高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統的製作方法

2023-04-23 01:05:06 1

專利名稱：高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種螢光誘導裝置，具體涉及到一種高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統。
背景技術：
雷射誘導螢光光路激發系統主要應用於蛋白質、DNA等生物分析和檢測領域，以及大分子團有機化學的光譜分析儀器設備。如圖1所示，其光路裝置的基本原理和結構為雷射器1產生雷射光束，經過濾光片2後，經過會聚透鏡3會聚，進入由由入射窗口 4、裝載被激發物質的容器5、被激發物質 6、出射窗口 7組成的被激發系統，被激發物質6吸收雷射能量後，能級躍遷發出螢光或拉曼光8，經過由準直透鏡組9、分光元件10、成像透鏡組11等部分組成的分光系統來分光，不同波長的光譜12按照空間位置分離，聚焦成像到光電傳感器13上，經光電轉化後，獲得的一定信噪比的電信號，傳輸到後端系統進行分析處理。其中，雷射器1指多模態雷射器裝載被激發物質的容器5通常是透明材質的石英、 有機玻璃等等，材質要求對被激發出來的有效螢光信號或拉曼光信號的光譜較好地透過。 光電傳感器13是弱光信號傳感器，通常有光電倍增管、CCD或者光電二極體。被激發物質6 通常有DNA、蛋白質、大分子有機化學物質或者可均勻懸浮在液體中的待檢測物質等等。本實用新型專利中提高的雷射誘導螢光裝置通常有以下2種型式共聚焦光路結構型式和正交光路結構型式。共聚焦結構型式的技術特點是激發光路和檢測光路的光軸方向相同。正交結構型式技術特點是雷射入射方向與螢光檢測方向垂直或者成0 90° 之間的某個角度。這兩種型式的光路，都受光源偏振性和被激發系統偏振性對激發效率的影響雷射器發出的雷射，通常具有一定的偏振狀態(偏振方向)，而被激發系統(尤其是大分子有機化合物質、晶體材料製作的承載容器)通常也有一定的偏振方向選擇性，如果兩種偏振性不一致，被激發物質的吸收效率將不同程度的降低，由此激發出來的螢光或拉曼光信號強度將達不到最高激發效果。激發出來的螢光或拉曼信號的強度通常比激發光要弱得多，例如螢光強度通常只有激發光強度的百分之一到萬分之一強度，而拉曼光通常只有激發光強度的萬分之一到百萬分之一。因此，有效提升激發效率、提升信噪比，是雷射誘導螢光檢測系統的關鍵性能指標。通常試圖消除這種偏振選擇性的優化方法有兩種第一種是通過設置特定波長的1/4波片，將線偏振光或橢圓偏振光經過調整至圓偏振光，從而降低偏振光對被激發系統的影響。其缺點是不能影響被激發系統4的偏振方向選擇性，被激發系統4對符合其偏振選擇方向的雷射能量有較好的吸收，對偏振方向不一致的部分能量的吸收效率仍舊低。第二種是精確測量雷射光束的偏振方向，通過精密的結構調整方法，將被激發系
3統的偏振選擇方向與雷射光束的偏振方向一致。該種優化方法的難點是，對於多模態的雷射器產品，其出射光束的偏振方向，以及同一個雷射器裝置的多種波長的偏振方向，並不總是一致的；同時，對於需要對雷射器進行分束的光路設計中，當前技術條件下設計製造的偏振分光片總是只能對多模態雷射器出射的多種波長當中的某一個特定波長的S光分量和P 光分量精確進行分束。這種困難尤其體現在產品的批量生產中，設計人員對每一種情況進行單獨設計製作以達到最優的情況缺乏可操作性。

