CN202057600U

CN202057600U - 高效多模态激光诱导荧光光路激发系统

Info

Publication number: CN202057600U
Application number: CN2011201684679U
Authority: CN
Inventors: 许正光; 王守山; 庞晓东; 孙丹; 高宁; 崔海涛
Original assignee: First Research Institute of Ministry of Public Security; Beijing Zhongdun Anmin Analysis Technology Co Ltd
Current assignee: First Research Institute of Ministry of Public Security; Beijing Zhongdun Anmin Analysis Technology Co Ltd
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-05-23

Abstract

本实用新型提供一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统，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，其特征在于，在所述激光发射装置的发出光束经准直后的光路上、所述发射光束经偏振分光后的光路上或所述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。本实用新型所提供的激发系统可以使得激发光的偏振态和被激发系统的偏振选择性方向一致，同等功率下能使得激发的拉曼荧光信号强度提高20％～50％，当原有偏振态匹配性较差的时候，能够提升50％～80％甚至更高。

Description

高效多模态激光诱导荧光光路激发系统

技术领域

本实用新型涉及一种荧光诱导装置，具体涉及到一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统。

背景技术

激光诱导荧光光路激发系统主要应用于蛋白质、DNA等生物分析和检测领域，以及大分子团有机化学的光谱分析仪器设备。

如图1所示，其光路装置的基本原理和结构为：激光器1产生激光光束，经过滤光片2后，经过会聚透镜3会聚，进入由由入射窗口4、装载被激发物质的容器5、被激发物质6、出射窗口7组成的被激发系统，被激发物质6吸收激光能量后，能级跃迁发出荧光或拉曼光8，经过由准直透镜组9、分光元件10、成像透镜组11等部分组成的分光系统来分光，不同波长的光谱12按照空间位置分离，聚焦成像到光电传感器13上，经光电转化后，获得的一定信噪比的电信号，传输到后端系统进行分析处理。

其中，激光器1指多模态激光器装载被激发物质的容器5通常是透明材质的石英、有机玻璃等等，材质要求对被激发出来的有效荧光信号或拉曼光信号的光谱较好地透过。光电传感器13是弱光信号传感器，通常有光电倍增管、CCD或者光电二极管。被激发物质6通常有DNA、蛋白质、大分子有机化学物质或者可均匀悬浮在液体中的待检测物质等等。

本实用新型专利中提高的激光诱导荧光装置通常有以下2种型式：共聚焦光路结构型式和正交光路结构型式。共聚焦结构型式的技术特点是：激发光路和检测光路的光轴方向相同。正交结构型式技术特点是：激光入射方向与荧光检测方向垂直或者成0～90°之间的某个角度。

这两种型式的光路，都受光源偏振性和被激发系统偏振性对激发效率的影响：激光器发出的激光，通常具有一定的偏振状态(偏振方向)，而被激发系统(尤其是大分子有机化合物质、晶体材料制作的承载容器)通常也有一定的偏振方向选择性，如果两种偏振性不一致，被激发物质的吸收效率将不同程度的降低，由此激发出来的荧光或拉曼光信号强度将达不到最高激发效果。

激发出来的荧光或拉曼信号的强度通常比激发光要弱得多，例如荧光强度通常只有激发光强度的百分之一到万分之一强度，而拉曼光通常只有激发光强度的万分之一到百万分之一。因此，有效提升激发效率、提升信噪比，是激光诱导荧光检测系统的关键性能指标。

通常试图消除这种偏振选择性的优化方法有两种：

第一种是通过设置特定波长的1/4波片，将线偏振光或椭圆偏振光经过调整至圆偏振光，从而降低偏振光对被激发系统的影响。其缺点是不能影响被激发系统4的偏振方向选择性，被激发系统4对符合其偏振选择方向的激光能量有较好的吸收，对偏振方向不一致的部分能量的吸收效率仍旧低。

