CN209280527U - 一种粒子分析仪及其光学采集模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种粒子分析仪及其光学采集模块，所述粒子分析仪包括流动室，所述流动室具有相对的第一侧和第二侧，所述光学采集模块包括位于流动室的第一侧的反射镜和位于流动室的第二侧的单片透镜，所述流动室的多个光源经反射镜反射后对应形成非共轴的多个聚焦光斑，所述多个聚焦光斑经单片透镜后形成多个与单片透镜的光轴呈不同倾斜角的光束。通过采用反射镜加单片透镜设计的光学采集模块，提高了荧光收集效率，使得仪器整体具有更高灵敏度；提高了信噪比，避免出现不同光路间的串扰及杂光信号的收集，大大降低了整体光学结构的复杂度以及系统装配和调试难度。

Description

一种粒子分析仪及其光学采集模块

技术领域

本实用新型涉及光学仪器分析技术领域，尤其涉及一种粒子分析仪及其光学采集模块，粒子分析仪尤其是流式细胞仪。

背景技术

流式细胞分析及流式细胞术，是一种对单细胞或其他生物粒子进行定量分析和分选的检测手段，可以短时间内高速分析成千上万个细胞，并能同时从一个细胞中测得多个参数。流式细胞仪被称为实验室的CT，流式细胞仪的液流系统将细胞样液聚焦为单细胞流层，细胞排队依次通过激光照射区。采用激光照射样本，细胞的散射光以及从细胞携带的染料上激发出的荧光，以细胞为中心，朝四周发射。因此，细胞可以看作是点光源，通过对荧光的收集分析，从而得到样本的信息。由于荧光信号很微弱，而且类似于点光源朝着四周发射。因此，尽可能多的接收荧光信号，是提高流式细胞仪探测性能的关键。

由于在流式细胞仪中使用的许多荧光染料具有独特的光谱特性，以及为了生物细胞特定的表型分析，常常必须采用一个以上的激励或者光源，才能准确的分类出不同类别的细胞。对于多色激光流式细胞仪而言，当流式细胞仪配置多个激光光源时，激光聚焦点沿着流动室轴线纵向分布，每个激光聚焦点都会激发出荧光和散射光，此时可以看作在流动室的轴线上有多个点光源。每两个光点的间隔在几十微米到两百微米之间。采用多个光源时，可通过错开各光源的发光时间来分离并检测数种荧光。因此采用怎样的光学系统使得如此紧凑的光源发出的荧光信号分散开来传输进入不同滤光组模块内，并且减少彼此之间的串扰是流式细胞仪上的技术难点。

现有技术一般把流式细胞仪的流动室上收集的荧光信号耦合进入到多个光纤端内，然后通过光纤把不同光源的荧光信号作为空间分离的光束引导进入到各个荧光探测模块内。现有流式细胞仪的光纤荧光收集系统具有以下问题：(1)光学系统过于复杂，一旦受到外部影响，如温度、震动、液流稳定性等，很容易造成细胞的荧光信号在光纤端面上的丢失。(2)由于只是把荧光激发源成像到结构紧凑的光纤端面上，各点光源像的间距分开不很大，不同激发源之间的荧光信号依然存在串扰可能，同时对于光纤，只有发散角和束腰小于光纤的纤芯直径的光束才可以在其内传播，限制较大。现有技术中也有采用非光纤耦合的方法来收集荧光的技术，但是该方法采用多片光学镜片组成的望远镜或显微镜光学系统来收集荧光，整个光学结构过于复杂，给系统装配和调试带来一定难度。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的之一在于提供一种新型结构的粒子分析仪的光学采集模块，粒子分析仪尤其是流式细胞仪，该光学采集模块简化了现有的多片光学镜片空间收集荧光的结构，大大降低了整体光学结构的复杂度，能有效克服串扰现象，信号收集效率高。

本实用新型的目的之二在于提供一种使用上述光学采集模块的粒子分析仪，粒子分析仪尤其是流式细胞仪。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

