CN210427349U - 一种荧光测试设备及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种荧光测试设备及系统，所述设备包括依次设置的成像镜头、成像光谱仪、像增强器以及数字图像采集装置；被测对象在激发光照射下形成的荧光经由所述镜头成像在成像光谱仪的狭缝上，所述成像光谱仪将狭缝上的各空点的光谱分光后成像在所述像增强器上，所述像增强器通过门控、放大功能将所述光谱传输至所述数字图像采集装置，所述数字图像采集装置根据所述像增强器传输的光谱形成光谱影像数据。本实用新型把瞬态时域测试方法引入高光谱稳态应用，实现瞬态光谱成像，可提高光谱分辨率，缩短荧光测试的时间，提高了测试效率以及提高荧光测试的灵敏度。

Description

一种荧光测试设备及系统

技术领域

本实用新型涉及荧光光谱分析技术领域，尤其涉及一种荧光测试设备及系统。

背景技术

荧光光谱分析广泛应用于生物化学、生物医学、环境化工等领域，各种类型的荧光光谱测试系统、荧光分光光度计依据其细分功能不同，在科研领域、分析中心、快速检测现场都发挥着重要的作用。

荧光测试系统作为荧光前沿研究领域的应用工具，配合不同的探测器主要提供了时间分辨的光谱和时间分辨的影像。例如，以光电倍增管为探测器和带像增强器的光谱CCD为探测设备可得到时间分辨的光谱，以带像增强器的影像CCD为探测设备可得到时间分辨的影像。但是，现有的荧光测试系统得到的四个或五个维度的时间分辨荧光光谱影像数据，由于采集时间与波长分辨率、空间分辨率和时间分辨率是相互制约的时间条件，所以得到的数据必然在一个或几个维度上存在分辨率不高、信号采集强度不足或是数据采集时间超长等缺陷，甚至会出现由于长时间荧光测试造成被测对象变性等问题，从而导致测试准确性及真实性降低等后果。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种荧光测试设备，可提高光谱分辨率，缩短荧光测试的时间，提高了测试效率。本实用新型的另一个目的在于提供一种荧光测试系统。

为了达到以上目的，本实用新型一方面公开了一种荧光测试设备，包括依次设置的成像镜头、成像光谱仪、像增强器以及数字图像采集装置；

被测对象在激发光照射下形成的荧光经由所述镜头成像在成像光谱仪的狭缝上，所述成像光谱仪将狭缝上的各空点的光谱分光后成像在所述像增强器上，所述像增强器通过门控、放大功能将所述光谱传输至所述数字图像采集装置，所述数字图像采集装置根据所述像增强器传输的光谱形成光谱影像数据。

优选的，所述数字图像采集装置为数字相机。

优选的，所述成像光谱仪的入光侧与所述镜头固定连接，所述成像光谱仪的出光侧固定有第一固定件；

所述像增强器固定在所述第一固定件上。

优选的，所述像增强器与所述数字图像采集装置间通过光纤锥耦合连接。

优选的，所述像增强器背离所述成像光谱仪的一侧固定有第二固定件；

所述第二固定件背离所述像增强器的一侧固定有所述数字图像采集装置。

优选的，所述第二固定件为中央形成有中空部的筒形；

所述光纤锥置于所述筒形的中空部位，其前表面与所述像增强器和后表面与所述数字图像采集装置分别相对固定。

优选的，还包括用于控制所述像增强器和所述数字图像采集装置的时序控制器以及所述像增强器的高压电源；

所述时序控制器用于被外同步触发后，形成第一脉冲控制信号并将其传输至所述像增强器，形成第二脉冲控制信号并将其传输至所述数字图像采集装置；

所述像增强器和数字图像采集装置，在第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的控制下依次工作，以使所述数字图像采集装置得到光谱影像数据。

