CN218239827U - 一种基于超透镜的光片成像系统和pcr荧光检测光片系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统，利用超透镜和光源形成照明组件，减小照明组件的体积；而且，在探测组件中利用惠更斯超透镜替代大体积的远心套筒透镜，减小探测组件的体积，实现系统小型化；还可以考虑将惠更斯超透镜与滤光片封装在一起，可以进一步减小体积；由于超透镜量产成本低且一致性高，使得基于超透镜的高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统可以规模化生产。

Description

一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统

技术领域

本申请涉及光片成像技术领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统。

背景技术

目前，聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)技术是一种微量核酸分子检测技术。利用该PCR技术的高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统，作为一种斜置开顶式的光片系统(open-top light-sheet microscopy)，是针对大量数字微滴PCR荧光信号检测的显微成像系统。在高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统(在本文中可以简称为：PCR荧光检测光片系统)中，对样品进行照射的光学组件中使用了传统的光学透镜，由于传统的光学透镜需要多片，使整体体积较大，导致高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统很难量产。

实用新型内容

为解决上述问题，本申请实施例的目的在于提供一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于超透镜的光片成像系统，用于对样品进行检测，包括：照明组件、探测组件和样品腔；

所述样品腔内容置有折射率匹配液，所述样品浸入在所述折射率匹配液内，其中，所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率相同或相近；

在所述样品腔放置所述样品的平面内，所述照明组件的主光轴与所述探测组件的主光轴正交；

所述照明组件，包括：光源和超透镜；

所述超透镜，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光片，照射到所述样品上；

所述探测组件，获取所述样品中、被所述贝塞尔光片照射的平面形成的成像光束。

第二方面，本申请实施例还提供了一种PCR荧光检测光片系统，包括上述第一方面所述的基于超透镜的光片成像系统。

本申请实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，基于超透镜的光片成像系统中的样品腔内容置有折射率匹配液，样品浸入在所述折射率匹配液内，照明组件的主光轴与探测组件的主光轴正交，通过照明组件中设置的超透镜，对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光片照射到样品上，对样品进行激发，与相关技术中高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统中使用传统的光学透镜组对样品进行照射的方式相比，利用超透镜替代了传统的光学透镜组，由于超透镜具有轻薄的特点，且量产一致性更高，在与传统的光学透镜能够实现相同性能的前提下，可以减小整个光片成像系统中使用的透镜数量，使光片成像系统的结构更紧凑，体积更小，为大规模生产便携式小体积的PCR荧光检测光片系统提供了思路。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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示出了本申请实施例所提供的一种基于超透镜的光片成像系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的照明组件的结构示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的探测组件的结构示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的包含多个结构单元的超透镜的示意图。

图标：100、样品腔；102、样品；104、光源；106、超透镜；108、玻璃外壳；110、样品夹持件；112、位移台；114、光学支杆；300、套筒；302、显微物镜；304、惠更斯超透镜；306、光阑；308、照相机；310、滤光片。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

目前，PCR技术是一种微量核酸分子检测技术。高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统是针对大量数字微滴PCR荧光信号检测的一种光学系统，是一种open-top light-sheet microscopy。在斜置开顶式光片系统中，照明光路斜45度向上，通过透镜对光束进行整形形成光片；探测光路斜45度向下，与照明光路正交，收集二维微滴荧光信号；通过扫描样品，获得样品的二维时序堆栈图；重构出三维图像后对图像进行处理，获取微滴荧光数量以完成信号检测。作为一种检测仪器，可量产、小型化、一致性高是其重要指标。

高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统的照明光路是基于传统的光学透镜对照明光束进行整形形成高斯光片，所需的光学透镜数目达5片；光学系统搭建在光学面包板上，面包板通过转接件、光学接杆等与水平光学平台连接固定。整个系统体积为300(毫米)mm*450mm*300mm。基于传统光学透镜构建的高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统体积大，照明光路和探测光路的搭建不具有大规模复制性，稳定性也不够高，作为仪器进行量产受限。

基于此，本申请以下实施例提出一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统，利用超透镜和光源形成照明组件，减小照明组件的体积；而且，在探测组件中利用惠更斯超透镜替代大体积的远心套筒透镜，减小探测组件的体积，实现系统小型化；还可以考虑将惠更斯超透镜与滤光片封装在一起，以提高探测组件的成像质量；由于超透镜量产成本低且一致性高，使得基于超透镜的高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统可以规模化生产。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本申请做进一步详细的说明。