一种粒子分析仪的光学采集模块，所述粒子分析仪包括流动室，所述流动室具有相对的第一侧和第二侧，所述光学采集模块包括位于流动室的第一侧的反射镜和位于流动室的第二侧的单片透镜，所述流动室的多个光源经反射镜反射后对应形成非共轴的多个聚焦光斑，所述多个聚焦光斑经单片透镜后对应形成多个与单片透镜的光轴呈不同倾斜角的光束。

优选地，所述反射镜具有背向流动室的前表面和朝向流动室的后表面，所述前表面为镀有反射膜的曲率球面，所述后表面为平面。

优选地，所述单片透镜为与反射镜共轴的平凸透镜或球镜。

一种粒子分析仪，所述粒子分析仪包括流动室和光学系统，所述光学系统包括光学采集模块，所述光学采集模块为上述的光学采集模块。

优选地，所述光学系统还包括分光探测模块，所述分光探测模块用于对经单片透镜聚焦后形成的光束进行分光和探测。

优选地，所述分光探测模块包括沿光路方向设置的多个分光探测组件，每个分光探测组件包括二向分色镜和光电探测器，照射至二向分色镜的第一波长范围的光束透射该二向分色镜并被对应的光电探测器探测到，照射至二向分色镜的第二波长范围的光束被二向分色镜反射至下一个分光探测组件并再次被分光和探测。

优选地，所述多个分光探测组件沿光路方向依次编号并划分为奇数分光探测组件和偶数分光探测组件，所述奇数分光探测组件并排设置，所述偶数分光探测组件并排设置，光束在奇数分光探测组件和偶数分光探测组件之间来回反射、以及被不同的奇数分光探测组件和不同的偶数分光探测组件进行分光和探测。

优选地，所述分光探测组件还包括带通滤光片和聚焦透镜，所述带通滤光片和聚焦透镜沿透射二向分色镜的第一波长范围的光束的光路方向依次布置在二向分色镜和光电探测器之间。

优选地，所述分光探测模块还包括沿光路方向设置的至少一个全反镜，所述全反镜用于将光束反射至下一个分光探测组件的二向分色镜或下一个全反镜。

优选地，所述分光探测模块还包括准直透镜，所述准直透镜沿光路方向布置在单片透镜和多个分光探测组件之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果的至少包括：

通过采用反射镜加单片透镜设计的光学采集模块，提高了荧光收集效，使得仪器整体具有高灵敏度，避免出现不同光路间的串扰现象及杂光信号的收集，大大降低了整体光学结构的复杂度以及系统装配和调试难度。

附图说明

图1是本实用新型实施例的光学采集模块的结构示意图。

图2是本实用新型一个实施例的分光探测模块的结构示意图。

图3是本实用新型另一实施例的分光探测模块的结构示意图。

图4是本实用新型又一实施例的分光探测模块的结构示意图。

图5是本实用新型实施例的粒子分析仪的光学系统的结构示意图。

图中：10、流动室；20、光学采集模块；21、反射镜；22、单片透镜；30、分光探测模块；31、分光探测组件；311、二向分色镜；312、带通滤光片；313、聚焦透镜；314、光电探测器；315、全反镜；32、准直透镜；B、蓝光激发光源点；R、红光激发光源点。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

本实用新型中所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本实用新型保护范围内。

参照图1至图5，本实用新型的粒子分析仪尤其是流式细胞仪，粒子分析仪包括流动室10和光学系统。流动室10具有相对的第一侧和第二侧，待分析的细胞或生物微粒排队通过流动室10并受激光激发后形成光源点。光学系统包括光学采集模块20，进一步包括分光探测模块30，光学采集模块20用于对流动室10的多个光源进行采集并形成具有不同倾斜角的多个光束，分光探测模块30用于对经光学采集模块20的单片透镜22聚焦后形成的光束进行分光和探测。

