一种生物单分子成像用激光聚焦装置的制作方法

本实用新型涉及一种聚焦装置，尤其是涉及一种生物单分子成像用激光聚焦装置。

背景技术：

生物单分子是指一些与生命有着密切关系的有机低相对分子量化合物，包括氨基酸、脂肪酸、糖、嘌呤、嘧啶、单核苷酸、卟啉、ATP等高能化合物，生物单分子是构成生物高分子的基本成分。分子成像是近来新出现并迅速发展的一个生物医学领域，用它来显示和测定活体内生物过程在细胞和分子水平上的特征，可为深入揭示生理和病理过程的机制以及对疾病及其治疗提供可靠依据。X射线自由电子激光器(简称XFEL)是新一代光源，可用于产生纳米级物质的图像。目前，利用X射线自由电子激光器能制作出直径为70纳米左右的图像样本，这是四周病毒的平均大小。而利用同步加速器只能制作出微米级的图像样本。XFEL在生物医学领域至关重要，应用激光可以有效地研究细胞的细节和组成细胞的分子。生物大分子是构成生命的基础物质，包括蛋白质、核酸、碳氢化合物等，生物大分子晶体学是现如今的一个前沿领域，通过生物大分子图像推断其结构。传统上，由于缺乏大功率且空间和时间分辨率均满足要求的激光，单分子不可能成像，即便是最强大的激光衍射光线也不能从单分子来推断其结构。而实现生物结构的单分子成像后，将减少药物研究者上千万次的随机试验，大幅度节约研究成本，加快药物制造的漫长过程，缩短治疗生命威胁疾病的宝贵时间，挽救无数生命。

聚焦是指控制一束光或粒子流使其尽可能会聚于一点的过程。激光中光子的数量和光子的带宽以及激光的横截面积都会影响成像质量，而激光中光子的数量和光子的带宽以及激光的横截面积均直接影响激光亮度。现有的最好的X射线自由电子激光器能制作出直径70纳米物质的图像，该X射线自由电子激光器所产生激光的亮度能完成直径为70纳米病毒的成像。如能获取直径为70纳米物质的成像，便可能直接获得病毒的结构，对深入研究病毒分子与和其他病原体的结构具有重要意义。但为使直径小于几纳米的样品成像，需要更明亮的激光，即需要高亮度激光。为提高激光的亮度，可通过影响激光亮度的因素进行调整来实现，如调整激光脉冲的长度以及脉冲中光子的数量、截面面积、发散角和带宽等。而通过减小激光的光斑尺寸，则能有效提高单位面积内相干光子的数量，从而有效提高激光功率。同时，还需减少聚焦过程中的激光功率损失。因而，需要设计一种结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好的生物单分子成像用激光聚焦装置，能简便实现激光聚焦，并能有效减少激光聚焦过程中的功率损失。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好的生物单分子成像用激光聚焦装置，能简便实现激光聚焦，并能有效减少激光聚焦过程中的功率损失。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征在于：包括外壳和安装在外壳内的激光聚焦组件，所述外壳上设置有激光入射窗和激光出射窗，所述激光出射窗和激光入射窗分别位于所述激光聚焦组件的前后两侧；所述激光聚焦组件包括衍射光栅和对衍射光栅进行冷却的冷却装置，所述衍射光栅为透射光栅且其为圆光栅；所述冷却装置包括冷却液存储装置和布设在衍射光栅周侧的冷却管道，所述冷却管道的两端均伸出至外壳外侧，所述冷却液存储装置位于外壳外侧；所述冷却管道的一端为进液端且其另一端为出液端，所述冷却管道的进液端与所述冷却液存储装置的出液口连接，所述冷却管道的出液端与所述冷却液存储装置的进液口连接。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述冷却管道沿衍射光栅的外边缘线布设，所述激光聚焦组件还包括安装在衍射光栅外侧的环形罩壳，所述冷却管道罩装在环形罩壳内，所述环形罩壳底部开有两个供冷却管道两端穿出的通孔。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述外壳底部开有两个供冷却管道两端穿出的管道安装孔。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述激光聚焦组件的数量为一个。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述激光聚焦组件卡装在外壳内。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述激光聚焦组件与外壳呈垂直布设，所述激光入射窗位于所述激光聚焦组件的正后方，所述激光出射窗位于所述激光聚焦组件的正前方。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：还包括安装在外壳上的抽真空管道，所述抽真空管道的内端伸入至外壳内且其外端与真空泵连接，所述外壳为密闭壳体。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：所述衍射光栅包括光栅板，所述光栅板上设置有多道呈同心布设的圆形栅线；所述光栅板为圆形或正方形。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：还包括对衍射光栅的温度进行实时检测的光栅温度检测单元和对冷却管道内冷却液温度进行实时检测的冷却液温度检测单元，所述冷却管道上装有流量控制阀和液压泵，所述流量控制阀为由主控器进行控制的电磁控制阀，所述液压泵为由主控器进行控制的电动泵；所述光栅温度检测单元和冷却液温度检测单元均与主控器连接。

