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一品种高斯平顶光束激光体系的制作办法

发布时间:2022-06-23 13:12:55 | 作者:华体会体育登陆入口 点击量: 11
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  依据流式细胞术的仪器,包含流式细胞仪、血液剖析仪、粒子剖析仪等都是经过对靶流中摆放成单列的细胞或其他微粒逐一进行快速定量剖析和分选的技能渠道,其基本原理是运用聚集的激光束照耀单个细胞或微粒,并一起运用光电勘探器材对发生的散射光或荧光信号剖析然后得到待检测物的各种参数。其间激光光源及其光学体系是流式细胞仪的核心部件之一,聚集光束的质量和安稳性直接决议了流式细胞仪器的性能指标。因为待剖析细胞样品在靶流中高速活动(5000个/秒),经过激光照耀区域的时刻仅为微秒量级,其发生的散射光或荧光信号强度与激光照耀区域的光功率密度散布密切相关。

  现在的干流技能一般是选用球面柱透镜、球面透镜及棱镜对组合对激光光束进行整形,使激光束终究聚集在靶流室中心时构成椭圆形光束。其能量散布在水平方向上和笔直方向上一般都呈高斯散布,如附图1所示。一方面,在仪器装调进程中对激光照明模块的指向性要求极高,有必要使高斯光束的极点方位严厉对准靶流的中心方位,增加了仪器装调难度和维护本钱。另一方面,因为激光束在水平方向的功率密度不均匀,同类粒子在不同方位经过激光照耀区时就会引起不同强度的散射光或荧光信号,然后导致较高的体系变异系数(CV),乃至是错误判断成果。如附图2所示,选用“平顶”激光光束照明,能够使每个经过聚集光斑的细胞或微粒承受相同强度的激光辐照,然后进步了流式细胞仪的剖析准确性。发生平顶光束的激光整形技能包含运用衍射光学元件、非球面透镜、数字微镜等便是为完成激光束在靶流照耀区的“平顶”散布这一意图。但是这些技能得到的“平顶”光束在整个靶流中(包含周围没有细胞流过的靶流区)都具有相同的激起光功率散布,这既导致了激光功率的无端糟蹋,也增加了体系的布景光噪声。此外,这些技能所需求的要害元器材如衍射光学元件、非球面透镜、数字微镜等加工工序繁琐,周期较长,价格昂贵。

  本实用新型的意图便是为了处理现有技能中存在的上述问题,提出了一品种高斯平顶光束激光体系,该体系使聚集在靶流中心处的激光光束在水平方向呈类高斯平顶散布,该体系可消除因为细胞在不同方位进入照耀区时引起的差错,下降聚集光斑在周围没有细胞流过的靶流区的功率密度散布。

  本实用新型的意图经过以下技能计划来完成:一品种高斯平顶光束激光体系,包含沿光轴z方向放置的激光二极管;还包含与所述激光二极管空隙设置并将所述激光二极管宣布的光转化成在X方向是类高斯平顶光束的非球面透镜,所述非球面透镜的前方设置有激光二极管,后方设置有一优化组件,所述激光二极管、非球面透镜、优化组件在同一光路上顺次设置;所述优化组件包含顺次设置的棱镜对、柱面透镜组或聚集透镜;所述棱镜对用于将准直后的激光光束在Y方向上进行紧缩或扩束后使所述激光光束沿光轴方向准直传达,所述柱面透镜组包含榜首柱面镜和第二柱面镜,且两者正交放置,所述柱面透镜组用于对X方向和Y方向的光束进行聚集;所述榜首柱面镜具有正的光焦度,用于对X方向光束进行聚集,所述第二柱面镜具有正的光焦度,用于对Y方向光束进行聚集;所述聚集透镜具有正的光焦度,用于将经所述柱面透镜组整形后的激光光束聚集在靶流中心。

  优选地,所述非球面透镜具有正的光焦度,用于对所述激光二极管宣布的激光光束进行准直,使所述激光光束准直输出。

  优选地,所述非球面透镜具有特定的像差特征,要求满意以下联系:3.71≤W040·θ4·f4≤11.12;其间W040为准直透镜发生的波像差系数,θ为激光二极管的在X方向上1/e2处的发散角,单位为弧度,f为准直透镜的焦距,单位为mm。

  本实用新型技能计划的长处首要体现在:本实用新型提出了一品种高斯平顶光束激光体系,该体系可完成对笔直方向和水平方向光斑尺度的操控,将水平方向的光束整形为类高斯平顶光束,笔直方向仍为高斯光束,进步了靶流中心处的光强散布均匀性;并且能完成对终究聚集在靶流中心的光斑椭圆度在1:3-1:20进行操控和改换。该体系下降了对靶流体系的安稳性要求,大大简化了流式细胞仪体系设备、调试、校准进程。

  图5是本实用新型的类高斯平顶光束经优化组件后聚集在靶流中心方位处水平方向和竖直方向的光强散布实测图;

  本实用新型的意图、长处和特色,将经过下面优选施行例的非约束性阐明进行图示和解说。这些施行例仅是运用本实用新型技能计划的典型典范,凡采纳同等替换或许等效改换而构成的技能计划,均落在本实用新型要求维护的规模之内。

