CN208155810U - 一种用于流式荧光收集的光学系统及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于流式荧光收集的光学系统，所述光学系统包括：光斑整形区，前向散射光收集探测区，侧向散射光收集探测区，荧光收集探测区，多个激光光源，所述多个激光光源平行布置且激光光源发射的光路垂直于光斑整形区；鞘流池，所述鞘流池设置在光斑整形区和前向散射光收集探测区之间激光光路上；还涉及一种用于流式荧光收集的光学装置，所述光学装置为用于流式荧光收集的光学系统形成整体高集成度的光学装置；本实用新型所提供的整个光学系统及装置的每个功能区都做到了模块化和一体化，荧光收集探测区和前向散射光收集探测区也可以呈现模块化设计，光斑整形区内的光斑整形光路的二次整形透镜采用聚焦透镜复用设计。

Description

一种用于流式荧光收集的光学系统及装置

技术领域

本实用新型属于荧光检测技术领域，尤其是涉及一种用于流式荧光收集的光学系统及装置。

背景技术

流式细胞仪（Flow cytometer）是对细胞进行自动分析和分选的装置。它可以快速测量、存贮、显示悬浮在液体中的分散细胞的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量范围把指定的细胞亚群从中分选出来。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于流式荧光收集的光学系统。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

光斑整形区，所述光斑整形区用于对激光光源发射的激光光斑进行整形；

前向散射光收集探测区，所述前向散射光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的前向散射光；

侧向散射光收集探测区，所述侧向散射光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的侧向散射光；

荧光收集探测区，所述荧光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的荧光；

多个激光光源，所述多个激光光源平行布置且激光光源发射的光路垂直于光斑整形区；

鞘流池，所述鞘流池设置在光斑整形区和前向散射光收集探测区之间激光光路上。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

优选地，所述光斑整形区内设有一个反射镜、多个合束镜和多个整形透镜，所述合束镜的数目比激光光源的数目少一个；所述反射镜用于反射最远离鞘流池的激光光源发射出的激光，所述合束镜用于合并前向激光和与其位置对应的激光光源发射出的激光，所述整形透镜用于对激光光源发射出的激光或者合束镜合束后的激光进行光斑整形。

优选地，所述整形透镜的数目比激光光源的数目多一个，分别为：每个激光光源发射的激光光路上设有每个激光光源发射的激光光路上各自设有一个一次整形透镜组，并且在光斑整形区的末端设有一个二次整形透镜，所述二次整形透镜为多光路复用的消色差透镜。

优选地，所述一次整形透镜组包含两个透镜，第一个透镜朝向激光入射的面为曲率半径为34~39 mm的球面，另一面为平面，厚度为3.2~3.4 mm；第二个透镜朝向激光入射的面为平面，第二个面为曲率半径为40~42 mm的球面，厚度为2.2~2.4 mm；所述二次整形透镜朝向激光入射的面为曲率半径为24~28 mm的球面，另一面为曲率半径为200~210 mm的球面。

优选地，所述前向散射光收集探测区沿着激光入射方向依次设有锥形光阑、遮光棒、散射光收集透镜、前向散射光滤波片和PD探测器，所述前向散射光滤波片用于滤除波长大于640nm的激光和荧光；前向散射光的特性用于表征检测微球的粒径。

优选地，所述侧向散射光收集探测区沿着激光入射方向依次设有侧向散射光收集透镜、分色镜、侧向散射光滤波片和PD探测器，所述侧向散射光滤波片用于滤除波长大于520 nm的激光。侧向散射光的特性用于表征检测微球的表面结构特性。

优选地，所述锥形光阑的形状经过特殊设计，并能够有效控制前向散射光收集模块收集的前向散射光角度。根据不同的锥角设计，前向散射光的收集角度可控制在15°到30°内任意一个角度。

优选地，前向散射光收集透镜和/或侧向散射光收集透镜的朝向散射光的面为平面，另一面为曲率半径为6.1 ~ 6.2 mm的非球面，厚度为3.3 ~ 3.5 mm，透镜直径为9 mm。