第二种是精确测量激光光束的偏振方向，通过精密的结构调整方法，将被激发系统的偏振选择方向与激光光束的偏振方向一致。该种优化方法的难点是，对于多模态的激光器产品，其出射光束的偏振方向，以及同一个激光器装置的多种波长的偏振方向，并不总是一致的；同时，对于需要对激光器进行分束的光路设计中，当前技术条件下设计制造的偏振分光片总是只能对多模态激光器出射的多种波长当中的某一个特定波长的S光分量和P光分量精确进行分束。这种困难尤其体现在产品的批量生产中，设计人员对每一种情况进行单独设计制作以达到最优的情况缺乏可操作性。

实用新型内容

针对上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统，以解决现有技术的激光诱导荧光光路装置激发效率低的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统，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，所述激光发射装置为多模态激光器，其发射光线经一滤光片滤光后，经过第一反射镜改变光路方向再经一偏振分光片分光，分光后的部分光线经过第二反射镜反射后射入所述被激发装置一侧，另一部分光线经两个对应的第三、第四反射镜后从所述被激发装置另一侧射入，两股光路激发所述被激发装置中的被激发物质发出荧光或拉曼光，经分光装置聚焦到所述光电转换装置，获得电信号传输到所述信号处理装置，在所述偏振分光片和所述第二反射镜之间，以及所述第三、第四反射镜之间都设置有1/2波片。

依照本实用新型较佳实施例所述的激发系统，所述被激发装置进一步包括一设置有透明窗口的容器，该容器内容置有被激发物质。

依照本实用新型较佳实施例所述的激发系统，所述第四反射镜与所述被激发装置之间，以及所述第二反射镜和所述被激发装置之间各设置有一会聚透镜。

依照本实用新型较佳实施例所述的激发系统，所述分光装置包括准直透镜组、光栅以及成像透镜组，所述准直透镜组设置在所述被激发装置的出光方向经过光栅调整后光线射入所述成像透镜组聚焦后成像到所述光电转换装置。

依照本实用新型较佳实施例所述的激发系统，所述1/2波片安装在一波片安装调整装置上，所述波片安装调整装置包括安装座、安装在所述安装座上设置有转轮的安装架、用来锁紧所述安装架的波片架紧锁圈以及波片压环，所述1/2波片通过所述波片压环和若干个垫圈设置在所述安装架上。

由于采用了以上的技术特征，使得本实用新型相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：

本实用新型通过在多模态激光的光路中，在对单光束激发的情形下准直之后的光路上任何位置、对激光束经过偏振分光片分光之后的情形下分光后的光路上的任何位置或对激光束经过多个偏振分光片分为多束光的情形下分光后的光路上的任何位置，设置若干片1/2波片来调整激发光束特定波长的偏振模式(见附图五)，从而使得激发光的偏振态和被激发系统的偏振选择性方向一致，同等功率下能使得激发的拉曼荧光信号强度提高20％～50％，当原有偏振态匹配性较差的时候，能够提升50％～80％甚至更高。

附图说明

图1是激光诱导荧光装置基本原理结构图；

图2是1/2波片偏振原理图；

图3是本实用新型提供的波片安装调整装置分解图；

图4是本实用新型一种实施例的架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的几个优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。

本实用新型的核心思想在于：通过在多模态激光的光路中，在合适的位置，设置合适的波片装置(一片或者多片)来调整激发光束特定波长的偏振模式，从而使得激发光的偏振态和被激发系统的偏振选择性方向一致，同等功率下能使得激发的拉曼荧光信号强度提高20％～50％，当原有偏振态匹配性较差的时候，能够提升50％～80％甚至更高。

对单光束激发的情形，设置在准直之后的光路上任何位置；对激光束经过偏振分光片分光之后的情形，偏振分光片设置在分光后的光路上的任何位置；对激光束经过多个偏振分光片分为多束光的情形，偏振分光片设置在分光后的光路上的任何位置。

