CN211718123U

CN211718123U - 孕激素荧光激发与检测光学系统

Info

Publication number: CN211718123U
Application number: CN202020083274.2U
Authority: CN
Inventors: 庞春颖; 郝浙吉; 张宏杰; 张长亮; 侯利杰
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2030-01-15

Abstract

孕激素荧光激发与检测光学系统，涉及一种光学系统，本实用新型包括荧光激发光路和荧光检测光路；激发光源发出的光经准直镜准直后通过激发滤光片滤出杂散光，再经45°倾斜放置的分光镜将单色光分成两束光；反射光束经第二聚焦透镜传输至光电探测器将光信号转换为电信号；透射光束经二向色镜反射至共焦距物镜，经共焦距物镜照射在试纸条的检测区，试纸条上结合的孕激素荧光标记物从激发光中获取能量转变为荧光；试纸条上被激发出的荧光经共焦距物镜照射在二向色镜上，经二向色镜透射后经检测滤光片滤出杂散光，再经第一聚焦透镜作用后荧光聚集至光电探测器接收面上将光信号转换为电信号。本实用新型线性范围宽、变异系数小、稳定性好、精度高。

Description

孕激素荧光激发与检测光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统，具体涉及一种孕激素荧光激发与检测光学系统。

背景技术

随着二胎政策开放，不孕不育率和流产率大幅度增加直接威胁着育龄人群的生殖健康，开展自我健康管理对妇女有重大意义。研究表明，通过检测促黄体生成素(LH)、尿孕酮(P)等指标对于妇女排卵期预测和最佳受孕日期的确定、不孕不育症的诊断及治疗效果的检测以及早期妊娠和流产的预防有十分重要的意义。

目前，现有激素检测产品主要分为两大类，一类是医疗机构采用的基于免疫化学发光法的全自动产品，其优点为检测精度高并且可以多指标检测，但是基本都采用血检方式，不适合家庭使用，同时也存在检测费用高、结果公布时间长、容易延误治疗等缺点。第二类是针对尿液中激素分子的免疫层析检测(胶体金法)技术，其优点是操作便捷，可以实现家庭化管理，但是该方法检测灵敏度较低，无法实现定量检测，远不能满足临床上对于激素定量检测的要求。

实用新型内容

本实用新型针对目前市场上现有的小型孕激素检测设备所存在的不足，采用荧光免疫层析技术研制出一种实现多通道、妇女家用、小型集成化、激素多指标定量检测的孕激素荧光激发与检测光学系统，实现了对妇女妊娠前后的全过程孕激素定量检测。

本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型的孕激素荧光激发与检测光学系统，主要包括：光电探测器、第一聚焦透镜、检测滤光片、二向色镜、共焦距物镜、试纸条、分光镜、激发滤光片、第二聚焦透镜、准直镜和激发光源；

由激发光源、准直镜、激发滤光片、分光镜、二向色镜、共焦距物镜、试纸条和第二聚焦透镜组成荧光激发光路；所述激发光源发出的光经准直镜准直后通过激发滤光片滤出杂散光，再经45°倾斜放置的分光镜将单色光分成两束光；反射光束经第二聚焦透镜传输至光电探测器将光信号转换为电信号；透射光束经二向色镜反射至共焦距物镜，经共焦距物镜照射在试纸条的检测区，试纸条上结合的孕激素荧光标记物从激发光中获取能量转变为荧光；

由共焦距物镜、二向色镜、检测滤光片、第一聚焦透镜和光电探测器组成荧光检测光路；所述试纸条上被激发出的荧光经共焦距物镜照射在二向色镜上，经二向色镜透射后经检测滤光片滤出杂散光，再经第一聚焦透镜作用后荧光聚集至光电探测器接收面上，将光信号转换为电信号。

进一步的，所述试纸条上结合的孕激素荧光标记物为稀土铕。

进一步的，所述激发光源选用发光波段小于400nm的紫外LED。

进一步的，所述准直镜采用平凸透镜，直径为12.7mm，焦距为25mm，材料为石英，半径为11.47mm，中心厚度为3.92mm，边厚为2.0mm。

进一步的，所述检测滤光片选用峰值在615nm处的窄带滤光片，直径为12mm，厚度为1.1mm，透过波段为597nm～630nm，波峰为615nm；所述激发滤光片选用峰值在365nm处的窄带滤光片，直径为25mm，厚度为2mm，透过波段为275nm～400nm，波峰为365nm。