实施例

参见图1所示的一种基于超透镜的光片成像系统的结构示意图，本实施例提出一种基于超透镜的光片成像系统，用于对样品进行检测，包括：照明组件、探测组件和样品腔100。

所述样品腔内容置有折射率匹配液，所述样品102浸入在所述折射率匹配液内，其中，所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率相同或相近。

所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率相近，是指所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率之间的差值范围在0.01以内。

如样品的折射率为n，折射率匹配液的折射率为n±0.01，那么就可以认为所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率相近。

在所述样品腔放置所述样品的平面内，所述照明组件的主光轴与所述探测组件的主光轴正交。

所述样品腔的具体结构是现有技术，这里不再赘述。

参见图1和图2所示的照明组件的结构示意图，为了使照明组件对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成作为照射样品的光片的贝塞尔光片，所述照明组件，包括：光源104和超透镜106。

在一个实施方式中，所述光源，为VCSEL。当然，所述光源还可以使用现有技术中任何与上述VCSEL类似的激光器，这里不再一一赘述。

当所述光源为VCSEL时，所述激发光束，为VCSEL发出的激光。

所述超透镜，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光片，照射到所述样品上。

所述激发光束与所述贝塞尔光片，均具有能够激发样品的激发波长。

所述探测组件，获取所述样品中、被所述贝塞尔光片照射的平面形成的成像光束。

所述贝塞尔光片照射到所述样品的平面上后，对所述样品被照射的平面进行激发，使该平面受激后产生荧光。所述荧光，具有被激发的荧光波长。

而所述成像光束的主体是荧光，除了荧光外，所述成像光束还包含少量的环境光和具有激发波长的光束。

所述样品中，被所述贝塞尔光片照射的平面，都是与所述贝塞尔光片平行的平面。

具体地，为了对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，所述超透镜，包括：基底和设置在所述基底上的多个纳米结构；所述多个纳米结构中的各纳米结构的相位使得所述超透镜具有圆锥面相位分布。

所述超透镜的相位分布满足以下公式1：

其中，Φ_B表示所述超透镜的相位分布；r表示所述超透镜上任一点距中心的径向距离；

表示激发光束的波矢；λ表示激发光束的波长；R表示所述超透镜的最大口径；f表示所述最大口径对应的焦点位置。

为了将照明组件嵌入在所述样品腔上，所述照明组件，还包括：玻璃外壳108。

所述光源和所述超透镜设置在所述玻璃外壳内，所述玻璃外壳嵌入在所述样品腔上。

通过将所述光源和所述超透镜设置在所述玻璃外壳内，将照明组件嵌入在所述样品腔上，使照明组件与样品腔融为一体，算作所述样品腔部分。

在照明组件中使用超透镜，替代了大体积的传统光学透镜组，利用超透镜轻薄的优点，减小了照明组件的体积，使得照明组件可以规模化生产，一致性更高，成本更低。

为了获取成像光束并进行成像，参见图1和图3所示的探测组件的结构示意图，所述探测组件，包括：套筒300、显微物镜302、惠更斯超透镜304、光阑306和照相机308。

所述显微物镜、所述惠更斯超透镜、所述光阑和所述照相机设置在所述套筒内。

所述光阑位于所述惠更斯超透镜和所述显微物镜之间，所述光阑、所述惠更斯超透镜和所述显微物镜同光轴设置。

所述照相机位于所述惠更斯超透镜的出光侧。

所述成像光束入射到所述显微物镜后，通过所述光阑入射至所述惠更斯超透镜，被所述惠更斯超透镜会聚到所述照相机上。

所述照相机对接收到的成像光束进行处理，得到样品中的、被贝塞尔光片照射的平面的图像。

具体地，照相机探测器面放置在超透镜的后焦面上。所述成像光束被所述惠更斯超透镜会聚到所述照相机探测器面上。

所述光阑位于所述显微物镜的后瞳面上，所述显微物镜的后瞳面与所述惠更斯超透镜的前焦面重合；所述照相机位于所述惠更斯超透镜的后焦面上。

由于所述显微物镜的后瞳面位于物镜内部，鉴于所述显微物镜出射的光束是平行光，那么所述光阑放置在物镜内部非后瞳面的位置也是可以的。

在一个实施方式中，所述惠更斯超透镜的孔径为10毫米。设计惠更斯超透镜焦距，使探测光路放大倍率为2。

所述光阑，用于限制进入显微物镜的成像光束，具体而言，成像光束经光阑的限制作用是使成像光束直径大小被限制为光阑口径的大小的光束，为第一成像光束，该第一成像光束经惠更斯超透镜相位调制后为第二成像光束，第二成像光束为主光线与惠更斯超透镜的光轴平行的会聚光束，第二成像光束会聚在照相机探测器面上。