如图2所示，1/2波片37偏转振动方向的基本原理是光学专业的基本原理，本文中不作累述。基本概念简述如下：入射光为单色光，其偏振分量为S分量(振动方向如图四)和P分量(振动方向如图四)决定，只有S分量或者只有P分量时，称为线偏振光。包含有S分量和P分量的光束为椭圆偏振光。二分至一波片的作用是，改变偏振方向90度，即如图出射光的振动方向与入射光的振动方向，相差90度。

如图3所示，本实用新型中的1/2波片通常通过以下波片安装调整装置来固定位置。本实用新型所提及的波片安装调整装置包括波片压环38、橡胶垫圈39、二1、2波片40、垫圈41、波片安装架42、波片安装座43、波片架紧锁圈44、紧锁螺钉46、紧锁螺钉50等部分组成。

其中，波片压环38的作用是将波片受力均匀的紧固在波片安装架上，波片压环与波片安装架之间的连接关系细牙螺纹紧固，永久性安装时可涂上螺纹胶。波片安装架42安装在波片安装座如图所示的圆孔内，配合公差在+0.01～+0.05mm，能自由旋转，但晃动量又小。波片安装座43的安装高度由实际系统光轴距离安装面的高度决定。波片安装架42的转轮48的作用是手动或者借助其他工装准确旋转波片角度，从而获得上文提及的要达到的最佳效果。紧锁螺钉46的作用是，调试完成后，使得波片安装架紧锁圈44和波片安装架42通过螺孔49紧固在一起，减少由于震动引起的波片位置、角度变化。紧锁螺钉50的作用是使得波片安装架43与波片安装架42紧锁，安装在螺孔位置45。

通常而言，光路对波片的角度灵敏度一般为1～3°左右，本结构采用带大滚轮的波片安装架42(转轮直径大于波片直径2倍)。例如波片直径12mm，那么滚轮直径在24mm以上，调整量在0.5mm～1.5mm。徒手旋转该转轮，凭借手的感知，即能够达到该精度。也可设计这样的调节小棍47，在滚轮上每隔30度加工一个圆孔(见48上排列的孔，孔的直径2mm，深度5mm，共12个)，调节时，小棍工装47的一段插入一个孔中，手握住另外一端，通过手柄调节波片角度。小棍工装47可以设计在50mm～100mm左右，此时调整的角度定位范围可达1.7mm～5.1mm，能达到的角度定位精度比上述方法高2～4倍以上。

请参考图4，论述本实用新型一具体实施例的示意图，其包括激光器51，经过滤光片52后，经由反射镜53改变光路方向，经过偏振分光片54，经由反射镜55、56、57改变光路方向，经过焦距和相对口径相同的会聚透镜58、59，进入由装载被激发物质的容器60和被激发物质61两部分组成的被激发装置，被激发物质61吸收部分激光能量后发出荧光或拉曼光62，在装载被激发物质的容器60上通常设计透明窗口63，经过包含准直透镜组64、分光元件如光栅65成像透镜组66的分光装置，聚焦成像到光电传感器67上，从而获得一定信噪比的电信号传输到信号处理装置66中进行分析处理。

本例中提到的激光器51，指多模态激光器。装载被激发物质61的容器60通常是透明材质的石英、有机玻璃等等，材质要求对被激发出来的有效荧光信号或拉曼光信号的光谱较好地透过。光电传感器67是弱光信号传感器，通常有光电倍增管、CCD或者光电二极管。被激发物质61通常有DNA、蛋白质、大分子有机化学物质或者可均匀悬浮在液体中的待检测物质等等。本例中，采用相向入射双光路的目的，是使得两端的激发效果均匀一致。由于容器60在光轴69方向的长度较大，单光路的光能量在穿透物质时，能量逐渐降低，对另外一段的激发效果会显著下降，因此，采用相向双光路同时激发，以获得充分的激发效果。同时，已知被检测系统具有偏振选择性(即装在被检测物质的容器或被检测物质具有一定的偏振选择性)。被检测物质有2种拉曼光标记染料，分别为日本TaKaRa公司的6-FAM(最大吸收波长494nm，最大发射波长518nm)，HEX(最大吸收波长533nm，最大发射波长559nm)。

