CN117929332A - 一种用于法医dna检测的光电检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于法医DNA检测的光电检测装置，包括：半导体激光器，用于发射预设波长的激光；光纤分束器，入光侧与半导体激光器的激光发射口相对应，出光侧形成多个激光出射口，以将入射激光均分为多束能量相等的子激光束；多个激光调节部，分别沿各子激光束的光路方向设置于各激光出射口处，以用于调制聚焦；被激发装置，设置于多个激光调节部的聚焦中心，以用于激发产生荧光；分光器，设置于被激发装置的出光侧，以用于分光聚焦；光电转换部，设置于分光器的出光侧，以用于光电转换。该光电检测装置采用光纤分束器对激光进行精确分束，使得各光路能量一致，激发更为均匀，并且，采用光纤传输避免了镜片长时间裸露。

Description

一种用于法医DNA检测的光电检测装置

技术领域

本发明涉及一种用于法医DNA检测的光电检测装置，属于生物分析仪器技术领域。

背景技术

由于人类基因工程区产生的大规模基因信息需求，DNA检测技术近年来成为科学家们的关注焦点，目前需要更加快速、简便和低成本的DNA序列以及DAN分子特异性杂交等的检测工具及方法。大多数早期的DNA杂交检测技术主要利用光学显微镜等实验设备，例如，通过激光共聚焦显微镜检测系统识别荧光标记物来检测DNA杂交信号，但是这项技术的发展由于检测仪器体积庞大，成本昂贵受到了严重的限制，因此逐渐被越来越多简便、低成本的检测技术替代。

目前，DNA电传感器和高密度DNA阵列已经得到广泛应用，尤其在DNA检测中起到了重要的作用。DNA电传感器技术的实质是将DNA碱基配对的杂交信息转化为可识别的电信号，它提供了在分子级别上的DNA检测和信号转换的接口，能够较好地与计算机技术相结合，读取DNA的杂交信号，得到所需要的检测结果。其中，有将DNA探针分子直接固定到电极表面用于DNA电化学杂交检测，还有利用微流控系统实现DNA杂交信号的电检测；然而，这些方法还很难完全实现DNA单碱基错配的检测，并且检测到的电信号非常微弱，通常需要增加纳米颗粒或者酶标记物实现信号增强的步骤来完成检测过程，耗费大量的检测时间。因此，为了解决以上问题，亟待设计出一种新型DNA光电检测技术，利用可见光信号强弱的变化检测DNA杂交信号。

在公布号为CN102297854A的中国专利申请中，公开了一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统。该系统包括激光发射装置、被激发装置、分光装置、光电转换装置以及信号处理装置，在激光发射装置的发出光束经准直后的光路上、发射光束经偏振分光后的光路上或发射光束经多个偏振光分为多束光后的分光光路上设置有1/2波片。然而，该系统存在以下技术缺陷：(1)使用半反半透镜分光带来的上下两路能量不一致性的问题；(2)在长时间的使用下，由于镜片等部件裸露造成镜片落灰和水汽，从而引起激发效率降低的问题；(3)透镜产生的球差和彗差问题，影响光电检测系统对微弱荧光信号的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于法医DNA检测的光电检测装置。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于法医DNA检测的光电检测装置，包括：

半导体激光器，用于发射预设波长的激光；

光纤分束器，所述光纤分束器的入光侧与所述半导体激光器的激光发射口相对应，以接收所述半导体激光器发射的激光；所述光纤分束器的出光侧形成多个激光出射口，以将所述半导体激光器发射的激光均分为多束能量相等的子激光束；