  如图3所示,该类高斯平顶光束激光体系包含一激光二极管1和一准直透镜2,所述激光二极管1沿光轴Z方向放置。本实用新型中的激光二极管1选用半导体激光二极管,所述半导体激光二极管1原始的出射光束的小发散角方向与细胞活动方向共同。该激光二极管宣布的光束在两个方向上的发散角不共同,假定光的传达方向为Z轴,那么光束在X方向的发散角θx和Y方向上的发散角θy是不同的,假定θx<θy,那么光束截面就会是长轴为Y方向的椭圆光斑。

  在本施行例中,所述准直透镜2优选为非球面透镜,所述非球面透镜2具有正的光焦度,用于将所述半导体激光二极管1宣布的激光光束进行准直,使所述激光光束准直输出;所述准直透镜2具有正的光焦度,且有用焦距为2mm-10mm,在本施行例中,所述准直透镜2的有用焦距优选为2.54mm。所述准直透镜2具有如下特征:

  其间W040为所述准直透镜2发生的波像差系数,θ为激光二极管的在X方向上1/e2处的发散角,单位为弧度,f为所述准直透镜2的焦距,单位为mm。波像差的标明式为:

  在本施行例中,咱们选用以无像差的抱负非球面透镜为参照,经过引进球差的办法得到类高斯平顶光束,能呈现类高斯平顶光束的必要条件为:

  1、该类高斯平顶光束激光体系的后作业间隔为150-500mm;类高斯平顶光束不安稳,只能在光轴上必定规模内发生,所述后作业间隔是指勘探平面离出光面的间隔。

  2、本实用新型所用准直透镜具有如下特征:3.71≤W040·θ4·f4≤11.12,其间W040为所述准直透镜发生的波像差系数,t为激光二极管的发散角,单位为弧度,f为所述准直透镜的焦距,单位为mm。

  图4是激光二极管W040=13经过的准直透镜后在后作业间隔300mm处的光斑实测图画,其水平方向为类高斯平顶光束;图5是类高斯平顶光束经优化组件后聚集在靶流中心方位处水平方向和竖直方向的光强散布实测图。该类高斯平顶光束激光体系还包含一将类高斯平顶光束进行优化的优化组件3。

  如附图3所示,所述优化组件3包含顺次设置的棱镜对31、柱面透镜组32和聚集透镜33。所述棱镜对31用于将准直后的激光光束在Y方向上进行紧缩或扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出。所述柱面透镜组32包含榜首柱面镜321和第二柱面镜322,且两者正交放置,所述柱面透镜组32用于对X方向和Y方向的光束进行聚集,所述榜首柱面镜321具有正的光焦度,用于对X方向光束进行聚集,所述第二柱面镜322具有正的光焦度,用于对Y方向光束进行聚集。所述聚集透镜33具有正的光焦度,在本施行例中,所述聚集透镜33为一双胶合透镜,用于将经所述柱面透镜组32整形后的激光光束聚集在靶流中心。所述棱镜对31将Y方向的激光光束整形为1-2mm。在本实用新型中,所述激光二极管1、所述准直透镜2、棱镜对31、柱面透镜组32和聚集透镜33在同一光路上顺次设置。

  详细进程为:所述激光光束经过所述棱镜对31后,所述棱镜对31用于将经准直透镜准直后的激光光束在Y方向上进行紧缩或扩束使所述激光光束沿光轴Z方向准直输出;经准直输出后的激光光束顺次经过榜首柱面镜和第二柱面镜,所述榜首柱面镜具有正的光焦度,对X方向的激光光束进行聚集,所述第二柱面镜具有正的光焦度,对Y方向的激光光束进行聚集;经过聚集后的激光光束再经过聚集透镜,使得最终出射的激光光束聚集在靶流液的中心方位。

  所述激光二极管1宣布激光经过所述准直透镜2得到在X方向是类高斯平顶光束及在Y方向是高斯光束,所述激光光束经过所述优化组件3后,进一步对所得的类高斯平顶光束进行紧缩改换,典型的聚集后的光斑实测图如附图5所示,在X方向上得到了100um左右的类高斯平顶光强散布,平顶宽度为30um,在Y方向上得到了10um左右的高斯光强散布。

  该类高斯平顶光束激光体系一方面完成了对笔直方向和水平方向光斑尺度的操控,使笔直方向的光斑聚集在靶流室的中心,聚集在靶流室中心的光束为椭圆型光斑,椭圆度为1:3-1:20,光强为高斯散布;另一方面,经过操控所述棱镜对、所述柱面透镜组和所述聚集透镜将水平方向的激光光束整形为类高斯平顶光束,进步了靶流中心处的水平方向光强散布的均匀性。

  流式细胞仪是一种对细胞进行主动剖析和分选的设备。它能够快速丈量、存储以及显现悬浮在液体中的涣散细胞的一系列重要的生物物理、生物化学方面的特征参量,并能够依据预选的参量规模把指定的细胞亚群从中分选出来。