进一步的，所述分光镜的工作波段为250～400nm，分光比为20R/70T，S2面镀AR增透膜，材料为紫外熔融石英，尺寸为12.5×12.5mm。

进一步的，所述二向色镜的反射波段为350～400nm，透射波段为465～1200nm，材料为光学级浮法玻璃，尺寸为15*12*1.1mm，通光口径>90％。

进一步的，所述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均采用平凸透镜；所述第一聚焦透镜的直径为10mm，焦距为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm；所述第二聚焦透镜的直径为10mm，焦距为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm。

进一步的，所述共焦距物镜的入瞳为6mm，物方数值孔径为0.5，工作距离为5mm，选取四片单透镜即第一单透镜、第二单透镜、第三单透镜、第四单透镜作为初始结构，共焦距物镜的焦点弥散斑直径小于1μm，RMS半径为2.5μm，共焦距物镜的结构参数如下表所示。

进一步的，所述光电探测器选用硅光二极管SFH 2711，响应波长为470～670nm，辐射敏感区大小0.35mm²。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，主要利用紫外LED作为激发光源，照射至试纸条上，激发出荧光，继而由光电探测器接收并进行信号处理，建立荧光强度与待测样品浓度之间的关系。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，具有线性范围宽、变异系数小、稳定性好、精度高等优点。

2、本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，采用落射式光学结构，弥补了斜入射式光学结构存在的装调复杂的缺陷，实现了家庭用孕激素检测仪的小型化、便捷化以及高检测精度和高检测速度。

3、本实用新型实现了荧光激发系统与荧光检测系统共光路工作，实现了对荧光的激发及探测，能够高效率地传递光能，实现光能的收集与分配。

4、本实用新型在共光路部分设计了短工作距的大NA物镜，使试纸条上被激发出的各个方向的荧光转换成平行光，便于收集。

附图说明

图1为本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统的结构示意图。

图2为共焦距物镜的结构示意图。

图3为共焦距物镜的点列图。

图中，1、光电探测器，2、第一聚焦透镜，3、检测滤光片，4、二向色镜，5、共焦距物镜，6、试纸条，7、分光镜，8、激发滤光片，9、第二聚焦透镜，10、准直镜，11、激发光源，12、光纤传感器，13、第一接口，14、第二接口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，主要包括：光电探测器1、第一聚焦透镜2、检测滤光片3、二向色镜4、共焦距物镜5、试纸条6、分光镜7、激发滤光片8、第二聚焦透镜9、准直镜10、激发光源11、光纤传感器12、第一接口13、第二接口14。其中，第一接口13通过光纤传感器12与光电探测器1电连接，激发光源11通过第二接口14和光纤传感器12与现有光强调节电路电连接。

本实用新型中，由激发光源11、准直镜10、激发滤光片8、分光镜7、二向色镜4、共焦距物镜5、试纸条6、第二聚焦透镜9、光纤传感器12、第一接口13和第二接口14组成荧光激发光路。荧光激发光路的作用是激发出试纸条6上的荧光。激发光源11发出的光经准直镜10准直后，再通过激发滤光片8滤出杂散光，最后经45°倾斜放置的分光镜7将单色光分成两束光(80％准直光透过分光镜7进入二向色镜4，20％准直光通过分光镜7反射至光纤传感器12)。其中，反射光束经第二聚焦透镜9作用后经第一接口13进入光纤传感器12传输至光电探测器1，由光电探测器1将光信号转换为电信号，荧光产生机理是光致发光现象，光强过高或过低都会影响荧光的激发强度，因此，可通过光电探测器1监测激发光源1发出的光束强弱，进而监测激发强度；其中，透射光束经二向色镜4反射至共焦距物镜5，经共焦距物镜5照射在试纸条6的检测区，试纸条6上结合的孕激素荧光标记物从激发光中获取能量而转变为荧光。透射光束的光强可以通过第二接口14连接的光强调节电路进行调节。