优选地，所述荧光收集探测区内设有多个分色镜和多个PMT探测器；多个分色镜相互配合以形成将不同波长的荧光以波长段的形式分配给对应的PMT探测器；每个PMT探测器前还各自设有限定特定带宽用的滤波片。

优选地，所述侧向散射光收集探测区和荧光收集探测区共用一条光路空间，所述侧向散射光收集探测区的分色镜将小于波长505 nm的侧向散射光反射至侧向散射光收集探测区内的PD探测器，且将波长大于505 nm的荧光透射到荧光收集探测区内的第一分色镜；荧光收集探测区内的第一分色镜将波长处于506 ~ 555 nm之间的荧光发射到荧光收集探测区内的第一PMT探测器，且将波长大于555 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第二分色镜；荧光收集探测区内的第二分色镜将波长处于556~655 nm之间的荧光反射到荧光收集探测区内的第二PMT探测器，且将波长大于656 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第三PMT探测器。

本实用新型的第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种用于流式荧光收集的光学装置。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案来实现：

一种用于流式荧光收集的光学装置，所述光学装置应用前面所述的用于流式荧光收集的光学系统形成整体高集成度的光学装置。

本实用新型所提供的用于流式荧光收集的光学系统及装置具有如下优点：

（1）光学装置整体集成度高、结构精简，光学器件安装位置精确，有别于现有技术中存在的各类光学器件，需要手动调整使得激光光斑达到预定尺寸的设计，本实用新型所提供的光学装置通过精确的计算和设计，使得各器件安装完成后，无需再次进行调整，使得生产和安装更为便捷；

（2）整个光学系统及装置的每个功能区都做到了模块化和一体化，光斑整形区所需要的光学器件均安装在一个模块内，模块内的固定安装可以一次性完成；同理地，荧光收集探测区和前向散射光收集探测区也可以呈现模块化设计，安装或者更换更为便利；

（3）光斑整形区内的光斑整形光路的二次整形透镜采用聚焦透镜复用设计，这一设计有别于完全复用透镜的光路，在完全复用透镜的光路中，两路激光采用同一组透镜来调节光斑，由于激光器的波长不同，这种方法会导致两个不同波长的椭圆光斑在X和Y轴方向上的尺寸均存在差异，本实用新型中光路设计可以保证两光斑在X轴和Y轴方向上的尺寸和能量分布是完全一致的，确保不同波长激发出的荧光信号形态、宽度完全一致。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种用于流式荧光收集的光学系统的示意图；

图2a为光斑整形的正向光斑形态的截面示意图；

图2b为光斑整形的侧向光斑形态的截面示意图；

图3为本实用新型所提供的一种用于流式荧光收集的光学装置的平面图。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细地描述。

实施例1

一种用于流式荧光收集的光学系统100，包括：

光斑整形区110，光斑整形区110用于对激光光源发射的激光光斑进行整形；

前向散射光收集探测区120，前向散射光收集探测区120用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的前向散射光；

侧向散射光收集探测区130，侧向散射光收集探测区130用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的侧向散射光；

荧光收集探测区140，荧光收集探测区140用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的荧光；

多个激光光源150，多个激光光源150平行布置且激光光源发射的光路垂直于光斑整形区110；在本实施例中，采用两个激光光源151和152，且分别发射波长为488 ± 3 nm和638 ± 5 nm的激光。

鞘流池160，鞘流池160设置在光斑整形区110和前向散射光收集探测区120之间激光光路上。

光斑整形区内设有一个反射镜、多个合束镜和多个整形透镜，合束镜的数目比激光光源的数目少一个；反射镜用于反射最远离鞘流池的激光光源发射出的激光，合束镜用于合并前向激光和与其位置对应的激光光源发射出的激光，整形透镜用于对激光光源发射出的激光或者合束镜合束后的激光进行光斑整形。整形透镜的数目比激光光源的数目多一个，分别为：每个激光光源发射的激光光路上设有一个一次整形透镜，并且在光斑整形区的末端设有一个二次整形透镜，二次整形透镜为多光路复用的透镜。在本实施例中，由于采用双激光光源，则采用一个反射镜111、一个合束镜112，两个一次整形透镜组113和114和一个二次整形透镜115。一次整形透镜组113和114包含两个透镜，组包含两个透镜，第一个透镜朝向激光入射的面为曲率半径为34~39 mm的球面，另一面为平面，厚度为3.2~3.4 mm。第二个透镜朝向激光入射的面为平面，第二个面为曲率半径为40~42 mm的球面，厚度为2.2~2.4mm；二次整形透镜朝向激光入射的面为曲率半径为24~28 mm的球面，另一面曲率半径为200~210 mm的球面。

