有聚焦透镜，两个所述激光器发射的激光分别射向两个反射镜一，两个所述反射镜一分别从毛细管阵列的两侧相对反射激光，两个所述反射镜一所反射的激光分别穿过两个聚焦透镜后交汇在毛细管阵列上。

与现有技术对比，本发明的有益效果为：通过设置微阵列整形透镜，荧光穿过凹整形柱面和凸整形柱面时，能够增加光谱分离度，减少荧光的重叠，优化显色结果，可支持八色荧光检测，提高后续对基因遗传信息分析的精度；使用光纤将激光导入到激发处，由于光纤的柔性可弯曲且体积小等特点，可将设备制作的更小巧；优化的光学放大倍率与集光比，既确保了光谱空间分布，又保证了荧光信号强度；共轴激光激发减小了激发区域，增强了分辨率；采用偏振激光，并使用半波片改变偏振方向，隔离透过的激光，减少检测窗附近的杂光干扰。

附图说明

图1为本发明实施例1的微阵列整形透镜的立体图；

图2为本发明实施例1的微阵列整形透镜的侧视图；

图3为本发明实施例1的微阵列整形透镜的平面图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；

图5为本发明实施例3的结构示意图；

图6为本发明实施例4的结构示意图；

图7为本发明实施例5的结构示意图；

图8为本发明实施例6的结构示意图；

图9为设置微阵列整形透镜前的八色荧光分布图；

图10为设置微阵列整形透镜后的八色荧光分布图；

图11为设置微阵列整形透镜前后的八色荧光分布对比图；

图12为柱面微阵列改变荧光分布原理图；

图13为光束整形前的单色光谱能量分布图；

图14为光束整形后的单色光谱能量分布图；

图15为信号处理后的单色光谱能量分布图。

图中：1、激光器，2、滤镜，3、偏振棱镜，4、分光镜，5、反射镜二，6、反射镜一a，7、反射镜一b，8、半波片，9、聚焦透镜，10、毛细管阵列，11、镜头一，12、光栅，13、镜头二，14、微阵列整形透镜，141、镜体，142、凸整形柱面，143、凹整形柱面，15、接收传感器，16、光纤，17、光纤分束器，18、光纤准直器，19、优化前的荧光，20、优化后的荧光，21、光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施中的技术方案进行清楚，完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1至图3所示，本发明实施例1提供的一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜，应用在基因遗传检测荧光系统中，微阵列整形透镜14包括镜体141和设置在镜体141上的八个凸整形柱面142和九个凹整形柱面143，镜体141呈板状的长方形结构，八个凸整形柱面142和九个凹整形柱面143交错设置在镜体141面积较大的一面上，相邻两个凹整形柱面143之间设置一个凸整形柱面142，凸整形柱面142和凹整形柱面143相间分布，以图3视角观察时，凸整形柱面142和凹整形柱面143在长度方向上呈平行。凸整形柱面142和凹整形柱面143的表面为均为曲面结构。

在基因遗传检测荧光系统中，微阵列整形透镜14设置在毛细管阵列10与接收传感器15之间。

将n根毛细管的荧光对应的传感器分成nx20个区域，一根毛细管对应1x20个区域，这20个区域将光谱分割成20段，将每一段内的信号值累计。就可以描绘出如图12所示的光谱-信号强度分布图。如图12所示，八个凸整形柱面142和九个凹整形柱面143构成微棱镜阵列，微棱镜可以对光束整形，改变光束的能量分布。

图13为光束整形前的单色光谱能量分布图，图14为光束整形后的单色光谱能量分布图。如图15所示的信号处理后的单色光谱能量分布图，只需要降低序号2与4的信号强度，就可以提高相邻光谱的分离度。由于微棱镜阵列的光束整形，以该颜色的光谱为例，序号1，3，4，7，9的信号得到增强，对于我们的应用，只需要降低序号2与4的信号，将其它部分增强的信号去除，就得到了除序号2与4其它部分未调整前的信号强度。

凸整形柱面142和凹整形柱面143的焦距取值范围满足-5f₁₃<f_柱<3.5f₁₃；凸整形柱面与相机上荧光峰值所在的区域相对应，且宽度不超过2个序号的宽度。f₁₃的取值范围在45mm至85mm之间。

