CN216525370U - 一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的是一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块。其特征是：它由平面光波导型激发光阵列组件、流动池、侧向接收平面光波导APD阵列组件、前向散射光接收组件组成。所述系统中：样品注入流动池，形成单细胞流，激发光阵列组件负责产生激光并对激光进行整形，整形后的光束照射到单细胞流上，前向散射光由前向散射光接收组件接收，侧向散射光由侧向接收平面光波导APD阵列组件接收，并将不同波长的信号光分开并传输至不同的APD检测。本实用新型可用于细胞的检测和分析。

Description

一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块

技术领域

本实用新型涉及的是一种基于平面光波导的流式细胞仪，可用于细胞自动分析，属于细胞检测及分析技术领域。

背景技术

流式细胞术是一种细胞分析技术，它在20世纪50年代首次被用于测量细胞体积，可在细胞随快速流动的流体直线通过观察孔时进行检测。流式细胞术速度快且具有单细胞水平检测能力，可为细胞生物学家提供统计学功能，能够快速分析和表征数百万个细胞。

流式细胞仪主要由流体系统、光学系统和光电处理系统三个部分组成。光学系统是流式细胞仪的核心。它负责光束整形，并将整形后的单激光束或激光束阵列照射在单细胞流上，然后通过对前向散射光、侧向散射光、荧光的收集和分光，再经由光电探测系统处理分析，得到细胞的统计学数据。

传统的流式细胞仪采用空间光路，其光路占用空间大，光路稳定性差，对环境稳定性要求高，需要定期对光路进行精密调节，并且光学元件受震动、温度、湿度等外界环境的干扰大。这些空间光学元件的体积大，易脏污，组装方式不够灵活。更为重要的是，传统的空间光路系统采用的是显微物镜头作为收光透镜，镜头的体积较大，这限制了光路的集成。

实用新型内容

本实用新型的目的是这样实现的：

一种基于平面光波导的集成化流式细胞仪光路模块。如图1，它由平面光波导型激发光阵列组件、流动池、固定支架、侧向接收平面光波导APD阵列组件、前向散射光接收组件组成。所述系统中：流动池安装在固定支架中心，外接流体控制系统后，可允许单细胞流通过；平面光波导型激发光阵列组件安装在固定支架上，激光芯片的输出光经透镜聚焦后进入平面光波导，在平面光波导输出端形成固定间距的光束；平面光波导的输出端安装有整形透镜，光束整形后从流动池一侧垂直照射到流动池内的单细胞流上；侧向接收平面光波导APD阵列组件安装在固定支架上，与发光阵列组件呈90度夹角；侧向接收平面光波导APD阵列组件通过前端的消色散透镜接收荧光和侧向散射光信号，并通过平面光波导把不同波长的信号光分别传输到不同的APD进行检测：前向散射光接收组件安装在固定支架上，正对发光阵列组件，接收前向散射光信号，并进行检测。

如图4所示，为了实现激光芯片能量高效耦合进平面光波导，在平面光波导的输入端可以使用锥形面的自聚焦透镜实现模场匹配。

为了使激发光束能充分照射到流动池内的单细胞流，需要对激光平面光波导的输出光束进行整形，使输出的光束为准直的椭圆光束。整形的方法可以有两种：

(1)所述的平面光波导输出端输出的光束经安装的柱面自聚焦透镜阵列垂直照射于单细胞流上。该自聚焦透镜前表面通过精密光学研磨，制备具有楔形表面的光束整形透镜，输出准直的椭圆光束，如图5。

所述的平面光波导输出端输出的光束经安装的自聚焦透镜阵列和柱透镜垂直照射于单细胞流上。该自聚焦透镜前表面粘贴柱透镜，输出准直的椭圆光束。

为了匹配更多生物染料，所述的激光阵列组件可以将多种不同波段的激发光源整形成激光阵列。不同波长的激发光芯片通过平面光波导和整形透镜，形成固定间距的光束阵列，照射至流动池的细胞流上，如图。

为了提高荧光/散射光的接收效率，所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件的接收端安装高数值孔径的消色差透镜，如图7。该高数值孔径的消色差透镜可以通过玻璃镜筒直接与平面光波导对接，提高安装的稳定性。

为了使激发光阵列组件内部光学元件端面和侧向接收平面光波导APD阵列组件内部光电元件避免外界尘埃污染和水汽侵蚀，整个激发光阵列的光学元件均采用平行缝焊工艺，将所有光学元件密封在金属外壳内，整形后的激发光通过外壳上的玻璃窗口出射。

为了使激发光阵列组件和荧光/散射光接收平面光波导APD阵列组件内部光电元件的发热元件和热敏感元件保持性能稳定，在激光芯片、APD芯片和平面光波导芯片下方安装TEC元件，进行温度控制。