参照图1，粒子分析仪的光学采集模块20包括反射镜21和单片透镜22。其中，反射镜21位于流动室10的第一侧，反射镜21可以粘附于流动室10的第一侧，反射镜21具有背向流动室10的前表面和朝向流动室10的后表面，前表面为镀有反射膜的曲率球面，后表面为平面。单片透镜22位于流动室10的第二侧，本实施例中，单片透镜22为与反射镜21共轴的平凸透镜或球镜，流动室10的多个光源经反射镜21反射后对应形成非共轴的多个聚焦光斑，多个聚焦光斑经单片透镜22后对应形成多个与单片透镜22的光轴呈不同倾斜角的光束。具体而言，反射镜21和单片透镜22二者的焦点共轴。由于多个光源分别位于垂直于反射镜21光轴的垂直平面内，并且分布于光轴的上下多点处，光源发出的光线经过反射镜21聚焦于单片透镜22前表面处的垂直光轴平面上的分离多个像点，该多个像点由于并不处于光轴上，经单片透镜22成像于远处平面上分离的多个像点，即形成不同倾斜角的光束。该光学采集模块20简化了现有的多片光学镜片空间收集荧光的结构，大大降低了整体光学结构的复杂度，避免出现不同光路间的串扰现象及杂光信号的收集，信号收集效率高。

具体地说，图1中，以双激光系统为例，蓝光激光和红光激光分别照射流动室10的细胞流，并分别形成被不同波长激光激发的蓝光激发光源点B和红光激发光源点R，两个光源点在流动室10的轴线上相差很近，其各自发出的荧光信号被反射镜21聚焦至单片透镜22镜前。两个光源点分别被成像为处于单片透镜22光轴上下的两个聚焦光斑，这两个非共轴的聚焦光斑经过单片透镜22再次聚焦后形成两束分别与单片透镜22的光轴呈不同倾斜角的两束聚焦光束。在分光探测模块30的准直透镜32的镜面上，两束荧光光束相距几十毫米，并且该距离可以随着倾斜光束的传播距离逐渐增大，最终该两束光束分别被不同的分光探测模块30收集。

上述光学采集模块20至少具有以下优点：1，相比现有荧光收集系统受光纤端面限制荧光信号的传播的方案，本实用新型的光学采集模块20能够实现无光纤端面限制地传播荧光信号，因为该单片透镜22可接受光束的数值孔径和光束端面远远大于光纤，因此，当整个光学系统受到外界的干扰时，其不容易出现细胞信息丢失的现象，使得仪器整体具有高灵敏度。2、通过非共轴的光学结构设计，把相距较近距离的光源激发出的光束转换为具有较大倾斜角的倾斜光束，使得其进入到不同的准直透镜32内，增加了信噪比，也使得其余杂散信号经过该单片透镜22的转换，与荧光光束分开，使得各光源点的光源信号能够被可靠地探测到，避免出现不同光路间的串扰现象及杂光信号的收集。3、本实用新型的反射镜21加单片透镜22的设计方案大大简化了现有的多片光学镜片空间收集荧光的结构(望远镜或显微镜光学系统)，大大降低了整体光学结构的复杂度以及系统装配和调试难度。

需要说明的是，上面以双激光系统为例对本实用新型的光学采集模块20进行了描述，但是可以理解的是，该光学采集模块20还可以用于三激光、四激光等更多个激光照射的系统以更多个光源点的分离，同样能够实现以上技术效果。

图2是本实用新型一个实施例的分光探测模块30的结构示意图，分光探测模块30包括沿光路方向设置的多个分光探测组件31，更进一步包括准直透镜32。每个分光探测组件31包括二向分色镜311和光电探测器314，进一步包括带通滤光片312和聚焦透镜313。

对于分光探测模块30，现有技术一般采用在每个二向分色镜311前放置一个全反镜315的方式，把荧光信号中的不同波长的信号区分开来，因此，通过每个带通滤光片312的光束至少需要经历一次二向分色镜311的反射和一次全反镜315的反射，比如一个带有8个光电探测器314的分光探测模块30，荧光光束需要8次二向分色镜311的反射和7次全反镜315的反射，才能使得不同波长的荧光信号区分开来，从而分别进入到对应的光电探测器314，荧光信号损失很大。