前向散射光收集探测区120沿着激光入射方向依次设有锥形光阑、遮光棒、散射光收集透镜121、前向散射光滤波片和PD探测器122，前向散射光滤波片用于滤除波长大于640nm的激光；前向散射光的特性用于表征检测微球的粒径。

侧向散射光收集探测区130沿着激光入射方向依次设有侧向散射光收集透镜131、分色镜132、侧向散射光滤波片134和PD探测器133，侧向散射光滤波片用于滤除波长大于520 nm的激光。侧向散射光的特性用于表征检测微球的表面结构特性。

前向散射光收集透镜121和侧向散射光收集透镜131的朝向散射光的面为平面，另一面为曲率半径为6.1 ~ 6.2 mm的非球面，厚度为3.3 ~ 3.5 mm，透镜直径为9 mm。

荧光收集探测区140内设有多个分色镜和多个PMT探测器；多个分色镜相互配合以形成将不同波长的荧光以波长段的形式分配给对应的PMT探测器。在本实施例中，侧向散射光收集探测区130和荧光收集探测区140共用一条光路空间，侧向散射光收集探测区130的分色镜132将小于波长505 nm的侧向散射光反射至侧向散射光收集探测区内的PD探测器133，且将波长大于505 nm的荧光透射到荧光收集探测区140内的第一分色镜141；荧光收集探测区内的第一分色镜141将波长处于506 ~555 nm之间的荧光发射到荧光收集探测区内的第一PMT探测器142，且将波长大于555 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第二分色镜143；荧光收集探测区内的第二分色镜143将波长处于556~655 nm之间的荧光反射到荧光收集探测区内的第二PMT探测器144，且将波长大于656 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第三PMT探测器145。每个PMT探测器前还各自设有限定特定带宽用的滤波片，在本实施例中，由于设置三个PMT探测器，则相应地，设置3个限定特定带宽用的滤波片，分别对应于146、147和148，以实现进一步限制PMT探测器收集到的荧光波长。

光斑整形区内的光斑整形光路的二次整形透镜采用聚焦透镜复用设计，这一设计有别于完全复用透镜的光路，在完全复用透镜的光路中，两路激光采用同一组透镜来调节光斑，由于激光器的波长不同，这种方法会导致两个不同波长的椭圆光斑在X和Y轴方向上的尺寸均存在差异，本实用新型中光路设计可以保证两光斑在X轴和Y轴方向上的尺寸和能量分布是完全一致的，确保不同波长激发出的荧光信号形态、宽度完全一致，具体参见图2a和图2b所示。

实施例2

基于实施例1的用于流式荧光收集的光学系统100，通过模块化设计，实现了一种整体集成度高、结构精简且光学器件安装位置精确的用于流式荧光收集的光学装置200，具体参照图3所示。

流式荧光收集的光学装置200对应于实施例1中的用于流式荧光收集的光学系统100进行设置，包括并排布置的激光光源251和252，激光光源251和252发射出的激光，分别通过一次整形透镜213和214进行整形，然后分别进入至反射镜211和合束镜212，再经过二次整形透镜215穿入至鞘流池260中，通过前向散射光收集探测区内设置的前向散射光收集透镜221和PD探测器222以表征检测微球的粒径；通过侧向散射光收集探测区内设置的侧向散射光收集透镜（未示出）、分色镜232和PD探测器233以表征检测微球的表面结构特性；荧光收集探测区与侧向散射光收集探测区共用一条光路，通过荧光收集探测区内设置的第一分色镜241、第二分色镜243、第一PMT探测器242、第二PMT探测器244和第三PMT探测器245之间的配合对不同波长段的荧光进行检测。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，仅为本实用新型的优选实施例，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