平面光波导的集成化高，设计灵活，可以在激发光阵列组件内部同时并行几套光路，并灵活设计光束之间的间距。

根据封装工艺难易程度及光路集成程度，本实用新型可以采用4种装配方案：

如图1所示，可以通过直接激光芯片+平面光波导芯片、平面光波导芯片+APD芯片的方式，将整个光路模块进行高度集成，使模块的体积最小。

为方便更换光电元件及提高模块的可维修性，可以在激光芯片和平面光波导中间加入光纤连接，单独将带光纤的激光器与带光纤的平面光波导芯片连接；同时，将APD芯片与平面光波导芯片中间也加入光纤连接，光纤连接位置采用光纤适配器连接。该方案有效降低了集成难度和工艺难度，同时单独的激光器、APD组件可单独更换，降低维修成本。

结合方案（1）和方案（2），单独对激发端加入光纤连接，接收端保持不变；

结合方案（1）和方案（2），单独对APD接收端加入光纤连接，激发端保持不变；

相对于传统的流式细胞仪光路设计，本实用新型具有以下几个显著优点：

本实用新型采用平面光波导设计，平面光波导芯片相比传统的空间光路，光学元件大幅减少，光路高度集成，内部光路稳定性极高，不受外界震动的影响；

光学元件全部封装在密封空间内，杜绝了外接尘埃和湿气导致的性能退化，无需对光学元件表面进行周期性的清洁维护；

（3）采用平面光波导设计，内部光路高度集成，大部分器件采用一体化封装，大幅减少了可调整部件，光路稳定性高，保障设备性能的长期稳定性；

采用平面光波导设计后，通过平面光波导芯片能完全超越传统采用的众多滤光片达到的性能；

采用平面光波导设计后，光路体积相比传统滤光片设计方案会大幅减小，实现光路系统的集成化和小型化，同时能大幅降低生产成本和后续维护成本；

采用平面光波导设计方案，可以灵活设计芯片，满足不同波长分选及光路合束的要求。

附图说明：

图1：基于平面光波导的集成化流式细胞仪光路模块的原理图；

图2：以平面光波导为核心的激发光阵列组件示意图。左侧3个不同波长的激光器芯片1，光束出射后经带锥面的自聚焦透镜2耦合进入第一平面光波导芯片3的对应输入端；经第一平面光波导芯片3对光束进行位置调整，输出具有固定间距的激光束；光束经输出端整形透镜4后，形成椭圆形准直光束；

图3：第一平面光波导芯片3光路示意图。不同波长的光束入射到对应的第一平面光波导芯片3入射端，第一平面光波导芯片3通过内部的衍射作用，完成光路的位置调整。第一平面光波导芯片3可以根据选用的激光器数量及输入输出的通道间距，设计对应的芯片，满足设计需要；

图4：具有锥形端面的自聚焦透镜2示意图。锥形端面用于对激光器芯片1的输出光进行整形和聚焦；

图5：以平面光波导核心的侧向接收APD阵列组件示意图。组件前方带有一体化组装的大数值孔径的消色差透镜5，可以将接收到的散射光和荧光信号聚焦到第二光波导芯片6的入光端；光信号经第二光波导芯片6进行分光后，将对应波长的光束直接入射到出光端的APD阵列7上；

图6：第二光波导芯片6光路传输示意图。第二光波导芯片6将入射的光信号，通过衍射作用将不同波长分别传输到不同通道，替代传统流式细胞仪的一系列滤光片。第二光波导芯片6可以根据需要分选的波长，设计对应的输出通道；

图7：三束激光对应的侧向接收APD阵列7层叠结构示意图。经自聚焦透镜2，每束激光产生的信号光分别进入对应层的第二光波导芯片6。根据所选用的激发光数量，可以设计第二光波导芯片6的堆叠数量。

具体实施方式：

一种基于平面光波导的集成化流式细胞仪光路模块。如图1，它由平面光波导型激发光阵列组件、流动池8、固定支架、侧向接收平面光波导APD阵列组件、前向散射光接收组件组成。所述系统中：流动池8安装在固定支架中心，外接流体控制系统后，可允许单细胞流通过；平面光波导型激发光阵列组件安装在固定支架上，激光器芯片1的输出光经自聚焦透镜2聚焦后进入第一平面光波导芯片3，在第一平面光波导芯片3输出端形成固定间距的光束；第一平面光波导芯片3的输出端安装有整形透镜4，光束整形后从流动池8一侧垂直照射到流动池内的单细胞流上；侧向接收平面光波导APD阵列组件安装在固定支架上，与发光阵列组件呈90度夹角；侧向接收平面光波导APD阵列组件通过前端的消色差透镜5接收荧光和侧向散射光信号，并通过第二光波导芯片6把不同波长的信号光分别传输到APD阵列7上的不同的APD进行检测：前向散射光接收组件安装在固定支架上，正对发光阵列组件，接收前向散射光信号，并进行检测。

