CN204330595U - 一种实时多通道荧光检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时的多通道荧光检测系统，包括激发光光源、带有激发滤光片的滤光轮、N根激发光光纤束（N≥1）、样品模孔板、N根荧光接收光纤束（N≥1）、M通道马赛克滤光片（M≥1）、光学成像部件、具有弱光成像能力的图像传感器（CCD/CMOS）或者集成的带有空间分辨率的PMT光电转换单元、计算机图像处理系统。可实现在同一时刻获取分别对应于多个待测荧光物质不同特征光谱中心波长的多幅图像，高效率、低成本、实时定量的获取多种荧光物质自发荧光特征光谱随时间变化和空间分布多维信息。

Description

一种实时多通道荧光检测系统

技术领域

本发明涉及生化检测和体外医疗诊断设备，尤其涉及一种实时的多通道的荧光检测系统。

背景技术

现有的临床诊断、生化仪器采用荧光收集系统的设计方法是光纤光信号传输，分立滤光片分光，光电检测器接受荧光信号并进行光电转换，经前置放大和数据处理后分析计算原始基因含量和表达式，检测标本组织分子变异的情况。这种设计结构造价高，光的采集和光电转换复杂，真实样本信息获取的稳定性差，可测量的样本数目受限制。光电转换单元主要有光电倍增管（PMT）和图像传感器（CCD/CMOS）等。

光电倍增管（PMT）检测荧光的原理是将微弱光信号转换成电信号，当光照射到光电倍增管时，光阴极向真空中激发出光电子，光电子按聚焦板电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大，放大后的电子用阳极收集并作为信号输出。由于采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在紫外、可见光和近红外区的辐射能量的光电探测中有较高的灵敏度，在进行光学测量和光谱分析的临床诊断和生化仪器中得到广泛的应用。但是普通的光电倍增管只能测量一个通道，而且由于一次只能扫描到一个像素，因此扫描速度很慢。多个通道检测就需多个PMT，使得仪器成本十分昂贵。且光电倍增管在实际使用过程中，探测灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分恢复，出现“疲乏”现象；光电倍增管光阳极表面各点灵敏度不均匀。另外光电倍增管还需要附属电路如高压电源、放大和鉴别器、制冷室、磁屏蔽、管座等，这就使得整个系统的体积大，对环境的要求高，价格非常昂贵。

传统荧光收集单元多采用分立的滤光轮滤光，在大量的实验过程中，需要经常的调整滤光片轮使分立的滤光片获取不同的波长，这样不仅会产生人为的噪声，同时由于滤光片轮的机械移动会造成获取图像的位置偏移，影响获取图像信息的质量。且由于传统滤光轮的转动，如果接收光纤与滤光片紧密配合容易导致滤镜转盘碰撞后面的光学成像单元，造成滤光片的破裂；若接收光纤与滤光片稀疏配合，又导致杂散光漏入光学成像单元。

使用CCD/CMOS检测荧光的工作原理类似于数码相机。这种设计是将激发光通过照明光路照射到模孔板样品槽上，样品受激后产生的荧光通过另外一组反射镜，经分立滤光片分光后到达CCD/CMOS检测器。这种设计方法最大的优点就是可以同时扫描所有样品中的荧光信号。但是这种光路设计容易造成激发光的能量在模孔板中的样品上分布不均，从而导致模孔板中的样品发射荧光的强度不一致，影响最终的实验结果。另外这种设计使得整台仪器需要在极其平稳的环境中工作，因为稍微震动都可能引起反射镜位置的偏移。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种实时的多通道荧光检测系统，包括激发光光源、带有激发滤光片的滤光轮、N根激发光光纤束、样品模孔板、N根荧光接收光纤束、M通道马赛克滤光片、光学成像部件、具有弱光成像能力的图像传感器（CCD/CMOS）光电转换单元或者集成的带有空间分辨率的PMT、计算机图像处理系统。

其中，N根荧光接收光纤束一端设置在样品模孔板下方（本实施例中N为96根），N根荧光接收光纤束的每一根荧光接收光纤对应模孔板的一个样品管底部。

其中，N根荧光接收光纤束其出光端固定在固定盘上；M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤束的固定盘上。

其中，N根荧光接收光纤束每一根的出光端对应微滤光片的一个滤光微元，N个圆形滤光微元按正六边形、同心圆、矩形或其它规则图形或者无规则排列，具体视光纤的排列而定。

其中，微滤片上的N个圆形滤光微元的每个圆形滤光微元都等分成M个扇形通道，每个扇形通道对应一种波长。

其中，滤光微元的中心有一圆形遮光中心，扇形通道之间也有一道遮光区域，与中心圆形成辐射状。当接收光纤将样品的发射光λ1引到圆形滤光微元时，M个通道中对应于λ1的单个通道变亮起来，接收其荧光信号，M-1个的其它区域没有变化。同理，其它圆形滤光微元分别接收样品染料所发射其它不同波长λ2、λ3……λn的荧光，对应于λ2、λ3……λn的单个扇形通道变亮起来。即：当特定的荧光波长信号通过时，对应的通道接收其信号，不同荧光发射波长对应不同的通道，实时分裂出不同的荧光影像。