激光器为氩离子气体激光器。激光器功率50mW，光束直径1mm，包含有458nm，476nm，488nm，497nm，502nm，514.5nm等6条主要谱线，其中488nm和514.5nm谱线的能量占据总能量的80％以上，其中488nm能量和514.5nm能量比约为2∶1。

本实用新型专利所涉及的方法，在光路装置中通过图3所示的调整安装装置放置2个相同的1/2波片70、71。

放置该位置的原因有：(1)相对于被激发物质两端的光路元器件数量及光学性能参数完全一致，波片放置该位置状态完全一样，位置具有空间可交换性；(2)该位置的光程较长，适宜于结构上设置波片结构件，给波片的调试可以留下空间。

激光功率为50mW，经过分光后，每个波片表面的最大能量密度为50000w/m²，宜采用耐受辐射能量高的镀膜材料二氧化钛(TiO₂)作为增透膜材料(该材料耐受能量密度高达2x10⁶w/m²以上，该数据为可公开查阅资料)，且适宜于长期工作。

本实用新型专利所涉及的方法所提的1/2波片，如果系统优先考虑6-FAM染料所发出的拉曼光，则可设计488nm波长位置的1/2波片；如果系统优先考虑HEX染料所发出的拉曼光，则可设计514.5nm波长位置的1/2波片。如果要平衡兼顾二种染料，1/2波片的波长应当在488nm和514.5nm之间。

如表1可计算其效率。

表1

上表中X11，X12，X21，X22数据为实验测量数据。仅为举例说明方法的使用，仅供参考。代入实用新型内容第2条的公式(2)、(3)、(4)中，可以计算的特征波长λ的数值为501.25nm，即1/2波片的波长设计值。

以上公开的仅仅是本实用新型的几个具体实施例，但是并非用来限制其本身，任何熟习本领域的技术人员，在不违背本实用新型精神内涵的情况下，所做的均等变化和更动，均应落在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种高效多模态激光诱导荧光光路激发系统，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，其特征在于，所述激光发射装置为多模态激光器，其发射光线经一滤光片滤光后，经过第一反射镜改变光路方向再经一偏振分光片分光，分光后的部分光线经过第二反射镜反射后射入所述被激发装置一侧，另一部分光线经两个对应的第三、第四反射镜后从所述被激发装置另一侧射入，两股光路激发所述被激发装置中的被激发物质发出荧光或拉曼光，经分光装置聚焦到所述光电转换装置，获得电信号传输到所述信号处理装置，在所述偏振分光片和所述第二反射镜之间，以及所述第三、第四反射镜之间都设置有1/2波片。

2.如权利要求1所述的激发系统，其特征在于，所述被激发装置进一步包括一设置有透明窗口的容器，该容器内容置有被激发物质。

3.如权利要求1所述的激发系统，其特征在于，所述第四反射镜与所述被激发装置之间，以及所述第二反射镜和所述被激发装置之间各设置有一会聚透镜。

4.如权利要求1所述的激发系统，其特征在于，所述分光装置包括准直透镜组、光栅以及成像透镜组，所述准直透镜组设置在所述被激发装置的出光方向经过光栅调整后光线射入所述成像透镜组聚焦后成像到所述光电转换装置。

5.如权利要求1所述的激发系统，其特征在于，所述1/2波片安装在一波片安装调整装置上，所述波片安装调整装置包括安装座、安装在所述安装座上设置有转轮的安装架、用来锁紧所述安装架的波片架紧锁圈以及波片压环，所述1/2波片通过所述波片压环和若干个垫圈设置在所述安装架上。