實用新型內容針對上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統，以解決現有技術的雷射誘導螢光光路裝置激發效率低的技術問題。為實現上述目的，本實用新型採用了以下的技術方案一種高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統，包括雷射發射裝置、被激發裝置、分光裝置、光電轉換裝置以及信號處理裝置，所述雷射發射裝置為多模態雷射器，其發射光線經一濾光片濾光後，經過第一反射鏡改變光路方向再經一偏振分光片分光，分光後的部分光線經過第二反射鏡反射後射入所述被激發裝置一側，另一部分光線經兩個對應的第三、 第四反射鏡後從所述被激發裝置另一側射入，兩股光路激發所述被激發裝置中的被激發物質發出螢光或拉曼光，經分光裝置聚焦到所述光電轉換裝置，獲得電信號傳輸到所述信號處理裝置，在所述偏振分光片和所述第二反射鏡之間，以及所述第三、第四反射鏡之間都設置有1/2波片。依照本實用新型較佳實施例所述的激發系統，所述被激發裝置進一步包括一設置有透明窗口的容器，該容器內容置有被激發物質。依照本實用新型較佳實施例所述的激發系統，所述第四反射鏡與所述被激發裝置之間，以及所述第二反射鏡和所述被激發裝置之間各設置有一會聚透鏡。依照本實用新型較佳實施例所述的激發系統，所述分光裝置包括準直透鏡組、光柵以及成像透鏡組，所述準直透鏡組設置在所述被激發裝置的出光方向經過光柵調整後光線射入所述成像透鏡組聚焦後成像到所述光電轉換裝置。依照本實用新型較佳實施例所述的激發系統，所述1/2波片安裝在一波片安裝調整裝置上，所述波片安裝調整裝置包括安裝座、安裝在所述安裝座上設置有轉輪的安裝架、 用來鎖緊所述安裝架的波片架緊鎖圈以及波片壓環，所述1/2波片通過所述波片壓環和若干個墊圈設置在所述安裝架上。由於採用了以上的技術特徵，使得本實用新型相比於現有技術，具有如下的優點和積極效果本實用新型通過在多模態雷射的光路中，在對單光束激發的情形下準直之後的光路上任何位置、對雷射束經過偏振分光片分光之後的情形下分光後的光路上的任何位置或對雷射束經過多個偏振分光片分為多束光的情形下分光後的光路上的任何位置，設置若干片1/2波片來調整激發光束特定波長的偏振模式(見附圖五)，從而使得激發光的偏振態和被激發系統的偏振選擇性方向一致，同等功率下能使得激發的拉曼螢光信號強度提高 20 % 50 %，當原有偏振態匹配性較差的時候，能夠提升50 % 80 %甚至更高。
圖1是雷射誘導螢光裝置基本原理結構圖；圖2是1/2波片偏振原理圖；圖3是本實用新型提供的波片安裝調整裝置分解圖；圖4是本實用新型一種實施例的架構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的幾個優選實施例進行詳細描述，但本實用新型並不僅僅限於這些實施例。本實用新型的核心思想在於通過在多模態雷射的光路中，在合適的位置，設置合適的波片裝置(一片或者多片)來調整激發光束特定波長的偏振模式，從而使得激發光的偏振態和被激發系統的偏振選擇性方向一致，同等功率下能使得激發的拉曼螢光信號強度提高20 % 50 %，當原有偏振態匹配性較差的時候，能夠提升50 % 80 %甚至更高。對單光束激發的情形，設置在準直之後的光路上任何位置；對雷射束經過偏振分光片分光之後的情形，偏振分光片設置在分光後的光路上的任何位置；對雷射束經過多個偏振分光片分為多束光的情形，偏振分光片設置在分光後的光路上的任何位置。如圖2所示，1/2波片37偏轉振動方向的基本原理是光學專業的基本原理，本文中不作累述。基本概念簡述如下入射光為單色光，其偏振分量為S分量(振動方向如圖四) 和P分量(振動方向如圖四)決定，只有S分量或者只有P分量時，稱為線偏振光。包含有 S分量和P分量的光束為橢圓偏振光。二分至一波片的作用是，改變偏振方向90度，即如圖出射光的振動方向與入射光的振動方向，相差90度。