多个激光调节部，分别沿各子激光束的光路方向设置于各所述激光出射口处，以分别对各所述子激光束进行调制聚焦；

被激发装置，设置于所述多个激光调节部的聚焦中心，以用于接收经过调制聚焦后的子激光束，并激发产生荧光；

分光器，沿所述荧光的光路方向设置于所述被激发装置的出光侧，以对所述荧光进行分光聚焦；

光电转换部，沿所述荧光的光路方向设置于所述分光器的出光侧，以对分光聚焦后的荧光进行光电转换。

其中较优地，所述光纤分束器包括平直段和分叉段；

所述平直段的第一端与所述半导体激光器的激光发射口相对应，以接收所述半导体激光器发射的激光：

所述分叉段包括多个尺寸形状一致的光纤束，每一个所述光纤束的第一端均与所述平直段的第二端连接，每一个所述光纤束的第二端形成一个所述激光出射口。

其中较优地，所述光纤束的数量为N，其中，N为大于或等于2的正整数。

其中较优地，所述分叉段包括两个光纤束，并且所述两个光纤束关于所述平直段的轴线对称设置；所述激光出射口射出的子激光束与所述平直段的轴线相垂直。

其中较优地，所述分叉段呈Y型或C型。

其中较优地，所述激光调节部包括：

第一反射镜，设置于所述激光出射口处，以用于对所述子激光束进行第一次反射，从而改变所述子激光束的光路方向；

带通滤光片，沿所述子激光束的光路方向设置于所述第一反射镜的出光侧，以用于对经过第一次反射后的子激光束进行滤光；

波片，沿所述子激光束的光路方向设置于所述带通滤光片的出光侧，以用于对滤光后的子激光束进行偏振调制；

光阑，沿所述子激光束的光路方向设置于所述波片的出光侧，以用于对偏振调制后的子激光束进行准直；

第二反射镜，沿所述子激光束的光路方向设置于所述光阑的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行第二次反射，从而再次改变所述子激光束的光路方向；

会聚透镜，沿所述子激光束的光路方向设置于所述第二反射镜的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行聚焦，并使得聚焦后的子激光束射向所述被激发装置。

其中较优地，所述波片为1/2波片，以用于调整所述子激光束的偏振模式，使得所述子激光束的偏振方向与所述被激发装置的偏振选择性方向一致。

其中较优地，所述分光器包括：

准直透镜，设置于所述被激发装置的出光侧，以用于对所述荧光进行准直；

光栅，设置于所述准直透镜的出光侧，以用于对经过准直后的荧光进行分光；

成像透镜，设置于所述光栅的出光侧，以用于对经过分光后的荧光进行聚焦后成像到所述光电转换装置；

其中，所述成像透镜接收的荧光信号具有两个维度的信息，一个维度表征特定光谱信息，另一个维度表征光纤阵列的空间排列。

其中较优地，所述被激发装置包括：

外框，所述外框具有多个入射窗口，各所述入射窗口分别与各所述激光调节部相对应；

毛细管阵列，均匀排列于所述外框内，并且每一根所述毛细管内均容置有被激光物质。

与现有技术相比较，本发明具有以下的技术效果：

1.通过半导体激光器与光纤束高效率耦合，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器对激光进行精确的分束，以将入射激光均分为多束能量相等的子激光束，使得各光路激发更为均匀，从而弥补了现有DNA遗传分析仪中采用的半反半透镜分光带来的上下两路能量不一致性的问题。

2.光纤输入的方式减少了现有DNA遗传分析仪中裸露镜片的使用，弥补了设备长时间使用由于镜片裸露而造成镜片落灰和水汽，从而引起的激发效率降低的问题。

3.通过设置激光调节部进行合理的光路调整，从而有效地抑制了透镜产生的球差和彗差，在激发效率上达到了较高水平，能够满足光电检测系统微弱荧光信号的检测要求。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的一种用于法医DNA检测的光电检测装置的结构图；

图2为本发明第一实施例中，激光调节部与被激发装置的组合结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明实施例提供的用于法医DNA检测的光电检测装置的核心思路在于：通过半导体激光器与光纤束高效率耦合，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器对激光进行精确的分束，以将入射激光均分为多束能量相等的子激光束，使得各光路激发更为均匀，从而弥补了现有DNA遗传分析仪中采用的半反半透镜分光带来的上下两路能量不一致性的问题。同时，光纤输入的方式减少了现有DNA遗传分析仪中裸露镜片的使用，弥补了设备长时间使用由于镜片裸露而造成镜片落灰和水汽，从而引起的激发效率降低的问题。

