CN217059902U

CN217059902U - 面阵扫描式基因生物成像仪系统

Info

Publication number: CN217059902U
Application number: CN202220525546.9U
Authority: CN
Inventors: 吴琼; 陈启梦; 王哲; 刘子琦; 李子博
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2032-03-10

Abstract

一种面阵扫描式基因生物成像仪系统涉及荧光显微镜仪器设计与制备领域，解决了传统荧光显微镜光学系统局限性的问题。该系统包括：激光光源、滤光片Ⅰ、透镜、扫描振镜、切换平台、磁悬浮底座、LED环形照明、显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ和高精度相机；本实用新型采用了共聚焦显微模式，用高度聚焦的激光束对样品逐点扫描成像，荧光信号经过滤波后被高精度相机收集。共聚焦显微模式有效的滤除了离焦信号，而且通过逐层扫描样品，可实现三维成像。与普通宽场或点扫描荧光显微镜相比，共聚焦显微镜模式具有更高的信噪比和分辨率。并设计了切换荧光滤光片的荧光成像系统，实现了对FAM与HEX两种生物荧光信号的检测，减少了成像时间，提高了成像速度。

Description

面阵扫描式基因生物成像仪系统

技术领域

本实用新型涉及荧光显微镜仪器设计与制备领域，具体涉及一种面阵扫描式基因生物成像仪系统。

背景技术

荧光显微成像技术(Fluorescence microscopy)通过荧光标记技术对生物样品进行标记，对荧光标记后的样品进行高对比度成像。它的原理是：当用特定波长的激发光去照射带有荧光探针的样品时，荧光探针内的荧光团会吸收光能量，发射出荧光。这种方法大大提高了图像的对比度，即使是来自单个分子的荧光，也能被观察到。荧光显微成像技术具有两个明显的优势：通过对样品进行特异性标记，实现对样品内特定结构的观察；可以进行活体实时荧光成像。

近年来，荧光显微镜技术由于其良好特异性、高对比度、高信噪比等性能优势，被广泛应用于生物物理学，神经科学，细胞学，与分子生物学等生命科学研究的各个领域。然而，传统的荧光显微镜仍然存在分辨率、成像速度、成像视场、光毒性和光漂白等方面的相互限制，使其在亚细胞结构观测、活体生物超精密成像和分子结构研究领域的应用受到了极大阻碍。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种面阵扫描式基因生物成像仪系统，解决了传统荧光显微镜光学系统局限性的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种面阵扫描式基因生物成像仪系统，该系统包括：激光光源、滤光片Ⅰ、透镜、扫描振镜、切换平台、磁悬浮底座、LED环形照明、显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ和高精度相机；所述激光光源发出激光，通过滤光片Ⅰ滤掉短波光获得长波光，所述长波光经由所述透镜汇聚后，由扫描振镜反射在待测芯片上进行扫描，所述待测芯片被激发出的荧光由LED环形照明提供照明，通过所述显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ后由所述高精度相机采集；所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜采用落射式照明；所述显微物镜采用液固浸没双胶合光学结构；所述切换平台将所述待测芯片切换到测量位置，所述磁悬浮底座调整所述待测芯片的高度，实现三维测量；其中：

滤光片Ⅰ的半口径为12.5mm，中心厚度为2mm，光学材料为K9；

透镜的半口径为12.7mm，中心厚度为3.3mm，光学材料为N-BK7；

显微物镜的半口径为12.5mm，中心厚度为3.5mm，光学材料为N-BK7；

显微目镜的半口径为12.55mm，中心厚度为6.5mm，光学材料为N-BK7；

滤光片Ⅱ的半口径为12.7mm，中心厚度为2mm，光学材料为K9。

优选的，所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜、扫描振镜、LED环形照明、显微物镜、显微目镜和滤光片Ⅱ皆设置在外壳内；所述激光光源、滤光片Ⅰ和透镜自上而下同入射光轴设置；所述切换平台和磁悬浮底座设置在所述外壳外的底部，所述切换平台设置在所述磁悬浮底座上；所述LED环形照明对准待测芯片，所述LED环形照明、显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ和高精度相机自下而上同反射光轴设置。

优选的，还包括第二光源、第二滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜；所述第二光源、第二滤光片Ⅰ、第二透镜和第二扫描振镜与所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜以反射光轴对称设置在所述外壳内。