在探测组件中使用惠更斯超透镜，替代了大体积的远心套筒透镜，利用惠更斯超透镜轻薄的优点，减小了探测组件的体积，使得探测组件可以规模化生产，一致性更高，成本更低。

相关技术中，如果入射到照相机的成像光束中含有环境光和具有激发波长的光束，会降低所述照相机的成像质量。为了过滤掉成像光束中含有的环境光和具有激发波长的光束，所述探测组件，还包括：滤光片310。

所述滤光片设置在所述惠更斯超透镜和所述照相机之间。

所述滤光片，能够透过所述成像光束中具有预设波长的光束，并能够对除具有预设波长的光束之外的其他波长的光束进行反射。

在一个实施方式中，具有预设波长的光束为荧光的情况下，那么预设波长就是荧光波长，根据所述荧光波长设计滤光片，使得设计出来的滤光片可以透过荧光的同时，将成像光束中除具有荧光波长的光束之外的其他波长的光束进行反射。

通过在探测组件中设置滤光片，在照相机接收到成像光束前，过滤掉成像光束中含有的环境光和具有激发波长的光束，只有成像光束中的荧光能够透过滤光片入射到照相机中，那么照相机只需对样品被激发后产生的荧光进行处理，从而提高了照相机的成像质量。

可选地，所述超透镜和所述惠更斯超透镜均为消色差超透镜。

在一个实施方式中，在照明组件中，超透镜为第一消色差超透镜。所述第一消色差超透镜，应在波长495纳米(nm)和535nm(这两种波长分别对应荧光素FAM/HEX的吸收峰)处消色差。

相应地，在探测组件中，惠更斯超透镜为第二消色差超透镜。所述第二消色差超透镜，应在波长517nm和556nm(这两个波长分别对应荧光素FAM/HEX的发射峰)处消色差。

为了在基于超透镜的光片成像系统中对多个样品进行检测，就需要移动位于样品腔内的样品，为了移动位于样品腔内的样品，本实施例提出的基于超透镜的光片成像系统，还包括：样品夹持件110和位移台112。

所述样品夹持件的一侧与所述位移台螺纹连接，所述样品夹持件的另一端位于所述样品腔内，对所述样品进行夹持。

所述位移台能够带动所述样品夹持件在所述样品腔内产生平移，以改变所述样品在所述样品腔内的水平位置。

示例地，在所述样品夹持件上并排夹持有n个样品的情况下，在基于超透镜的光片成像系统对n个样品中的一个样品完成检测后，可以移动位移台，位移台会带动所述样品夹持件在所述样品腔内产生平移，改变所述样品在所述样品腔内的位置，使得n个样品中未被检测的样品在位移后位于照明组件发出的贝塞尔光片的照射范围内，对未被检测的样品进行检测，重复上述过程，完成对样品夹持件上所夹持的n个样品的检测。

而且，由于样品腔内具有与样品具有相同/相近折射率的折射率匹配液，使得样品在该折射率匹配液中水平移动到不同位置时均不会造成探测组件虚焦，使探测组件可以获得样品的高对比度二维图像。

为了对所述位移台和所述样品腔分别进行支撑，本实施例提出的基于超透镜的光片成像系统，还包括：光学支杆114。

所述光学支杆，能够对所述位移台和所述样品腔分别进行支撑。

所述光学支杆通过螺丝分别与连接样品腔和位移台连接固定后，对所述位移台和所述样品腔分别进行支撑。

在一个实施方式中，所述位移台和所述样品腔下面分别可以安装有4个光学支杆。

为了将探测组件固定在样品腔的一侧，可以通过能够进行调节角度的光学支杆将探测组件固定在水平桌面上。

参见图4所示的包含多个结构单元的超透镜的示意图，每个结构单元均包含至少一个纳米结构，结构单元能够调制入射光，纳米结构可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，其至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，多个纳米结构呈阵列排布，从而能够划分出结构单元；该结构单元可以为正六边形、正方形、扇形等，每个结构单元的中心位置，或者每个结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。其中，所有的纳米结构可以位于基底的同一侧，或者，部分纳米结构位于基底的一侧，另一部分纳米结构位于基底的另一侧，本实施例对此不作限定。

需要说明的是，超透镜的基底为整体的层结构，超透镜中的多个结构单元可以是人为划分出来的，即在基底上布设多个纳米结构，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构的结构单元，或者说，多个结构单元可以形成一体式结构的超透镜。