优选的，所述设备进一步还包括处理器；

所述处理器用于处理被测对象所有位置点的光谱影像数据和所述光谱影像数据对应的时间得到所述被测对象的荧光光谱图像。

本实用新型还公开了一种荧光测试系统，包括形成所述激发光的光源、将所述激发光导入至所述被测对象表面的光路模组、将被测对象形成的荧光整形并传输至镜头的显微光路、用于放置所述被测对象的平移台以及如上所述的荧光测试设备；

所述平移台用于控制所述被测对象移动以使所述被测对象表面不同位置点受到激发光照射形成荧光。

本实用新型通过在荧光测试设备中设置像增强器和数字图像采集装置，通过数字图像采集装置采集像增强器传输的具有时间分辨的光谱，从而大幅缩短了图像获取时间，有利于活体细胞的测试。同时，本实用新型把瞬态时域测试方法引入高光谱稳态应用，实现瞬态光谱成像，通过数字图像采集装置采集像增强器传输的光谱能够大幅提高光谱分辨率，缩短了测试的时间提高了测试效率，节约了时间，同时提高了荧光测试的灵敏度，也为后续处理获得不同维度的图像提供了更丰富的原始数据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本实用新型一种荧光测试设备一个具体实施例的示意图；

图2示出本实用新型一种荧光测试系统一个具体实施例的示意图；

图3示出本实用新型一种荧光测试系统一个具体例子中的光谱示意图；

图4示出本实用新型一种荧光测试系统一个具体例子中不同时间段的光谱影像示意图；

图5示出本实用新型一种荧光测试系统一个具体例子中被测对象所有位置点不同时间段的光谱影像示意图；

图6示出本实用新型一种荧光测试系统的应用流程图之一；

图7示出本实用新型一种荧光测试系统的应用流程图之二；

图8示出本实用新型一种荧光测试系统的应用流程图之三；

图9示出本实用新型一种荧光测试系统的应用流程图之四。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的一个方面，本实施例公开了一种荧光测试设备。如图1所示，本实施例中，所述设备包括依次设置的成像镜头1、成像光谱仪2、像增强器4以及数字图像采集装置7。

其中，被测对象在激发光照射下形成的荧光经由所述镜头成像在成像光谱仪的狭缝上，所述成像光谱仪将狭缝上的各空点的光谱分光后成像在所述像增强器上，所述像增强器通过门控、放大功能将所述光谱传输至所述数字图像采集装置，所述数字图像采集装置根据所述像增强器传输的光谱形成光谱影像数据。

本实用新型采用高光谱成像的方法得到光谱影像数据，其中高光谱是指使用镜头1成像，得到成像面中心狭缝空间分布的光谱。本实用新型通过在荧光测试设备中设置像增强器4和数字图像采集装置7，通过数字图像采集装置7采集像增强器4传输的具有时间分辨的光谱，从而大幅缩短了图像获取时间，有利于活体细胞的测试。同时，本实用新型通过数字图像采集装置7采集像增强器4传输的光谱能够大幅提高光谱分辨率，较之现有的测试方法在不损失时间分辨率、空间分辨率，优化信号强度的前提下提高光谱分辨率，缩短影像获取时间，从而缩短了测试的时间提高了测试效率，节约了时间，同时也为后续处理获得不同维度的图像提供了更丰富的原始数据。

在优选的实施方式中，所述数字图像采集装置7为数字相机。数字相机提供高分辨的空间数据点并直接将采集的光谱图像信息以数字化形式高速传输至计算机，提高采集速度。本实施例中通过像增强器4将所述光谱传输至所述数字相机，通过数字相机采集具有时间分辨的光谱，综合采集的光谱的位置和强度以及成像光谱仪2的参数可得到五维的光谱影像数据，从而缩短了荧光测试时间，提升了荧光测试的效率和准确度。其中，像增强器4可得到时间分辨光谱，相对于传统意义的稳态光谱(二维数据)、影像(三维数据)，时间分辨的光谱和时间分辨影像是指物体在被脉冲光源激发后某一段时间内光谱(三维数据)或是影像(四维数据)。通过数字相机获取像增强器4输出的时间分辨光谱，可得到时间分辨光谱的影像，时间分辨光谱的影像是指被测物体在脉冲光源激发后某一段时间内某个带宽下光谱的影像，是五维数据。