如圖3所示，本實用新型中的1/2波片通常通過以下波片安裝調整裝置來固定位置。本實用新型所提及的波片安裝調整裝置包括波片壓環38、橡膠墊圈39、二 1、2波片40、 墊圈41、波片安裝架42、波片安裝座43、波片架緊鎖圈44、緊鎖螺釘46、緊鎖螺釘50等部分組成。其中，波片壓環38的作用是將波片受力均勻的緊固在波片安裝架上，波片壓環與波片安裝架之間的連接關係細牙螺紋緊固，永久性安裝時可塗上螺紋膠。波片安裝架42安裝在波片安裝座如圖所示的圓孔內，配合公差在+0. 01 +0. 05mm，能自由旋轉，但晃動量又小。波片安裝座43的安裝高度由實際系統光軸距離安裝面的高度決定。波片安裝架42 的轉輪48的作用是手動或者藉助其他工裝準確旋轉波片角度，從而獲得上文提及的要達到的最佳效果。緊鎖螺釘46的作用是，調試完成後，使得波片安裝架緊鎖圈44和波片安裝架42通過螺孔49緊固在一起，減少由于震動引起的波片位置、角度變化。緊鎖螺釘50的作用是使得波片安裝架43與波片安裝架42緊鎖，安裝在螺孔位置45。通常而言，光路對波片的角度靈敏度一般為1 3°左右，本結構採用帶大滾輪的波片安裝架42 (轉輪直徑大于波片直徑2倍)。例如波片直徑12mm，那麼滾輪直徑在24mm 以上，調整量在0. 5mm 1.5mm。徒手旋轉該轉輪，憑藉手的感知，即能夠達到該精度。也可設計這樣的調節小棍47，在滾輪上每隔30度加工一個圓孔(見48上排列的孔，孔的直徑 2mm,深度5mm，共12個)，調節時，小棍工裝47的一段插入一個孔中，手握住另外一端，通過手柄調節波片角度。小棍工裝47可以設計在50mm IOOmm左右，此時調整的角度定位範圍可達1. 7mm 5. Imm,能達到的角度定位精度比上述方法高2 4倍以上。 請參考圖4，論述本實用新型一具體實施例的示意圖，其包括雷射器51，經過濾光片52後，經由反射鏡53改變光路方向，經過偏振分光片M，經由反射鏡55、56、57改變光路方向，經過焦距和相對口徑相同的會聚透鏡58、59，進入由裝載被激發物質的容器60和被激發物質61兩部分組成的被激發裝置，被激發物質61吸收部分雷射能量後發出螢光或拉曼光62，在裝載被激發物質的容器60上通常設計透明窗口 63，經過包含準直透鏡組64、分光元件如光柵65成像透鏡組66的分光裝置，聚焦成像到光電傳感器67上，從而獲得一定信噪比的電信號傳輸到信號處理裝置66中進行分析處理。本例中提到的雷射器51，指多模態雷射器。裝載被激發物質61的容器60通常是透明材質的石英、有機玻璃等等，材質要求對被激發出來的有效螢光信號或拉曼光信號的光譜較好地透過。光電傳感器67是弱光信號傳感器，通常有光電倍增管、CCD或者光電二極體。被激發物質61通常有DNA、蛋白質、大分子有機化學物質或者可均勻懸浮在液體中的待檢測物質等等。本例中，採用相向入射雙光路的目的，是使得兩端的激發效果均勻一致。由於容器60在光軸69方向的長度較大，單光路的光能量在穿透物質時，能量逐漸降低，對另外一段的激發效果會顯著下降，因此，採用相向雙光路同時激發，以獲得充分的激發效果。 同時，已知被檢測系統具有偏振選擇性(即裝在被檢測物質的容器或被檢測物質具有一定的偏振選擇性)。被檢測物質有2種拉曼光標記染料，分別為日本TaKaRa公司的6-FAM (最大吸收波長494nm，最大發射波長518nm)，HEX(最大吸收波長533nm，最大發射波長559nm)。雷射器為氬離子氣體雷射器。雷射器功率50mW，光束直徑1mm，包含有458nm， 476nm, 488nm, 497nm, 502nm, 514. 5nm等6條主要譜線，其中488nm和514. 5nm譜線的能量佔據總能量的80%以上，其中488nm能量和514. 