其中，M通道马赛克滤光片直接紧贴在光电转换单元或N根荧光接收光纤出光端固定盘的表面，或者将M通道马赛克滤光片直接镀膜制作在光电转换单元的表面或N根荧光接收光纤出光端固定盘。

其中，每个模孔板试管通过其相对应的荧光光纤与M通道马赛克滤光片的滤光微元对应，同时滤光微元与光电转换单元的像素组具有空间对应关系。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种实时多通道荧光检测系统包括激发光光源、带有激发滤光片的滤光轮、N根激发光光纤束、样品模孔板、N根荧光接收光纤束、M通道马赛克滤光片、光学成像部件、具有弱光成像能力的光电转换单元，计算机图像处理系统；

N根激发光光纤束出光端设置在样品模孔板底部，N根荧光接收光纤束出光端固定在固定盘上，M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端固定盘，光学成像单元放置在带有马赛克滤光片的N根荧光接收光纤束出光端固定盘后方，并将经过马赛克滤光片过滤的N根荧光接收光纤导出光聚焦成像到具有弱光成像能力的光电转换单元，计算机处理系统对所获得的图像进行处理。

本实用新型的有益效果是：克服现有的荧光接收和处理单元不能实时、准确、低成本、微型多通道的获取荧光信号的真实信息的缺陷。利用多通道滤光片与光电转换单元结合形成的多通道荧光收集系统能实时地记录样品中某一点受多种激发光激发后所发射某种荧光强度随时间的变化。这种实时多通道荧光检测输出的是带有空间，时间分辨能力、能提供多种波长的荧光影像，数据获取简单、不受荧光波长数目和观测物体大小的影响，弥补了市场上现有的荧光收集系统的缺陷和不足。

 附图说明

图1为M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端固定盘的示意图（本实施例中N=96，M=6）。

图2为M通道马赛克滤光片紧贴在具有弱光成像能力的光电转换单元表面的示意图（本实施例中M=6）。

图3为模孔板样品有聚焦微元的示意图。

图4为滤光微元的排列示意图。

图5为滤光微元工作示意图。

图6为滤光微元的工作原理。

图7为某一个试管所发射的荧光λ强度随时间的变化图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请一并参阅图1，如图所示M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端固定盘的实施例（本实施例中N=96，M=6）。激发光源1发射出的光照射在滤光轮上的激发滤光片2，单波长的激发光通过激发光光纤3分别照射到N个样品管4的底部，样品管4中的样品受激发辐射出固有特定波长的荧光，受激发辐射的固有特定波长的荧光通过N根荧光接收光纤5并经过M通道马赛克滤光片6的不同微元过滤。N根荧光接收光纤5的每个光纤51出光端都有一个微型的滤光微元61，每一个微滤单元中都含有M个波长通道。光学成像单元7将经过马赛克滤光片过滤的N根荧光接收光纤导出光聚焦成像到具有弱光成像能力的光电转换单元8上，最后由计算机处理系统9对所获得的图像进行处理。

请一并参阅图2，如图所示M通道马赛克滤光片紧贴在具有弱光成像能力的光电转换单元表面的实施例（本实施例中N=96，M=6）。样品管4中的样品受激发辐射出固有特定波长的荧光，受激发辐射的固有特定波长的荧光通过N根荧光接收光纤5并经过光学成像单元7成像在M通道马赛克滤光片6与具有弱光成像能力的光电转换单元8（如CCD/CMOS图像传感器或者集成的带有空间分辨率的PMT）相结合的多光谱荧光收集单元上。N根荧光接收光纤5的每个光纤51对应一个微型的滤光微元61，每一个微滤单元中都含有M个波长通道。最后由计算机处理系统9对所获得的图像进行处理。

请一并参阅附图3，如图所示模孔板样品带有聚焦微元的实施例（本实施例中N=96）。N根荧光接收单元的入光端有N个光学聚焦微元，N个光学聚焦微元各自对应微孔板里的一个试管，光学聚焦微元511对样品管4中样品发射的荧光信号进行全方位收集。

请一并参阅附图4，如图所示滤光微元的排列示意图。M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端，N根荧光接收光纤束的每一根荧光接收光纤出光端对应微滤光片的一个滤光微元，N根荧光接收光纤束对应微滤片上N个圆形滤光微元，N个圆形滤光微元按正六边形、同心圆、矩形或其它规则图形或者无规则排列，与接收光纤的排列一一对应。60a为多通道马赛克滤光片直径，60b为多通道马赛克滤光片有效直径。（本实施例中N=96，M=6）。