在优选的实施方式中，所述像增强器4还可以对输入的光谱进行处理，像增强器4通过光-电-光的转换实现了将输入光转变为电子，将电子放大，再将放大的电子转换为光的过程，在实现对光信号放大的同时，实现了对时间的控制。具体的，像增强器4可通过光阴极(Photo-Cathode)将光转化为电子，通过微通道板(Micro Channel Plate，MCP)将电子放大，再通过磷光屏(Phosphor)将放大后的电子转化为单色光，像增强器4可实现对微弱光探测(放大功能)和高至纳秒级别时间分辨功能。因此，像增强器4与数字图像采集装置7采用光纤锥5耦合的方式，有效得高了各部件间的耦合效率，同时保证可以得到最佳的空间分辨率。

在优选的实施方式中，所述成像光谱仪2的入光侧与所述镜头1固定连接，所述成像光谱仪2的出光侧固定有第一固定件3，所述像增强器4固定在所述第一固定件3上。优选的，为了便于光传输，成像光谱仪2通常为长条形，成像光谱仪2的一端与镜头1固定，将荧光分光，进一步通过成像光谱仪2形成光谱输出至像增强器4。因此，可在成像光谱仪2另一端的出光侧设置第一固定件3以将像增强器4固定在成像光谱仪2上，像增强器4即可接收通过成像光谱仪2形成的光谱。

在优选的实施方式中，所述像增强器4与所述数字图像采集装置7间通过光纤锥5耦合连接。通过光纤锥5耦合可实现光学器件与探测器信号的面到面的同步位置传输，通过光纤锥5耦合传输光谱信号可提高耦合效率和分辨率，减小荧光测试设备的体积。

在优选的实施方式中，所述像增强器4背离所述成像光谱仪2的一侧固定有第二固定件6。所述第二固定件6背离所述像增强器4的一侧固定有所述数字图像采集装置7。可以理解的是，像增强器4和数字图像采集装置7间不论通过何种方式耦合连接，像增强器4与数字图像采集装置7间具有一定距离，为了便于数字图像采集装置7的固定，可在像增强器4背离成像光谱仪2的一侧设置第二固定部，将数字图像采集装置7固定在第二固定部上，以使数字图像采集装置7的位置稳定固定。

在优选的实施方式中，所述第二固定件6为中央形成有中空部的筒形。所述光纤锥5容置于所述筒形的中空部件中并与所述像增强器4固定。像增强器4和数字图像采集装置7之间通过光纤锥5耦合，因此，可在第二固定件6中间形成中空部以容纳光纤锥5，进一步可将光纤锥5与像增强器4固定连接以使光纤锥5的位置稳定。

在优选的实施方式中，荧光测试设备还可包括用于控制像增强器4和所述数字图像采集装置7的时序控制器以及所述像增强器的高压电源。时序控制器可与所述像增强器4和所述数字图像采集装置7分别连接。

其中，所述时序控制器用于被外同步触发后，形成第一脉冲控制信号并将所述第一脉冲控制信号传输至所述像增强器4，形成第二脉冲控制信号并将所述第二脉冲控制信号传输至所述数字图像采集装置7。

所述像增强器4基于所述第一脉冲控制信号将所述光谱传输至所述数字图像采集装置7，所述数字图像采集装置7基于所述第二脉冲控制信号将所述像增强器4传输的光谱形成光谱影像数据，即所述像增强器和数字图像采集装置，在第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的控制下依次工作，以使所述数字图像采集装置得到光谱影像数据。

优选的，时序控制器可为高压门控电子设备，高压门控电子设备可为增强器提供高压供电和门控信号，即形成分别为第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的门控信号，更优选的，第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号具有相同的门控时间，即可控制像增强器4和所述数字图像采集装置7依次工作，得到时间段间隔一致的光谱影像数据。