5nm能量比約為2 1。本實用新型專利所涉及的方法，在光路裝置中通過圖3所示的調整安裝裝置放置 2個相同的1/2波片70、71。放置該位置的原因有(1)相對於被激發物質兩端的光路元器件數量及光學性能參數完全一致，波片放置該位置狀態完全一樣，位置具有空間可交換性；( 該位置的光程較長，適宜於結構上設置波片結構件，給波片的調試可以留下空間。雷射功率為50mW，經過分光後，每個波片表面的最大能量密度為50000w/m2，宜採用耐受輻射能量高的鍍膜材料二氧化鈦(TiO2)作為增透膜材料(該材料耐受能量密度高達hlOV/m2以上，該數據為可公開查閱資料)，且適宜於長期工作。本實用新型專利所涉及的方法所提的1/2波片，如果系統優先考慮6-FAM染料所發出的拉曼光，則可設計488nm波長位置的1/2波片；如果系統優先考慮HEX染料所發出的拉曼光，則可設計514. 5nm波長位置的1/2波片。如果要平衡兼顧二種染料，波片的波長應當在488nm和514. 5nm之間。如表1可計算其效率。
6[0039]
權利要求1.一種高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統，包括雷射發射裝置、被激發裝置、分光裝置、光電轉換裝置以及信號處理裝置，其特徵在於，所述雷射發射裝置為多模態雷射器， 其發射光線經一濾光片濾光後，經過第一反射鏡改變光路方向再經一偏振分光片分光，分光後的部分光線經過第二反射鏡反射後射入所述被激發裝置一側，另一部分光線經兩個對應的第三、第四反射鏡後從所述被激發裝置另一側射入，兩股光路激發所述被激發裝置中的被激發物質發出螢光或拉曼光，經分光裝置聚焦到所述光電轉換裝置，獲得電信號傳輸到所述信號處理裝置，在所述偏振分光片和所述第二反射鏡之間，以及所述第三、第四反射鏡之間都設置有1/2波片。
2.如權利要求1所述的激發系統，其特徵在於，所述被激發裝置進一步包括一設置有透明窗口的容器，該容器內容置有被激發物質。
3.如權利要求1所述的激發系統，其特徵在於，所述第四反射鏡與所述被激發裝置之間，以及所述第二反射鏡和所述被激發裝置之間各設置有一會聚透鏡。
4.如權利要求1所述的激發系統，其特徵在於，所述分光裝置包括準直透鏡組、光柵以及成像透鏡組，所述準直透鏡組設置在所述被激發裝置的出光方向經過光柵調整後光線射入所述成像透鏡組聚焦後成像到所述光電轉換裝置。
5.如權利要求1所述的激發系統，其特徵在於，所述1/2波片安裝在一波片安裝調整裝置上，所述波片安裝調整裝置包括安裝座、安裝在所述安裝座上設置有轉輪的安裝架、用來鎖緊所述安裝架的波片架緊鎖圈以及波片壓環，所述1/2波片通過所述波片壓環和若干個墊圈設置在所述安裝架上。
專利摘要本實用新型提供一種高效多模態雷射誘導螢光光路激發系統，包括雷射發射裝置、被激發裝置、分光裝置、光電轉換裝置以及信號處理裝置，其特徵在於，在所述雷射發射裝置的發出光束經準直後的光路上、所述發射光束經偏振分光後的光路上或所述發射光束經多個偏振光分為多束光後的分光光路上設置有1/2波片。本實用新型所提供的激發系統可以使得激發光的偏振態和被激發系統的偏振選擇性方向一致，同等功率下能使得激發的拉曼螢光信號強度提高20％～50％，當原有偏振態匹配性較差的時候，能夠提升50％～80％甚至更高。
文檔編號G01N21/64GK202057600SQ20112016846
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月23日 優先權日2011年5月23日
發明者孫丹, 崔海濤, 龐曉東, 王守山, 許正光, 高寧 申請人:公安部第一研究所, 北京中盾安民分析技術有限公司