第一实施例

如图1所示，本发明第一实施例提供的一种用于法医DNA检测的光电检测装置，包括半导体激光器1、光纤分束器2、激光调节部3、被激发装置4、分光器5以及光电转换部6。

其中，半导体激光器1用于发射预设波长的激光。光纤分束器2的入光侧与半导体激光器1的激光发射口相对应，以接收半导体激光器1发射的激光；光纤分束器2的出光侧形成多个激光出射口201，以将半导体激光器发射的激光均分为多束能量相等的子激光束。多个激光调节部3分别沿各子激光束的光路方向设置于各激光出射口201处，以分别对各子激光束进行调制聚焦。被激发装置4设置于多个激光调节部3的聚焦中心，以用于接收经过调制聚焦后的子激光束，并激发产生荧光。分光器5沿荧光的光路方向设置于被激发装置4的出光侧，以对荧光进行分光聚焦。光电转换部6沿荧光的光路方向设置于分光器5的出光侧，以对分光聚焦后的荧光进行光电转换。由此，可将经过光电转换后形成的电信号输入信号处理装置(图中未示出)，以进行信号处理。

在上述实施例中，优选地，半导体激光器1为多模态激光器，以根据不同检测场景发射不同形态的激光，从而提高整个光电检测装置的适用性。然而在其他实施例中，也可以根据需要对半导体激光器1进行适应性调整，在此不作具体阐述。

如图1所示，在上述实施例中，该光纤分束器2包括依次连接的平直段21和分叉段22。其中平直段21的第一端(即图1中的左端)与半导体激光器1的激光发射口相对应，以接收半导体激光器发射的激光，该平直段21的第二端(即图1中的右端)用于与分叉段22连接。该分叉段22包括多个尺寸形状一致的光纤束221，本实施例中，光纤束221的数量为两个，在其他实施例中，该光纤束221的数量也可以为3个、4个或更多。其中，每一个光纤束221的第一端(即图1中的左端)均与平直段21的第二端连接，并且，每一个光纤束221的第二端(即图1中的右端)均形成一个激光出射口201。

可以理解的是，基于上述光纤分束器2的具体结构可知，当半导体激光器1发射出激光后，激光经过耦合会从平直段21的第一端进入到平直段21内；然后，随着激光传输至平直段21的第二端，利用两个尺寸形状一致的光纤束221将该激光进行精确分束，从而将该入射激光均分为两束能量相等的子激光束；随后，两个子激光束分别沿两个光纤束221进行传输，直至传输至各光纤束221对应的激光出射口201处，从而利用设置于激光出射口201处的激光调节部3分别对各子激光束进行调制聚焦。

在上述实施例中，优选地，两个光纤束221关于平直段21的轴线对称设置，激光出射口201射出的子激光束与平直段的轴线相垂直。也即：本实施例中，当入射激光沿水平方向进入平直段21内后，会沿竖直方向从上下两个激光出射口201射出，以便于各子激光束能够顺利进入到激光调节部3内，从而有利于整体结构的布局。可以理解的是，本实施例中，该光纤束221的具体形状仅为一种较优的实施方式，在其他实施例中，可根据需要对光纤束221的形状和尺寸进行适应性调整，以满足不同场景的检测需求。