本实用新型中，试纸条6上结合的孕激素荧光标记物为稀土铕。吸收光谱是指物质吸收光子后，从低能级跃迁到高能级所产生的光谱，它能反映一个物质吸收光的能力，它表征物质在哪些波段具有较强的吸收特性；发射光谱是指物质发射光子后，从高能级跃迁到低能级所产生的光谱，它能反映一个物质发射光的能力，它表征物质在哪些波段具有较强的发光特性。稀土铕的吸收光谱中，在300nm～450nm范围内展示出一个中心在365nm的强吸收带。由于孕激素荧光标记物的吸收特性要求激发波长为365nm，激发出的荧光波长为615nm，因此，本实用新型选用发光波段小于400nm的紫外LED作为激发光源11，紫外LED能量高、带宽窄，与激光器相比，体积小且便于装调，使整个结构更加紧凑精密。

准直镜10的直径为12.7mm，焦距EFL为25mm，材料为石英，半径为11.47mm，中心厚度为3.92mm，边厚为2.0mm。

激发滤光片8选用峰值在365nm处的窄带滤光片，峰值处的透过率T_365nm在90％～95％之间。激发滤光片8的直径为25mm，厚度为2mm，透过波段为275nm～400nm，波峰为365nm。激发滤光片8的作用是在保证工作波长的光顺利通过的同时而尽量抑制其他各种波长的背景光或杂散光，降低本底噪音，提高检测灵敏度。

由于荧光的激发和探测过程是在光学暗箱中进行的，本系统在激发滤光片8后放置45°倾斜的分光镜7，当一束光投射到分光镜7的界面上时，会形成反射和透射两路光束。分光镜7的工作波段为250～400nm，分光比为20R/70T，S2面镀AR增透膜，材料为紫外熔融石英，尺寸为12.5×12.5mm。

二向色镜4的反射波段为350～400nm，透射波段为465～1200nm，材料为光学级浮法玻璃，尺寸为15*12*1.1mm，通光口径>90％。二向色镜4的作用是反射光束，同时透过被激发的荧光，要求透过率尽可能的高。二向色镜4在365nm处的透过率T₃₆₅约为0.88％，若不计光能损失，其反射率R₃₆₅＝1-T₃₆₅，约为99.2％，对荧光波长的透过率在85～95％之间。

第二聚焦透镜9的直径为10mm，焦距EFL为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm。

在共焦距物镜5的设计中，根据《光学设计手册》和机械结构的实际占用，入瞳为6mm，物方数值孔径为0.5，工作距离为5mm，选取四片单透镜即第一单透镜501、第二单透镜502、第三单透镜503、第四单透镜504作为初始结构，共焦距物镜5的结构如图2所示。如图3所示，共焦距物镜5的焦点弥散斑直径小于1μm，RMS(均方根)半径为2.5μm。共焦距物镜5的结构参数如表1所示。

表1

表1中，表面一栏中的1和2分别表示第一单透镜501的前表面和后表面，3和4分别表示第二单透镜502的前表面和后表面，5和6分别表示第三单透镜503前表面和后表面，7和8分别表示第四单透镜504前表面和后表面。

本实用新型中，由共焦距物镜5、二向色镜4、检测滤光片3、第一聚焦透镜2和光电探测器1组成荧光检测光路。荧光检测光路的作用是收集试纸条6上被激发出的荧光，为了尽可能的收集荧光，减少能量损失，在光路中加入检测滤光片3滤出杂散光及背景光干扰，在光电探测器1前加入第一聚焦透镜2将荧光聚集至光电探测器1的接收面上。试纸条6上被激发出的荧光经共焦距物镜5照射在二向色镜4上，经二向色镜4透射后经检测滤光片3滤出杂散光，最后经第一聚焦透镜2作用后荧光聚集至光电探测器1的接收面上，由光电探测器1将光信号转换为电信号，根据获得的荧光信号数值建立浓度关系模型，即荧光信号数值与孕激素分子的浓度成反比，从而实现对孕激素的定量测量。

检测滤光片3选用峰值在615nm处的窄带滤光片，峰值处的透过率T_615nm在90％～95％之间。检测滤光片3的直径为12mm，厚度为1.1mm，透过波段为597nm～630nm，波峰为615nm。检测滤光片3的作用是在保证工作波长的光顺利通过的同时而尽量抑制其他各种波长的背景光或杂散光，降低本底噪音，提高检测灵敏度。