如图9至图11所示，优化前的荧光19光谱分离度小，优化后的荧光20光谱分离度大，荧光穿过凸整形柱面142和凹整形柱面143时，能够增加光谱分离度，减少荧光的重叠，优化显色结果，从而提高后续对基因遗传信息分析的精度。

实施例2

如图4所示，本发明实施例2提供一种用于基因遗传检测的荧光系统，包括实施例1中的微阵列整形透镜14，微阵列整形透镜14设置在荧光激发系统和接收传感器15之间，荧光激发系统对带有荧光标记物的DNA片段激光照射后所散发出的荧光经过微阵列整形透镜14优化后传递给接收传感器15进行分析，以此分析出基因遗传信息。接收传感器15可以是CCD相机或CMOS相机。

荧光激发系统包括激光器1、分光装置和毛细管阵列10，其中激光器1负责发射激光，分光装置将激光器1发出的激光分成两束，毛细管阵列10的两侧分别设置有一个反射镜一，为了便于描述，将两个反射镜一分别命名为反射镜一a6和反射镜一b7。反射镜一a6和反射镜一b7的作用是分别反射分光装置分出的两束激光，让两束激光从毛细管阵列10的两侧共轴相对照射，将毛细管阵列10内带有荧光标记物的DNA片段激发。

分光装置包括一个分光镜4和一个反射镜二5，激光器1所发出的激光经过滤镜2处理后射到分光镜4上，分光镜4能够反射和折射激光，被分光镜4反射的激光射到反射镜二5上后被反射镜二5反射到反射镜一a6上，被分光镜4折射的激光射到反射镜一b7上。反射镜一a6与毛细管阵列10之间设置有聚焦透镜9，反射镜一b7与毛细管阵列10之间也设置有聚焦透镜9。反射镜一a6与反射镜一b7反射的激光分别穿过毛细管阵列10两侧的聚焦透镜9后在毛细管阵列10内合成交汇，使得带有荧光标记物的DNA片段通过毛细管阵列10窗口时被均匀激发。

微阵列整形透镜14与毛细管阵列10之间设置有荧光采集系统，荧光采集系统包括镜头一11、光栅12和镜头二13，毛细管阵列10中被激发的荧光依次穿过镜头一11、光栅12和镜头二13后照射到微阵列整形透镜14上，荧光经过微阵列整形透镜14优化后传递给接收传感器15。镜头一11能够收集荧光，并将发散的荧光束变成平行光束；光栅12能够将混合荧光以一定的角度分离开；镜头二13能够将分离开的荧光汇聚到相机靶面的不同位置。

镜头一11、光栅12、镜头二13、微阵列整形透镜14可以与接收传感器15整合成一个光谱仪21。

由于微阵列整形透镜14的整形作用，本实施例的荧光系统可最多使用八种颜色的荧光用于基因遗传检测，突破了以往最多使用六种荧光的局面，提高了遗传基因信息分析的技术水平。

实施例3

如图5所示，在实施例2的基础上，本发明实施例3进一步提出一种用于基因遗传检测的荧光系统的改进方案，在滤镜2和分光镜4之间设置偏振棱镜3，偏振棱镜3能够净化激光，滤镜2能够滤除谐波，得到更加纯净的激光束；在反射镜一与聚焦透镜9之间设置半波片8，半波片8能够调整偏振光极化方向，激发效率最大化。

实施例4

如图6所示，在实施例2的基础上，本发明实施例4提出一种用于基因遗传检测的荧光系统，实施例4的技术方案与实施例2的技术方案的区别在于分光装置，实施例4的分光装置包括一个光纤分束器17和两个光纤准直器18，激光器1与光纤分束器17之间通过光纤16连接，两个光纤准直器18与光纤分束器17之间分别通过光纤16连接，这样，激光器1所发出的激光经过光纤16传递到光纤分束器17后被分成两束激光，两束激光分别通过光纤16传递到光纤准直器18中，之后两个光线准直器发出的激光分别经过两个反射镜一后分别穿过两个聚焦透镜9并照射到毛细管阵列10上。通过设置光纤分束器17和光纤准直器18的方式对激光器1发射的激光进行分光，抗干扰能力强，不易受环境光的影响。