  该流式细胞仪的作业流程首要包含:将待检测细胞染色后制成单细胞悬液的待检测样品,然后在必定压力的效果下,将待检测样品压入活动室;不含细胞的磷酸缓冲靶液在高压下从靶液管喷出,靶液管进口方向与待检测样品的流向成必定视点,这样,靶液就能够包绕着待检测样品告知活动,组成一个圆形的流束,待检测细胞在靶液的包被下呈单行摆放,顺次经过检测区域。

  该流式细胞仪可一起进行多个参数的丈量,丈量数据首要来自特异性荧光信号以及非荧光散射信号。丈量是在丈量区进行的。所谓丈量区是指入射激光束和从活动式的喷嘴喷出的液流束的笔直相交点。液流束中心的单个细胞经过丈量区时,遭到入射激光光束的照耀,即遭到该类高斯平顶光束的照耀,会向立体角为2π的整个空间散射光线,散射光的波长和入射激光光束的波长相同;散射光的强度及其空间散布与细胞的巨细、形状、质膜以及细胞内部结构密切相关,因为这些生物学参数和细胞对光线的反射、折射灯光学特性有关。未遭受任何损坏的细胞对光线都具有特征性的散射,因而,能够运用不同的散射光信号直接对不经染色的活细胞进行剖析和分选。经过固定的和染色处理的细胞因为光学特性的改动,其散射光信号与不经染色的活细胞有所不同。散射光不只与作为散射中心的细胞的参数有关,还与散射角以及搜集散射光线的立体角等非生物要素有关。

  在流式细胞仪的丈量中,一般运用以下两种散射方向的散射光丈量:前向散射(FSC,Forword Scatter),又称0角散射,以及侧向散射(SCC,Side Scatter),又称90角散射;这儿所指的视点是入射激光光束照耀方向与搜集散射光信号的光电勘探器材轴向方向之间所成的视点。一般来说,前向散射光的强度与细胞的形状巨细有关,关于同种细胞集体,跟着细胞截面积的增大而增大;例如:关于球形活细胞,经试验标明在小立体角规模内基本上和截面积巨细成线性联系,关于形状杂乱具有取向性的细胞,则或许差异性很大。侧向散射光的丈量首要用来获取有关细胞内部精细结构的颗粒性质的有关信息;侧向散射光尽管也与细胞的形状以及巨细有关,但它对细胞膜、胞质、核膜的折射率更为活络,一起也能够对细胞质内部较大颗粒做出活络的反响。

  当细胞带着荧光素符号物,经过激光照耀区时,细胞内的荧光物质吸收契合其波长规模的光能量后,内部的电子受激起上升到高能级,然后敏捷式微回到基态,开释过剩能量成为光子,发生代表细胞内不同物质、不同波长的荧光信号,这些信号以细胞为中心,向空间360度立体角发射,发生散射光和荧光信号,因为侧向散射光以及荧光的强度很弱小,为了满意本实用新型光束整形体系的要求,有必要对侧向散射光和荧光进行聚集,使其与准直体系匹配,进步荧光和侧向散射光的信号强度。侧向散射光的成像能够很好的反响细胞内部的杂乱结构,这样咱们就具有了细胞结构的图画,受激起而发生的荧光的细胞成像能够用于对亚细胞水平信号散布的相关剖析。经过对这类荧光信号的检测和定量剖析就能了解所研讨细胞参数的存在与定量。

  附图6为本实用新型施行例的类高斯平顶光束激光体系运用在流式细胞仪中的测验成果图。在本实用新型中,咱们挑选了波长为488nm的半导体激光二极管,能一起检测FL1(FITC)、FL2(PE)、FL3(Percp)这三个荧光通道。前向散射通道和三种首要荧光通道(FITC,PE,Percp)的CV值分别为1.2%,1.4%,2.1%,1.7%,因而在生物样品剖析中能够进步剖析的活络度。选用本实用新型的类高斯平顶激光光束照明比选用现有的高斯激光光束照明得到了显着的改善,现有技能中的CV值一般在3%左右。实践流式细胞仪器运用中,荧光剖析通道的数目能够经过引进其它波长的激光器如405nm,532nm,638nm等进行拓宽,并选用本实用新型的类高斯平顶技能对激光光束进行整形。更进一步地,因为该类高斯平顶光束具有相对宽的平顶宽度(10-30um),使得该类高斯平顶光束激光体系在体系装调进程中的光路校准作业大为简化,该体系结构简略、价格低廉,节省了时刻和维护本钱。

  运用该类高斯平顶光束体系,可使聚集在靶流中心处的激光光束在水平方向呈类高斯平顶光束,该体系一方面可用于消除因为细胞在不同方位进入照耀区时引起的差错,进步体系的安稳性和CV值;另一方面下降聚集光斑在周围没有细胞流过的靶流区的功率密度散布,下降布景噪声,进步流式细胞剖析体系的信噪比和活络度。

  以上所述仅为本实用新型的施行例,并非因而约束本实用新型的专利规模,但凡运用本实用新型阐明书及附图内容所作的等效结构或等效流程改换,或直接或直接运用在其它相关的技能领域,均同理包含在本实用新型的专利维护规模内。