在优选的实施方式中，所述设备进一步还包括处理器。所述处理器用于处理被测对象所有位置点的光谱影像数据和所述光谱影像数据对应的时间得到至少一种所述被测对象荧光光谱图像。

具体的，可根据实际需要得到不同维度和状态的荧光光谱图像。例如，可从所述光谱影像数据中提取单一特征波长下某一时间段荧光光谱强度积分，得到被测对象单一特征波长下预设时间段的荧光影像，将所有时间段的荧光光谱强度积分，得到被测对象特征波长的荧光影像。还可从所述光谱影像数据中将各点荧光光谱在波长上强度做积分，同时对预设时间段内的强度积分，可以得到被测对象预设时间段的荧光影像，将所有时间段的荧光强度积分，得到被测对象的荧光影像。还可根据光谱影像数据对应于每个位置点做辐射通量标定，得到辐射能量与波长校准曲线，通过三刺激值函数根据色度图得到各位置点随时间变化的颜色，得到随时间变化的彩色图像。

此外，本实用新型的荧光测试设备不仅可应用于宏观样品，还可用于显微样品的测试。像增强器4不仅是瞬态门宽控制设备，亦可用于稳态的微弱光探测获取荧光成像光谱，得到的瞬态时间分辨荧光光谱成像数据可根据实际需要使用和处理，本实用新型对此并不作限定。

基于相同原理，本实施例还公开了一种荧光测试系统。如图2所示，本实施例中，所述系统包括形成所述激发光的光源11、将所述激发光导入至所述被测对象20表面的光路模组12、将被测对象20形成的荧光整形并传输至镜头1的显微光路13、用于放置所述被测对象20的平移台17以及如本实施例所述的荧光测试设备14。其中，所述平移台17用于控制所述被测对象20移动以使所述被测对象20表面不同位置点受到激发光照射形成荧光。

具体的，在一个应用例子中，以瞬态测试为例，根据被测对象20选择对应的特征波长的脉冲光源11做激发光，激发光经光路模组12，使其成为线光源11输出，在视野被测对象20上形成一条一定宽度的激发线。在这条线上被测对象20被激发，被测对象20所产生的荧光再经由显微光路13收集，这条线阵荧光的像通过镜头成像在成像光谱仪的狭缝上，由成像光谱仪2分光在其焦面上输出这条线上空间各点的光谱，如图3所示。

脉冲光源11、像增强器4和数字相机受时序控制器统一控制，时间同步器输出门控信号、时间推扫延时信号，成像光谱仪2持续输出空间线上各点的光谱，再经由光纤锥5耦合至数字相机，最终在数字相机上呈现出不同时刻高光谱谱仪输出的空间各点的光谱，如图4所示。

进一步移动被测对象20，通过对被测对象20进行X轴方向的移动扫描，会得到被测对象不同位置光谱的时间分布的光谱影像，如图5所示，其中，X轴与线状的激发光的方向垂直。X轴扫描完成后即可得到被测对象20所有位置点的光谱影像数据，根据所有位置点的光谱影像数据可通过处理器15的图像处理软件进行不同处理得到不同维度和状态的荧光光谱图像。

如图6所示，本实施例的一种荧光测试系统在应用时主要包括以下方法步骤：

S100：使被测对象在激发光照射下形成的荧光经由镜头导入至成像光谱仪的狭缝上。

S200：通过成像光谱仪将狭缝上的各空点的光谱分光后成像在所述像增强器上。

S300：通过像增强器将分光形成的光谱放大和时间分辨后传输至数字图像采集装置。

S400：通过所述数字图像采集装置获取所述像增强器传输的光谱形成光谱影像数据。

在优选的实施方式中，如图7所示，所述方法进一步包括在S100之前：

S010：通过光路模组将所述激发光导入至所述被测对象表面。

S020：通过显微光路接收所述被测对象形成的荧光并整形，将整形后的荧光传输至镜头。

在优选的实施方式中，如图8所示，所述方法进一步包括：

S500：通过平移台控制所述被测对象移动采集被测对象表面所有位置点在激发光照射下形成的光谱影像数据，所述光谱影像数据包括位置点信息、光波长信息、时间信息和光强信息；