实施例5

如图7所示，在实施例4的基础上，本发明实施例5提出一种用于基因遗传检测的荧光系统，实施例5与实施例4的区别在于荧光采集系统，实施例5的荧光采集系统为光纤16，从毛细管阵列10发出的荧光经过光纤16传递到整合后的光谱仪21中，经过光谱仪21中的镜头一11、光栅12、镜头二13、微阵列整形透镜14传递给接收传感器15，其优点是能够节省空间，抗干扰能力强。

实施例6

如图8所示，在实施例5的基础上，本发明实施例6提出一种用于基因遗传检测的荧光系统，实施例6与实施例5的区别在于实施例6采用了两个激光器1工作，两个激光器1分别照射两个反射镜一，从而不需要使用分光装置进行分光。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于基因遗传检测的微阵列整形透镜，其特征在于，微阵列整形透镜（14）包括镜体（141）和设置在镜体（141）上的八个凸整形柱面（142）和九个凹整形柱面（143），所述凸整形柱面（142）和凹整形柱面（143）相间分布，所述凸整形柱面（142）和凹整形柱面（143）在长度方向上呈平行，所述凸整形柱面（142）和凹整形柱面（143）的表面均为曲面结构且凸整形柱面（142）和凹整形柱面（143）的焦距取值范围为-5 f₁₃< f_柱<3.5 f₁₃，其中，45mm≤f₁₃≤85mm，所述凸整形柱面（142）和凹整形柱面（143）用于提高荧光的光谱分离度。

2.一种用于基因遗传检测的荧光系统，包括权利要求1所述的微阵列整形透镜（14），其特征在于，还包括荧光激发系统和接收传感器（15），所述荧光激发系统射出的激光经过微阵列整形透镜（14）优化后传递给接收传感器（15）。

3.根据权利要求2所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述荧光激发系统包括激光器（1）、分光装置和毛细管阵列（10），所述激光器（1）发出的激光经过分光装置分成两束激光，两束激光从毛细管阵列（10）的两侧共轴相对的对毛细管阵列（10）照射。

4.根据权利要求3所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述毛细管阵列（10）的两侧设置有聚焦透镜（9），所述分光装置分出的两束激光分别经过两个反射镜一反射到毛细管两侧的聚焦透镜（9）上，且两个反射镜一反射的激光共轴。

5.根据权利要求4所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述分光装置包括光纤分束器（17）和两个光纤准直器（18），所述激光器（1）发出的激光经过光纤（16）传递给光纤分束器（17）后分别通过两个光纤准直器（18）照射到两个反射镜一上。

6.根据权利要求4所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述分光装置包括分光镜（4）和反射镜二（5），所述激光器（1）发出的激光经过分光镜（4）反射的部分射到反射镜二（5）上并被反射镜二（5）反射到其中一个反射镜一上，所述激光器（1）发出的激光经过分光镜（4）折射后的部分射到另一个反射镜一上。

7.根据权利要求6所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述激光器（1）和分光镜（4）之间设置有滤镜（2）和偏振棱镜（3），所述激光器（1）发出的激光穿过滤镜（2）和偏振棱镜（3）后射到分光镜（4）上。

8.根据权利要求7所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述反射镜一和聚焦透镜（9）之间设置有半波片（8）。

9.根据权利要求3所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述毛细管阵列（10）和微阵列整形透镜（14）之间依次设置有镜头一（11）、光栅（12）和镜头二（13）。

10.根据权利要求2所述的一种用于基因遗传检测的荧光系统，其特征在于，所述荧光激发系统包括毛细管阵列（10）、两个激光器（1）和两个反射镜一，两个反射镜一和毛细管阵列（10）之间分别设置有聚焦透镜（9），两个所述激光器（1）发射的激光分别射向两个反射镜一，两个所述反射镜一分别从毛细管阵列（10）的两侧相对反射激光，两个所述反射镜一所反射的激光分别穿过两个聚焦透镜（9）后交汇在毛细管阵列（10）上。