在一个实施方式中，照明组件中的超透镜可以采用如下设计：超透镜的基底材料为石英，纳米结构材料为SiN，纳米结构采用圆柱，排列方式为正六边形排布，纳米结构高度为600nm。照明组件中的超透镜产生的贝塞尔光片厚度为20(微米)um，有效准直长度为3mm。

本实施例提出一种PCR荧光检测光片系统，包括上述的基于超透镜的光片成像系统。

综上所述，本实施例提出一种基于超透镜的光片成像系统和PCR荧光检测光片系统，基于超透镜的光片成像系统中的样品腔内容置有折射率匹配液，样品浸入在所述折射率匹配液内，照明组件的主光轴与探测组件的主光轴正交，通过照明组件中设置的超透镜，对光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光片照射到样品上，对样品进行激发，与相关技术中高通量数字微滴PCR荧光检测光片系统中使用传统的光学透镜组对样品进行照射的方式相比，利用超透镜替代了传统的光学透镜组，由于超透镜具有轻薄的特点，且量产一致性更高，在与传统的光学透镜能够实现相同性能的前提下，可以减小整个光片成像系统中使用的透镜数量，使光片成像系统的结构更紧凑，体积更小，为大规模生产便携式小体积的PCR荧光检测光片系统提供了思路。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于超透镜的光片成像系统，用于对样品进行检测，其特征在于，包括：照明组件、探测组件和样品腔；

所述样品腔内容置有折射率匹配液，所述样品浸入在所述折射率匹配液内，其中，所述折射率匹配液的折射率与所述样品的折射率相同或相近；

在所述样品腔放置所述样品的平面内，所述照明组件的主光轴与所述探测组件的主光轴正交；

所述照明组件，包括：光源和超透镜；

所述超透镜，对所述光源发出的激发光束进行超衍射聚焦，形成贝塞尔光片，照射到所述样品上；

所述探测组件，获取所述样品中、被所述贝塞尔光片照射的平面形成的成像光束。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述照明组件，还包括：玻璃外壳；

所述光源和所述超透镜设置在所述玻璃外壳内，所述玻璃外壳嵌入在所述样品腔上。

3.根据权利要求1所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述超透镜，包括：基底和设置在所述基底上的多个纳米结构；所述多个纳米结构中的各纳米结构的相位使得所述超透镜具有圆锥面相位分布。

4.根据权利要求3所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述超透镜的相位分布满足以下公式：

其中，Φ_B表示所述超透镜的相位分布；r表示所述超透镜上任一点距中心的径向距离；

表示激发光束的波矢；λ表示激发光束的波长；R表示所述超透镜的最大口径；f表示所述最大口径对应的焦点位置。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述光源为垂直表面发射激光器VCSEL。

6.根据权利要求1所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述探测组件，包括：套筒、显微物镜、惠更斯超透镜、光阑和照相机；

所述显微物镜、所述惠更斯超透镜、所述光阑和所述照相机设置在所述套筒内；

所述光阑位于所述惠更斯超透镜和所述显微物镜之间，所述光阑、所述惠更斯超透镜和所述显微物镜同光轴设置；

所述照相机位于所述惠更斯超透镜的出光侧；

所述成像光束入射到所述显微物镜后，通过所述光阑入射至所述惠更斯超透镜，被所述惠更斯超透镜会聚到所述照相机上。

7.根据权利要求6所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述光阑位于所述显微物镜的后瞳面上，所述显微物镜的后瞳面与所述惠更斯超透镜的前焦面重合；所述照相机位于所述惠更斯超透镜的后焦面上。

8.根据权利要求6所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述探测组件，还包括：滤光片；

所述滤光片设置在所述惠更斯超透镜和所述照相机之间；

所述滤光片，能够透过所述成像光束中具有预设波长的光束，并能够对除具有预设波长的光束之外的其他波长的光束进行反射。

9.根据权利要求6所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，所述超透镜和所述惠更斯超透镜均为消色差超透镜。

10.根据权利要求1-9任一项所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，还包括：样品夹持件和位移台；

所述样品夹持件的一侧与所述位移台螺纹连接，所述样品夹持件的另一端位于所述样品腔内，对所述样品进行夹持；

所述位移台能够带动所述样品夹持件在所述样品腔内产生平移，以改变所述样品在所述样品腔内的水平位置。

11.根据权利要求10所述的基于超透镜的光片成像系统，其特征在于，还包括：光学支杆；

所述光学支杆，能够对所述位移台和所述样品腔分别进行支撑。

12.一种PCR荧光检测光片系统，其特征在于，包括上述1-11任一项所述的基于超透镜的光片成像系统。

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