S600：根据被测对象表面所有位置点对应的光谱影像数据得到所述被测对象荧光光谱图像。

在优选的实施方式中，如图9所示，所述S600具体可包括以下步骤中的至少之一：

S610：从所述光谱影像数据中提取单一特征波长下某一时间段荧光光谱强度积分，得到被测对象单一特征波长下预设时间段的荧光影像，将所有时间段的荧光光谱强度积分，得到被测对象特征波长的荧光影像。

S620：从所述光谱影像数据中将各点荧光光谱在波长上强度做积分，同时对预设时间段内的强度积分，可以得到被测对象预设时间段的荧光影像，将所有时间段的荧光强度积分，得到被测对象的荧光影像。

S630：根据光谱影像数据对应于每个位置点做辐射通量标定，得到辐射能量与波长校准曲线，通过三刺激值函数根据色度图得到各位置点随时间变化的颜色，得到随时间变化的彩色图像。

由于该方法解决问题的原理与以上设备和系统类似，因此本方法的实施可以参见设备和系统的实施，在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种荧光测试设备，其特征在于，包括依次设置的成像镜头、成像光谱仪、像增强器以及数字图像采集装置；

被测对象在激发光照射下形成的荧光经由所述镜头成像在成像光谱仪的狭缝上，所述成像光谱仪将狭缝上的各空点的光谱分光后成像在所述像增强器上，所述像增强器通过门控、放大功能将所述光谱传输至所述数字图像采集装置，所述数字图像采集装置根据所述像增强器传输的光谱形成光谱影像数据。

2.根据权利要求1所述的荧光测试设备，其特征在于，所述数字图像采集装置为数字相机。

3.根据权利要求1所述的荧光测试设备，其特征在于，所述成像光谱仪的入光侧与所述镜头固定连接，所述成像光谱仪的出光侧固定有第一固定件；

所述像增强器固定在所述第一固定件上。

4.根据权利要求1所述的荧光测试设备，其特征在于，所述像增强器与所述数字图像采集装置间通过光纤锥耦合连接。

5.根据权利要求4所述的荧光测试设备，其特征在于，所述像增强器背离所述成像光谱仪的一侧固定有第二固定件；

所述第二固定件背离所述像增强器的一侧固定有所述数字图像采集装置。

6.根据权利要求5所述的荧光测试设备，其特征在于，所述第二固定件为中央形成有中空部的筒形；

所述光纤锥置于所述筒形的中空部位，其前表面与所述像增强器和后表面与所述数字图像采集装置分别相对固定。

7.根据权利要求1所述的荧光测试设备，其特征在于，还包括用于控制所述像增强器和所述数字图像采集装置的时序控制器以及所述像增强器的高压电源；

所述时序控制器用于被外同步触发后，形成第一脉冲控制信号并将其传输至所述像增强器，形成第二脉冲控制信号并将其传输至所述数字图像采集装置；

所述像增强器和数字图像采集装置，在第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号的控制下依次工作，以使所述数字图像采集装置得到光谱影像数据。

8.根据权利要求1所述的荧光测试设备，其特征在于，所述设备进一步还包括处理器；

所述处理器用于处理被测对象所有位置点的光谱影像数据和所述光谱影像数据对应的时间得到所述被测对象的荧光光谱图像。

9.一种荧光测试系统，其特征在于，包括形成所述激发光的光源、将所述激发光导入至所述被测对象表面的光路模组、将被测对象形成的荧光整形并传输至镜头的显微光路、用于放置所述被测对象的平移台以及如权利要求1-8任一项所述的荧光测试设备；

所述平移台用于控制所述被测对象移动以使所述被测对象表面不同位置点受到激发光照射形成荧光。

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