本实用新型创新地改变分光探测模块30的结构，使得一束荧光光束只需经过7次二向分色镜311的反射，就能把上述不同波长的荧光信号分离开来，进入到各自光电探测器314，因此，该分光探测模块30的结构可以把荧光信号反射次数减少到现有技术的一半，大大降低了由多次反射引起的荧光信号衰减，并使得整个分光探测模块30结构更紧凑，体积更小巧，有利于装配布置。

具体地说，照射至二向分色镜311的第一波长范围的光束透射该二向分色镜311并被对应的光电探测器314探测到，照射至二向分色镜311的第二波长范围的光束被二向分色镜311反射至下一个分光探测组件31并再次被分光和探测。准直透镜32沿光路方向布置在单片透镜22和多个分光探测组件31之间，带通滤光片312和聚焦透镜313沿透射二向分色镜311的第一波长范围的光束的光路方向依次布置在二向分色镜311和光电探测器314之间。

如图2所示，多个分光探测组件31沿光路方向依次编号1至6，并划分为奇数分光探测组件31和偶数分光探测组件31，奇数分光探测组件31并排设置，偶数分光探测组件31并排设置，光束在奇数分光探测组件31和偶数分光探测组件31之间来回反射、以及被不同的奇数分光探测组件31和不同的偶数分光探测组件31进行分光和探测。

更具体地说，蓝光激光器激发的荧光光束经准直透镜32后会聚为一束准直光束。其中，小于一定数值波长(第二波长范围)的光束被编号为1的分光探测组件31的二向分色镜311反射至编号为2的分光探测组件31的二向分色镜311，而大于该数值波长(第一波长范围)的光束则透射穿过编号为1的分光探测组件31的二向分色镜311，进入到其对应的带通滤光片312上，带通滤光片312会排除一些杂散波长的信号，该第一波长范围的光束进入到带有聚焦透镜313的光电探测器314内，进而被探测到。对于编号为2的分光探测组件31的二向分色镜311，小于一定数值波长(第二波长范围)的光束被反射至编号为3的分光探测组件31的二向分色镜311，而大于该数值波长(第一波长范围)的光束则透射进入到其对应的带通滤光片312内，最后经聚焦透镜313聚焦进入到光电探测器314内。编号为4至6的分光探测组件31采用同样的分光探测过程。

根据需要，分光探测模块30的分光探测组件31的个数可以进一步增加或减少，例如图3所示的分光探测模块30设置有三个分光探测组件31，从而实现扩展至二十几种荧光波长的探测，也可以缩减至二种荧光波长的探测。需要说明的是，各分光探测组件31的二向分色镜311由于光学特性不同，其各自对应光束的第一波长范围和第二波长范围一般不同。

本实用新型的分光探测模块30通过把不同带宽的二向分色镜311根据其相应的光学特性大致对称放置，荧光信号在二向分色镜311间来回反射，分离出不同波段的信号并进入各自对应的探测通道内。与现有分光探测模块30相比，该分光探测模块30在探测同样荧光信号种类时，可以把荧光信号反射次数减少到现有技术的一半，大大降低了由多次反射引起的荧光信号衰减，分光探测模块30的结构也更紧凑。

作为替换实施例，分光探测模块30还包括沿光路方向设置的至少一个全反镜315，全反镜315用于将光束反射至下一个分光探测组件31的二向分色镜311或下一个全反镜315。具体地说，参照图4，图4所示的分光探测模块30与图2所示的分光探测模块30的区别在于，编号为3的分光探测组件31替换成了全反镜315，当然，其他编号的分光探测组件31中的部分也可以替换为全反镜315。经过全反镜315的全反射，光束行至编号为4的分光探测组件31的二向分色镜311时，小于一定数值波长(第二波长范围)的光束被反射至编号为5的分光探测组件31的二向分色镜311，而大于该数值(第一波长范围)的光束则透射进入到编号为4的分光探测组件31的二向分色镜311内的带通滤光片312内，最后行至其对应的光电探测器314内。编号为5的分光探测组件31的二向分色镜311把小于一定数值波长的光束反射至最后一个二向分色镜311，而大于一定数值波长的光束则进入至其内部对应的带通滤光片312和光电探测器314内。