第一聚焦透镜2的直径为10mm，焦距EFL为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm。

光电探测器1选用硅光二极管SFH 2711，响应波长为470～670nm，辐射敏感区大小0.35mm²。该硅光电二极管SFH 2711具有低暗电流，低噪声、高反馈电阻以及宽光谱响应范围等特点，满足实际检测的需要。

准直镜10、第一聚焦透镜2和第二聚焦透镜9均采用平凸透镜，平凸透镜的特点是焦距为正，其中一面为平面，一面为凸面，将凸面面向入射光，适用于单色光的准直和聚焦。

通过线性度测试，结果显示，本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，线性相关系数R²＝0.9886，P具有良好的线性特性。

通过稳定性测试，结果表明，本实用新型的一种孕激素荧光激发与检测光学系统，稳定性较好。

将本实用新型与现有的激素检测方法进行比对，结果如表2所示。本实用新型所采用的荧光免疫层析法灵敏度较高，CV小，而且廉价、成本低、操作简便、用时短，适合妇女妊娠前后的全过程孕激素定量检测。

表2

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，包括：光电探测器(1)、第一聚焦透镜(2)、检测滤光片(3)、二向色镜(4)、共焦距物镜(5)、试纸条(6)、分光镜(7)、激发滤光片(8)、第二聚焦透镜(9)、准直镜(10)和激发光源(11)；

由激发光源(11)、准直镜(10)、激发滤光片(8)、分光镜(7)、二向色镜(4)、共焦距物镜(5)、试纸条(6)和第二聚焦透镜(9)组成荧光激发光路；所述激发光源(11)发出的光经准直镜(10)准直后通过激发滤光片(8)滤出杂散光，再经45°倾斜放置的分光镜(7)将单色光分成两束光；反射光束经第二聚焦透镜(9)传输至光电探测器(1)将光信号转换为电信号；透射光束经二向色镜(4)反射至共焦距物镜(5)，经共焦距物镜(5)照射在试纸条(6)的检测区，试纸条(6)上结合的孕激素荧光标记物从激发光中获取能量转变为荧光；

由共焦距物镜(5)、二向色镜(4)、检测滤光片(3)、第一聚焦透镜(2)和光电探测器(1)组成荧光检测光路；所述试纸条(6)上被激发出的荧光经共焦距物镜(5)照射在二向色镜(4)上，经二向色镜(4)透射后经检测滤光片(3)滤出杂散光，再经第一聚焦透镜(2)作用后荧光聚集至光电探测器(1)接收面上，将光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述孕激素荧光标记物为稀土铕。

3.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述激发光源(11)选用发光波段小于400nm的紫外LED。

4.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述准直镜(10)采用平凸透镜，直径为12.7mm，焦距为25mm，材料为石英，半径为11.47mm，中心厚度为3.92mm，边厚为2.0mm。

5.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述检测滤光片(3)选用峰值在615nm处的窄带滤光片，直径为12mm，厚度为1.1mm，透过波段为597nm～630nm，波峰为615nm；所述激发滤光片(8)选用峰值在365nm处的窄带滤光片，直径为25mm，厚度为2mm，透过波段为275nm～400nm，波峰为365nm。

6.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述分光镜(7)的工作波段为250～400nm，分光比为20R/70T，S2面镀AR增透膜，材料为紫外熔融石英，尺寸为12.5×12.5mm。

7.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述二向色镜(4)的反射波段为350～400nm，透射波段为465～1200nm，材料为光学级浮法玻璃，尺寸为15×12×1.1mm，通光口径>90％。

8.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜(2)和第二聚焦透镜(9)均采用平凸透镜；所述第一聚焦透镜(2)的直径为10mm，焦距为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm；所述第二聚焦透镜(9)的直径为10mm，焦距为20mm，材料为K9，半径为10.36mm，中心厚度为2.80mm，边厚为1.51mm。

9.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述共焦距物镜(5)的入瞳为6mm，物方数值孔径为0.5，工作距离为5mm，选取四片单透镜即第一单透镜(501)、第二单透镜(502)、第三单透镜(503)、第四单透镜(504)作为初始结构，共焦距物镜(5)的焦点弥散斑直径小于1μm，RMS半径为2.5μm，共焦距物镜(5)的结构参数如下表所示。

10.根据权利要求1所述的孕激素荧光激发与检测光学系统，其特征在于，所述光电探测器(1)选用硅光二极管SFH 2711，响应波长为470～670nm，辐射敏感区大小0.35mm²。