如图2所示，在上述实施例中，优选地，激光调节部3包括第一反射镜31、带通滤光片32、波片33、光阑34、第二反射镜35和会聚透镜36。其中，第一反射镜31设置于激光出射口201处，以用于对子激光束进行第一次反射，从而改变子激光束的光路方向(即：从竖直方向改变为水平方向)。带通滤光片32沿子激光束的光路方向(此时为水平方向)设置于第一反射镜31的出光侧，以用于对经过第一次反射后的子激光束进行滤光。波片33沿子激光束的光路方向设置于带通滤光片32的出光侧，以用于对滤光后的子激光束进行偏振调制。光阑34沿子激光束的光路方向设置于波片33的出光侧，以用于对偏振调制后的子激光束进行准直。第二反射镜35沿子激光束的光路方向设置于光阑34的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行第二次反射，从而再次改变子激光束的光路方向(即：从水平方向改变为竖直方向)。会聚透镜36沿子激光束的光路方向(此时为竖直方向)设置于第二反射镜35的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行聚焦，并使得聚焦后的子激光束射向被激发装置4。

在上述实施例中，优选地，波片33为1/2波片，以用于调整子激光束的偏振模式，使得子激光束的偏振方向与被激发装置4的偏振选择性方向一致。

继续参照图2所示，在上述实施例中，优选地，被激发装置4包括外框41和毛细管阵列42。其中，外框41具有多个入射窗口411，本实施例中，为上下各开设一个入射窗口411，以分别对应上下两个激光调节部3。如图2所示，两个入射窗口411分别与两个激光调节部3的会聚透镜36相对应，以使得聚焦后的子激光束能够分别通过上下两个入射窗口411射向均匀排列于外框内毛细管阵列42。该毛细管阵列42的每一根毛细管内均容置有被激光物质(本实施例中为荧光染料)，上下两束子激光束会对毛细管中流经的荧光染料进行激发，光束在毛细管中，逐根穿过毛细管阵列，会经过自聚焦和发散的一系列过程，能量逐渐衰减，由于光束从两个对应的方向入射，会使得整个毛细管阵列42的各根毛细管中吸收的激光能量和产生的荧光量基本一致。

如图1所示，在上述实施例中，该分光器5包括准直透镜51、光栅52以及成像透镜53。其中，准直透镜51设置于被激发装置4的出光侧，以用于对荧光进行准直。光栅52设置于准直透镜51的出光侧，以用于对经过准直后的荧光进行分光。成像透镜53设置于光栅52的出光侧，以用于对经过分光后的荧光进行聚焦后成像到光电转换装置6，该成像透镜53接收的荧光信号具有两个维度的信息，一个维度表征特定光谱信息，另一个维度上表征光纤阵列的空间排列。

综上可知，本发明第一实施例提供的一种用于法医DNA检测的光电检测装置，通过半导体激光器与光纤束高效率耦合，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器2对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量比较精确的达到1：1，使上下光路激发更为均匀，弥补了现有DNA遗传分析仪中采用的半反半透镜分光带来的上下两路能量不一致性的问题。同时，光纤输入的方式减少了现有DNA遗传分析仪中裸露镜片的使用，弥补了设备长时间使用由于镜片裸露造成镜片落灰和水汽引起的激发效率降低的问题。此外，通过设置激光调节部3进行合理的光路调整，从而有效地抑制了透镜产生的球差和彗差，在激发效率上达到了较高水平，能够满足光电检测系统微弱荧光信号的检测要求。

第二实施例

在上述第一实施例的基础上，本发明第二实施例提供另一种用于法医DNA检测的光电检测装置。该光电检测装置包括半导体激光器1、光纤分束器2、多个激光调节部3、被激发装置4、分光器5以及光电转换部6。与第一实施例相比，本实施例的区别之处在于，光纤分束器2的结构形式不同。

本实施例中，可根据需要设置不同数量的光纤束，以对入射激光进行不同程度的能量均分，以适应不同场景的检测需求。可以理解的是，该光纤束221的数量不限定于2或3，还可根据需要进行适应性调整，在此不作具体限定。

本实施例除上述区别之外，其他结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。

需要说明的是，上述多个实施例只是举例，各个实施例的技术方案之间可以进行组合，均在本发明的保护范围内。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上面对本发明提供的用于法医DNA检测的光电检测装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种用于法医DNA检测的光电检测装置，其特征在于包括：