光斑整形区，所述光斑整形区用于对激光光源发射的激光光斑进行整形；

前向散射光收集探测区，所述前向散射光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的前向散射光；

侧向散射光收集探测区，所述侧向散射光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的侧向散射光；

荧光收集探测区，所述荧光收集探测区用于收集并探测整形后的激光激发荧光标记微球所产生的荧光；

多个激光光源，所述多个激光光源平行布置且激光光源发射的光路垂直于光斑整形区；

鞘流池，所述鞘流池设置在光斑整形区和前向散射光收集探测区之间激光光路上。

2.根据权利要求1所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述光斑整形区内设有一个反射镜、多个合束镜和多个整形透镜，所述合束镜的数目比激光光源的数目少一个；所述反射镜用于反射最远离鞘流池的激光光源发射出的激光，所述合束镜用于合并前向激光和与其位置对应的激光光源发射出的激光，所述整形透镜用于对激光光源发射出的激光或者合束镜合束后的激光进行光斑整形。

3.根据权利要求2所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述整形透镜的数目比激光光源的数目多一个，分别为：每个激光光源发射的激光光路上各自设有一个一次整形透镜组，并且在光斑整形区的末端设有一个二次整形透镜，所述二次整形透镜为多光路复用的消色差透镜。

4. 根据权利要求3所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述一次整形透镜组包含两个透镜，第一个透镜朝向激光入射的面为曲率半径为34~39 mm的球面，另一面为平面，厚度为3.2~3.4 mm；第二个透镜朝向激光入射的面为平面，第二个面为曲率半径为40~42 mm的球面，厚度为2.2~2.4 mm；所述二次整形透镜朝向激光入射的面为曲率半径为24~28 mm的球面，另一面为曲率半径为200~210 mm的球面。

5. 根据权利要求1所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述前向散射光收集探测区沿着激光入射方向依次设有锥形光阑、遮光棒、前向散射光收集透镜、前向散射光滤波片和PD探测器，所述前向散射光滤波片用于滤除波长大于640 nm的激光。

6. 根据权利要求1所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述侧向散射光收集探测区沿着激光入射方向依次设有分色镜、侧向散射光收集透镜、侧向散射光滤波片和PD探测器，所述侧向散射光滤波片用于滤除波长大于520 nm的激光。

7. 根据权利要求5或6所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述前向散射光收集透镜和/或侧向散射光收集透镜的朝向散射光的面为平面，另一面为曲率半径为6.1 ~ 6.2 mm的非球面，厚度为3.3 ~ 3.5 mm，透镜直径为9 mm。

8.根据权利要求1所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述荧光收集探测区内多个分色镜和多个PMT探测器；多个分色镜相互配合以形成将不同波长的荧光以波长段的形式分配给对应的PMT探测器；每个PMT探测器前还各自设有限定特定带宽用的滤波片。

9. 根据权利要求8所述的用于流式荧光收集的光学系统，其特征在于，所述侧向散射光收集探测区和荧光收集探测区共用一条光路空间，所述侧向散射光收集探测区的分色镜将小于波长505 nm的侧向散射光反射至侧向散射光收集探测区内的PD探测器，且将波长大于505 nm的荧光透射到荧光收集探测区内的第一分色镜；荧光收集探测区内的第一分色镜将波长处于506 ~ 555 nm之间的荧光发射到荧光收集探测区内的第一PMT探测器，且将波长大于555 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第二分色镜；荧光收集探测区内的第二分色镜将波长处于556~655 nm之间的荧光反射到荧光收集探测区内的第二PMT探测器，且将波长大于656 nm的荧光透射入荧光收集探测区内的第三PMT探测器。

10.一种用于流式荧光收集的光学装置，其特征在于，所述光学装置应用权利要求1-9中任意一项所述的用于流式荧光收集的光学系统形成整体高集成度的光学装置。