请一并参阅附图5，如图所示M=6时的滤光微元示意图。滤光微元的中心有一圆形遮光中心，扇形通道之间也有一道遮光区域，与中心圆形成辐射状。61滤光微元的示意图，61a为每个通道波长的角度分布，61b为滤光微元直径，61c遮光区。

请一并参阅图6，如图所示M通道马赛克滤光片工作示意图。N根光纤与包含至少N个滤光微元的M通道马赛克滤光片微元一一对应。每个滤光微元都等分成M等分，每等分允许一种特征波长的光信号通过。当接收光纤51将样品的发射光λ1经过圆形滤光微元61时，M个扇形通道中对应于λ1的单个扇形通道变亮起来，接收其荧光信号，M-1个的其它区域没有变化。同理，其它圆形滤光微元接收样品不同染料λ2、λ3……λn的发射荧光，对应于λ2、λ3……λn的单个扇形通道变亮起来。即：当特定的荧光波长信号通过时，对应的通道接收其信号，不同荧光发射波长对应不同的通道，实时分裂出不同的荧光影像（本实施例中N=96，M=6）。6个接收荧光信号的M通道马赛克滤光片的波长如下：

波段1:峰值波长 520nm, 带宽20nm；

波段2:峰值波长 560nm, 带宽20nm；

波段3:峰值波长 585nm, 带宽20nm；

波段4:峰值波长 625nm, 带宽20nm；

波段5:峰值波长 670nm, 带宽20nm；

波段6:峰值波长 710nm, 带宽20nm。

请一并参见附图7，如图所示样品管其中某一管所发出的λ荧光的倍增曲线，发射荧光λ的强度随时间的变化。96个样品管对应有96条荧光倍增曲线。

 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述实时多通道荧光检测系统包括激发光光源、带有激发滤光片的滤光轮、N根激发光光纤束（N＞1）、样品模孔板、N根荧光接收光纤束（N＞1）、M通道马赛克滤光片（M＞1）、光学成像部件、具有弱光成像能力的光电转换单元，计算机图像处理系统；

N根激发光光纤束出光端设置在样品模孔板底部，N根荧光接收光纤束出光端固定在固定盘上，M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端固定盘，光学成像单元放置在带有马赛克滤光片的N根荧光接收光纤束出光端固定盘后方，并将经过马赛克滤光片过滤的N根荧光接收光纤导出光聚焦成像到具有弱光成像能力的光电转换单元，计算机处理系统对所获得的图像进行处理。

2.根据权利要求1所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的N根荧光接收光纤束出光端固定在固定盘上，所述M通道马赛克滤光片紧贴在N根荧光接收光纤出光端固定盘，所述光学成像单元放置在带有马赛克滤光片的N根荧光接收光纤束出光端固定盘后方；并将经过马赛克滤光片过滤的N根荧光接收光纤导出光聚焦成像到具有弱光成像能力的图像传感器CCD/CMOS光电转换单元上，或者是集成的带有空间分辨率的PMT的光电转换单元上。

3.根据权利要求1所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的N根荧光接收光纤束入光端设置在模孔板样品底部，所述N根荧光接收光纤束的每一根荧光接收光纤对应模孔板的一个样品管。

4.根据权利要求3所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的N根荧光接收光束的入光端有N个光学聚焦微元，所述N个光学聚焦微元各自对应微孔板里的一个样品管。

5.根据权利要求1所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的M通道马赛克滤光片有N个微元，所述N个微元的排列与所述光纤的接收端排列是一一对应。

6.根据权利要求5所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的M通道马赛克滤光片上的每个微元都等分成M等分，所述M等分的每等分只允许一种特征波长的光信号通过。

7.根据权利要求1所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的M通道马赛克滤光片直接紧贴在图像传感器CCD/CMOS光电转换单元表面，或者直接镀膜制作在图像传感器CCD/CMOS或者集成的带有空间分辨率的PMT的光电转换单元的表面。

8.根据权利要求1所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的模孔板中的每个模孔板试管通过与其相对应的荧光光纤与M通道马赛克滤光片的微元对应，所述微元与光电转换单元的像素组具有空间对应关系。

9.根据权利要求8所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的M通道马赛克滤光片的每个滤光微元是圆形的，等分成M个扇形通道，每个扇形通道只允许一种特征波长的光信号通过。

10.根据权利要求9所述的实时多通道荧光检测系统，其特征在于：所述的M通道马赛克滤光片滤光微元的中心有一圆形遮光中心，扇形通道之间有一道遮光区域，与中心圆形成辐射状。