图5是本实用新型实施例的粒子分析仪的光学系统的结构示意图，图5中，流动室10的两个光源点经光学采集模块20的反射镜21反射和单片透镜22的聚焦后，形成与单片透镜22的光轴呈不同倾斜角的两个光束，该两个光束分别经两个准直透镜32后汇聚为两个准直光束，最后，两个准直光束分别经两个分光探测模块30进行分光和探测。粒子分析仪还可以设置更多个分光探测模块30，多个分光探测模块30用于分别对经单片透镜22聚焦后形成的多个光束一一对应地进行分光。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下，在实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，所有的这些改变都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粒子分析仪的光学采集模块，所述粒子分析仪包括流动室，所述流动室具有相对的第一侧和第二侧，其特征在于，所述光学采集模块包括位于流动室的第一侧的反射镜和位于流动室的第二侧的单片透镜，所述流动室的多个光源经反射镜反射后对应形成非共轴的多个聚焦光斑，所述多个聚焦光斑经单片透镜后对应形成多个与单片透镜的光轴呈不同倾斜角的光束。

2.根据权利要求1所述粒子分析仪的光学采集模块，其特征在于，所述反射镜具有背向流动室的前表面和朝向流动室的后表面，所述前表面为镀有反射膜的曲率球面，所述后表面为平面。

3.根据权利要求2所述粒子分析仪的光学采集模块，其特征在于，所述单片透镜为与反射镜共轴的平凸透镜或球镜。

4.一种粒子分析仪，其特征在于，所述粒子分析仪包括流动室和光学系统，所述光学系统包括光学采集模块，所述光学采集模块为权利要求1至3任意一项所述的光学采集模块。

5.根据权利要求4所述的粒子分析仪，其特征在于，所述光学系统还包括分光探测模块，所述分光探测模块用于对经单片透镜聚焦后形成的光束进行分光和探测。

6.根据权利要求5所述的粒子分析仪，其特征在于，所述分光探测模块包括沿光路方向设置的多个分光探测组件，每个分光探测组件包括二向分色镜和光电探测器，照射至二向分色镜的第一波长范围的光束透射该二向分色镜并被对应的光电探测器探测到，照射至二向分色镜的第二波长范围的光束被二向分色镜反射至下一个分光探测组件并再次被分光和探测。

7.根据权利要求6所述的粒子分析仪，其特征在于，所述多个分光探测组件沿光路方向依次编号并划分为奇数分光探测组件和偶数分光探测组件，所述奇数分光探测组件并排设置，所述偶数分光探测组件并排设置，光束在奇数分光探测组件和偶数分光探测组件之间来回反射、以及被不同的奇数分光探测组件和不同的偶数分光探测组件进行分光和探测。

8.根据权利要求6所述的粒子分析仪，其特征在于，所述分光探测组件还包括带通滤光片和聚焦透镜，所述带通滤光片和聚焦透镜沿透射二向分色镜的第一波长范围的光束的光路方向依次布置在二向分色镜和光电探测器之间。

9.根据权利要求6所述的粒子分析仪，其特征在于，所述分光探测模块还包括沿光路方向设置的至少一个全反镜，所述全反镜用于将光束反射至下一个分光探测组件的二向分色镜或下一个全反镜。

10.根据权利要求6所述的粒子分析仪，其特征在于，所述分光探测模块还包括准直透镜，所述准直透镜沿光路方向布置在单片透镜和多个分光探测组件之间。