半导体激光器，用于发射预设波长的激光；

光纤分束器，所述光纤分束器的入光侧与所述半导体激光器的激光发射口相对应，以接收所述半导体激光器发射的激光；所述光纤分束器的出光侧形成多个激光出射口，以将所述半导体激光器发射的激光均分为多束能量相等的子激光束；

多个激光调节部，分别沿各子激光束的光路方向设置于各所述激光出射口处，以分别对各所述子激光束进行调制聚焦；

被激发装置，设置于所述多个激光调节部的聚焦中心，以用于接收经过调制聚焦后的子激光束，并激发产生荧光；

分光器，沿所述荧光的光路方向设置于所述被激发装置的出光侧，以对所述荧光进行分光聚焦；

光电转换部，沿所述荧光的光路方向设置于所述分光器的出光侧，以对分光聚焦后的荧光进行光电转换。

2.如权利要求1所述的光电检测装置，其特征在于所述光纤分束器包括平直段和分叉段；

所述平直段的第一端与所述半导体激光器的激光发射口相对应，以接收所述半导体激光器发射的激光：

所述分叉段包括多个尺寸形状一致的光纤束，每一个所述光纤束的第一端均与所述平直段的第二端连接，每一个所述光纤束的第二端形成一个所述激光出射口。

3.如权利要求2所述的光电检测装置，其特征在于：

所述光纤束的数量为N，其中，N为大于或等于2的正整数。

4.如权利要求2所述的光电检测装置，其特征在于：

所述分叉段包括两个光纤束，并且所述两个光纤束关于所述平直段的轴线对称设置；所述激光出射口射出的子激光束与所述平直段的轴线相垂直。

5.如权利要求4所述的光电检测装置，其特征在于：

所述分叉段呈Y型或C型。

6.如权利要求1所述的光电检测装置，其特征在于所述激光调节部包括：

第一反射镜，设置于所述激光出射口处，以用于对所述子激光束进行第一次反射，从而改变所述子激光束的光路方向；

带通滤光片，沿所述子激光束的光路方向设置于所述第一反射镜的出光侧，以用于对经过第一次反射后的子激光束进行滤光；

波片，沿所述子激光束的光路方向设置于所述带通滤光片的出光侧，以用于对滤光后的子激光束进行偏振调制；

光阑，沿所述子激光束的光路方向设置于所述波片的出光侧，以用于对偏振调制后的子激光束进行准直；

第二反射镜，沿所述子激光束的光路方向设置于所述光阑的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行第二次反射，从而再次改变所述子激光束的光路方向；

会聚透镜，沿所述子激光束的光路方向设置于所述第二反射镜的出光侧，以用于对经过准直后的子激光束进行聚焦，并使得聚焦后的子激光束射向所述被激发装置。

7.如权利要求6所述的光电检测装置，其特征在于：

所述波片为1/2波片，以用于调整所述子激光束的偏振模式，使得所述子激光束的偏振方向与所述被激发装置的偏振选择性方向一致。

8.如权利要求1所述的光电检测装置，其特征在于所述分光器包括：

准直透镜，设置于所述被激发装置的出光侧，以用于对所述荧光进行准直；

光栅，设置于所述准直透镜的出光侧，以用于对经过准直后的荧光进行分光；

成像透镜，设置于所述光栅的出光侧，以用于对经过分光后的荧光进行聚焦后成像到所述光电转换装置；

其中，所述成像透镜接收的荧光信号具有两个维度的信息，一个维度表征特定光谱信息，另一个维度表征光纤阵列的空间排列。

9.如权利要求1所述的光电检测装置，其特征在于所述被激发装置包括：

外框，所述外框具有多个入射窗口，各所述入射窗口分别与各所述激光调节部相对应；

毛细管阵列，均匀排列于所述外框内，并且每一根所述毛细管内均容置有被激光物质。