优选的，所述激光光源为FAM激发光源，所述第二光源为HEX荧光激发源。

优选的，所述扫描振镜为X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜。

优选的，所述滤光片Ⅰ、第二滤光片Ⅰ和滤光片Ⅱ使长波通过，短波截止。

优选的，所述LED环形照明、显微物镜、显微目镜和滤光片Ⅱ分别通过压圈固定在透镜套管内。

优选的，所述激光光源与第二光源可替换。

优选的，还包括隔振光学平台；所述隔振光学平台设置在外壳、切换平台和磁悬浮底座的外部。

优选的，所述扫描振镜电机采用扭矩为低扭矩的无轴空心电机。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用了共聚焦显微模式，用高度聚焦的激光束对样品逐点扫描成像，荧光信号经过滤波后被高精度相机收集。共聚焦显微模式有效的滤除了离焦信号，而且通过逐层扫描样品，可实现三维成像。与普通宽场或点扫描荧光显微镜相比，共聚焦显微镜模式具有更高的信噪比和分辨率。并设计了切换荧光滤光片的荧光成像系统，实现了对FAM与HEX两种生物荧光信号的检测，减少了成像时间，提高了成像速度。

1、光学系统的图像质量得到了提高，全视场畸变小于5％，说明光学系统的像差得到较好的矫正。

2、各个视场下的MTF曲线皆接近衍射极限，在空间频率为72.46时，MTF模值在0.5左右，远大于0.3。

3、艾里斑在衍射极限的半径为8.562μm，即位于芯片上的点通过此成像装置后被相机所收集到的像为8.562μm，大于像元尺寸，成像效果可以满足需求。

附图说明

图1本实用新型一种面阵扫描式基因生物成像仪系统机械图；

图2本实用新型实例的场曲和畸变图；

图3本实用新型实例的MTF图；

图4本实用新型实例的点列图；

图5本实用新型实例的工作流程图。

图中：1、激光光源，2、滤光片Ⅰ，3、透镜，4、扫描振镜，5、切换平台，6、磁悬浮底座，7、隔振光学平台，8、LED环形照明，9、显微物镜，10、显微目镜，11、滤光片Ⅱ，12、第二光源，13、高精度相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，一种面阵扫描式基因生物成像仪系统，该系统包括：激光光源1、滤光片Ⅰ2、透镜3、扫描振镜4、切换平台5、磁悬浮底座6、隔振光学平台7、LED环形照明8、显微物镜9、显微目镜10、滤光片Ⅱ11、第二光源12和高精度相机13；本实施例中，所述激光光源发出FAM激光，通过滤光片Ⅰ2获得长波光，滤过短波光，所述长波光经由所述透镜3汇聚后，由扫描振镜4在待测芯片上扫描，本实施例中，所述扫描振镜4由X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜组成，所述X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜成对使用且使用电机驱动，所述扫描振镜电机采用扭矩为低扭矩的无轴空心电机，从而使待测芯片上的样品的荧光分布图案被探测光路传输到高精度相机13进行成像。所述激光光源1、滤光片Ⅰ2和透镜3自上而下同入射光轴设置，呈落射式照明形式。

待测芯片上激发出的荧光由LED环形照明8提供照明，通过所述显微物镜9、显微目镜10、滤光片Ⅱ11后由所述高精度相机13采集；所述LED环形照明8、显微物镜9、显微目镜10、滤光片Ⅱ11和高精度相机13自下而上同反射光轴设置，且分别通过压圈固定在透镜套管内。所述切换平台5将所述待测芯片切换到测量位置；所述磁悬浮底座6调整所述待测芯片的高度。

外壳固定在切换平台5正上方，切换平台5安装于磁悬浮底座6之上，并用连接柱紧固连接。调平气泡安装于磁悬浮底座6靠近中心的位置，要求高精度相机13、滤光片Ⅱ11、显微目镜10、显微物镜9和调平气泡同轴，将带测芯片安装于切换平台5上，磁悬浮底座6打有四个定位孔用于插入连接柱，定位柱紧固安装于切换平台5的正下方磁悬浮底座6；磁悬浮底座6下方和切换平台5的四周都设有驱动装置，所述驱动装置包括：电磁铁、控制器、功率放大器和电源；所述电磁铁、控制器、功率放大器和电源串联设置；多个电磁铁以阵列形式均匀分布紧固安装，使磁悬浮底座6受力均匀。所述切换平台5的四个侧边分别安装数量相同的磁性材料，每个侧边的磁性材料对应设置驱动装置，将待测芯片移动到目标位置。所述激光光源1、滤光片Ⅰ2、透镜3、扫描振镜4、LED环形照明8、显微物镜9、显微目镜10、滤光片Ⅱ11和第二光源12皆设置在外壳内；所述LED环形照明8对准待测芯片。所述隔振光学平台7设置在所述切换平台5、磁悬浮底座6和外壳的外部，实现隔离振动的功效。