如图4所示，为了实现激光芯片能量高效耦合进平面光波导，在平面光波导的输入端可以使用锥形面的自聚焦透镜2实现模场匹配。

为了使激发光束能充分照射到流动池8内的单细胞流，需要对第一平面光波导芯片3的输出光束进行整形，使输出的光束为准直的椭圆光束。整形的方法可以有两种：

第一平面光波导芯片3输出端输出的光束经安装的柱面自聚焦透镜2阵列垂直照射于单细胞流上。该自聚焦透镜2前表面通过精密光学研磨，制备具有楔形表面的光束整形透镜，输出准直的椭圆光束，如图5。

第一平面光波导芯片3输出端输出的光束经安装的自聚焦透镜2阵列和柱透镜垂直照射于单细胞流上。该自聚焦透镜2前表面粘贴柱透镜，输出准直的椭圆光束。

为了匹配更多生物染料，激光阵列组件可以将多种不同波段的激发光源整形成激光阵列。不同波长的激发光通过平面光波导和整形透镜，形成固定间距的光束阵列，照射至流动池8的细胞流上，如图。

为了提高荧光/散射光的接收效率，所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件的接收端安装高数值孔径的消色差透镜5，如图7。该高数值孔径的消色差透镜5可以通过玻璃镜筒直接与第二光波导芯片6对接，提高安装的稳定性。

为了使激发光阵列组件内部光学元件端面和侧向接收平面光波导APD阵列组件内部光电元件避免外界尘埃污染和水汽侵蚀，整个激发光阵列的光学元件均采用平行缝焊工艺，将所有光学元件密封在金属外壳内，整形后的激发光通过外壳上的玻璃窗口出射。

为了使激发光阵列组件和荧光/散射光接收平面光波导APD阵列组件内部光电元件的发热元件和热敏感元件保持性能稳定，在激光器芯片1、APD阵列7和第一平面光波导芯片3、第二光波导芯片6下方安装TEC元件，进行温度控制。

平面光波导的集成化高，设计灵活，可以在激发光阵列组件内部同时并行几套光路，并灵活设计光束之间的间距。

相对于传统的流式细胞仪光路设计，本实用新型具有以下几个显著优点：

本实用新型采用平面光波导设计，平面光波导芯片相比传统的空间光路，光学元件大幅减少，光路高度集成，内部光路稳定性极高，不受外界震动的影响；

光学元件全部封装在密封空间内，杜绝了外接尘埃和湿气导致的性能退化，无需对光学元件表面进行周期性的清洁维护；

采用平面光波导设计，内部光路高度集成，大部分器件采用一体化封装，大幅减少了可调整部件，光路稳定性高，保障设备性能的长期稳定性；

采用平面光波导设计后，通过平面光波导芯片能完全超越传统采用的众多滤光片达到的性能；

采用平面光波导设计后，光路体积相比传统滤光片设计方案会大幅减小，实现光路系统的集成化和小型化，同时能大幅降低生产成本和后续维护成本；

采用平面光波导设计方案，可以灵活设计芯片，满足不同波长分选及光路合束的要求。

Claims (9)

1.一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：它由平面光波导型激发光阵列组件、流动池、固定支架、密封胶圈、侧向接收平面光波导APD阵列组件、前向散射光接收组件组成；系统中：流动池安装在固定支架中心；平面光波导型激发光阵列组件安装在固定支架上，输出激光经平面光波导传输及透镜整形后，从流动池一侧照射到流动池内的单细胞流上；侧向接收平面光波导APD阵列组件安装在固定支架上，与所述平面光波导型激发光阵列组件呈90度夹角；侧向接收平面光波导APD阵列组件通过前端的聚焦透镜接收荧光和侧向散射光信号，并通过平面光波导内部的衍射作用把不同波长的信号光分别传输到不同的APD进行检测：前向散射光接收组件安装在固定支架上，正对平面光波导型激发光阵列组件，接收前向散射光信号，并进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的平面光波导型激发光阵列组件包含所需波长的激光芯片、聚焦透镜、平面光波导芯片和整形透镜，该组件将激光芯片的出射光，经透镜聚焦进入平面光波导芯片，经平面光波导传输至另一端的自聚焦整形透镜，实现激光输出和光束整形。

3.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的平面光波导型激发光阵列组件可以由多个不同波长的激光芯片组成，形成共焦的激光阵列，相邻光束的间距相同，且在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的平面光波导型激发光阵列组件是单个波长光源。

5.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的平面光波导型激发光阵列组件的所有出射光束垂直照射在单细胞流上，且经过整形自聚焦透镜进行光束整形，输出为准直的椭圆光束。

6.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件的接收端为高数值孔径的消色差透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件的平面光波导在接收到消色差透镜的荧光/散射光信号后，通过平面光波导内部的衍射作用，将不同波长的信号光分开，并传输至不同的通道。

8.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件的输出端安装有APD阵列，用于不同波长的信号检测。

9.根据权利要求1所述的一种基于平面光波导的流式细胞仪集成化光路模块，其特征是：所述的侧向接收平面光波导APD阵列组件内部的平面光波导可以按层级排列，前端的消色差透镜将对应激发光的信号聚焦到对应层的平面光波导上，通过对应平面光波导传输到所述平面光波导的通道输出端的APD上，进行信号检测。

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