其中，所述第二光源12与激光光源1以反射光轴对称设置，本实施例中，所述第二光源12为HEX荧光激发源。

本实施例中，如图5所示，上述的一种面阵扫描式基因生物成像仪系统设计，该工作过程如下：

步骤一：将待测芯片放置于切换平台5上，接通电源，电磁铁通电使磁悬浮底座6浮起，调节磁场电流大小，观察调平气泡，使磁悬浮底座6上下达到平衡状态，调平完成后将磁悬浮底座6下电磁铁电流增大使切换平台5移动到合适位置后再次调平并固定电流大小。

步骤二：接通激光光源1后调节X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜使光束照射到待测芯片的样品上，驱动扫描振镜4对待测芯片进行扫描成像，激发光照射样品引起荧光效应。

步骤三：待测芯片发出的荧光进入显微物镜9、显微目镜10和滤光片Ⅱ11后，被高精度相机13接收，待高精度相机13成像完成后，将待测芯片取出。

步骤四：通过切换不同波长第二光源12，使所述样品呈现不同的检测效果，也可同时启动激光光源1和第二光源12实现双光路成像提高成像清晰度。

步骤五：成像完成后，取出待测芯片，并关闭电源。

本实施例成像光学系统的光学参数具体如下表所示。

表1 基因生物成像仪系统透镜光学参数

光学元件	半口径(mm)	中心厚度(mm)	光学材料
				滤光片Ⅰ	12.5	2	K9
平凸透镜	12.7	3.3	N-BK7
				显微物镜	12.7	3.5	N-BK7
显微目镜	12.55	6.5	N-BK7
				滤光片Ⅱ	12.7	2	K9

图2是本实施例的场曲和畸变图，反映了光学系统的图像质量，从图中可看出，全视场畸变小于5％，说明光学系统的像差得到较好的矫正。

图3是本实施例的MTF图，在空间频率为72.46时，MTF模值需要大于0.3。可以看出，各个视场下的MTF曲线皆接近衍射极限，在空间频率为72.46时，MTF模值在0.5左右，远大于0.3。

图4是本实施例的点列图，从图中可看出，艾里斑在衍射极限的半径为8.562μm，即位于芯片上的点通过此成像装置后被高精度相机13所收集到的像为8.562μm，大于像元尺寸，成像效果可以满足需求。

Claims

1.面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，该系统包括：激光光源、滤光片Ⅰ、透镜、扫描振镜、切换平台、磁悬浮底座、LED环形照明、显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ和高精度相机；所述激光光源发出激光，通过滤光片Ⅰ滤掉短波光获得长波光，所述长波光经由所述透镜汇聚后，由扫描振镜反射在待测芯片上进行扫描，所述待测芯片被激发出的荧光由LED环形照明提供照明，通过所述显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ后由所述高精度相机采集；所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜采用落射式照明；所述显微物镜采用液固浸没双胶合光学结构；所述切换平台将所述待测芯片切换到测量位置，所述磁悬浮底座调整所述待测芯片的高度，实现三维测量；其中：

滤光片Ⅰ的半口径为12.5mm，中心厚度为2mm，光学材料为K9；

透镜的半口径为12.7mm，中心厚度为3.3mm，光学材料为N-BK7；

滤光片Ⅱ的半口径为12.7mm，中心厚度为2mm，光学材料为K9。

2.根据权利要求1所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜、扫描振镜、LED环形照明、显微物镜、显微目镜和滤光片Ⅱ皆设置在外壳内；所述激光光源、滤光片Ⅰ和透镜自上而下同入射光轴设置；所述切换平台和磁悬浮底座设置在所述外壳外的底部，所述切换平台设置在所述磁悬浮底座上；所述LED环形照明对准待测芯片，所述LED环形照明、显微物镜、显微目镜、滤光片Ⅱ和高精度相机自下而上同反射光轴设置。

3.根据权利要求2所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，还包括第二光源、第二滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜；所述第二光源、第二滤光片Ⅰ、第二透镜和第二扫描振镜与所述激光光源、滤光片Ⅰ、透镜和扫描振镜以反射光轴对称设置在所述外壳内。

4.根据权利要求3所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述激光光源为FAM激发光源，所述第二光源为HEX荧光激发源。

5.根据权利要求3所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述扫描振镜为X方向扫描振镜和Y方向扫描振镜。

6.根据权利要求1或3所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述滤光片Ⅰ、第二滤光片Ⅰ和滤光片Ⅱ使长波通过，短波截止。

7.根据权利要求1所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述LED环形照明、显微物镜、显微目镜和滤光片Ⅱ分别通过压圈固定在透镜套管内。

8.根据权利要求1所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述激光光源与第二光源可替换。

9.根据权利要求1所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，还包括隔振光学平台；所述隔振光学平台设置在外壳、切换平台和磁悬浮底座的外部。

10.根据权利要求1所述的面阵扫描式基因生物成像仪系统，其特征在于，所述扫描振镜电机采用扭矩为低扭矩的无轴空心电机。