上述一种生物单分子成像用激光聚焦装置，其特征是：还包括对外壳内压力进行实时检测的压力检测单元、对冷却管道的流量进行实时检测的流量检测单元以及与主控器连接的显示单元和参数设置单元，所述压力检测单元和流量检测单元均与主控器连接；

所述外壳上安装有抽真空管道，所述抽真空管道的内端伸入至外壳内且其外端与真空泵连接，所述外壳为密闭壳体；所述真空泵为由主控器进行控制的电动泵且其与主控器连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理且加工制作简便，投入成本较低。

2、使用操作简便，能简便、快速对衍射光栅的温度以及外壳内的真空度进行调节。

3、使用效果好，能简便实现激光聚焦，能简便实现激光聚焦，并能有效减少激光聚焦过程中的功率损失。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型激光聚焦组件的结构示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型的内部结构示意图。

图4为本实用新型的电路原理框图。

附图标记说明:

1—外壳； 2—衍射光栅； 3—激光入射窗；

4—激光出射窗； 5—冷却管道； 6—环形罩壳；

7—光栅温度检测单元； 8—冷却液温度检测单元； 9—流量控制阀；

10—主控器； 11—压力检测单元； 12—流量检测单元；

13—真空泵； 14—显示单元； 15—参数设置单元；

16—液压泵。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型包括外壳1和安装在外壳1内的激光聚焦组件，所述外壳1上设置有激光入射窗3和激光出射窗4，所述激光出射窗4和激光入射窗3分别位于所述激光聚焦组件的前后两侧；所述激光聚焦组件包括衍射光栅2和对衍射光栅2进行冷却的冷却装置，所述衍射光栅2为透射光栅且其为圆光栅；所述冷却装置包括冷却液存储装置和布设在衍射光栅2周侧的冷却管道5，所述冷却管道5的两端均伸出至外壳1外侧，所述冷却液存储装置位于外壳1外侧；所述冷却管道5的一端为进液端且其另一端为出液端，所述冷却管道5的进液端与所述冷却液存储装置的出液口连接，所述冷却管道5的出液端与所述冷却液存储装置的进液口连接。

本实施例中，所述冷却管道5沿衍射光栅2的外边缘线布设，所述激光聚焦组件还包括安装在衍射光栅2外侧的环形罩壳6，所述冷却管道5罩装在环形罩壳6内，所述环形罩壳6底部开有两个供冷却管道5两端穿出的通孔。

并且，所述外壳1底部开有两个供冷却管道5两端穿出的管道安装孔。

本实施例中，所述激光聚焦组件的数量为一个。

本实施例中，所述激光聚焦组件卡装在外壳1内，拆装非常简便。

实际使用时，所述激光聚焦组件也可以采用紧固件固定在外壳1内。

本实施例中，所述激光聚焦组件与外壳1呈垂直布设，所述激光入射窗3位于所述激光聚焦组件的正后方，所述激光出射窗4位于所述激光聚焦组件的正前方。

同时，本实用新型还包括安装在外壳1上的抽真空管道，所述抽真空管道的内端伸入至外壳1内且其外端与真空泵13连接，所述外壳1为密闭壳体。

本实施例中，所述衍射光栅2包括光栅板，所述光栅板上设置有多道呈同心布设的圆形栅线；所述光栅板为圆形或正方形。

如图4所示，本实用新型还包括对衍射光栅2的温度进行实时检测的光栅温度检测单元7和对冷却管道5内冷却液温度进行实时检测的冷却液温度检测单元8，所述冷却管道5上装有流量控制阀9和液压泵16，所述流量控制阀9为由主控器10进行控制的电磁控制阀，所述液压泵16为由主控器10进行控制的电动泵；所述光栅温度检测单元7和冷却液温度检测单元8均与主控器10连接。

本实施例中，本实用新型还包括对外壳1内压力进行实时检测的压力检测单元11、对冷却管道5的流量进行实时检测的流量检测单元12以及与主控器10连接的显示单元14和参数设置单元15，所述压力检测单元11和流量检测单元12均与主控器10连接。

由于所述外壳1上安装有抽真空管道，所述真空泵13为由主控器10进行控制的电动泵且其与主控器10连接。

本实施例中，所述显示单元14和参数设置单元15集成为液晶显示屏，使用操作非常简便。

本实施例中，所述冷却装置所采用的冷却液为液氮，也可以采用其它类型的冷却液。

实际使用时，只需将本实用新型置于激光光源前侧，并使激光入射窗3与所述激光光源正对即可。所述激光光源可以为发生平行光线的平行光源，也可以为点光源，使用方式灵活。

为提高所述激光聚焦组件的有效性，增设有所述冷却装置，通过所述冷却装置将衍射光栅2的温度控制在4K～20K(即开尔文)，在该温度下，能有效减少所述激光聚焦组件聚焦过程中对激光造成的损害，提高聚焦效果。

本实施例中，所述冷却管道5的管径为φ20mm。实际使用时，可根据具体需要，对冷却管道5的管径进行相应调整。并且，所述冷却液的温度为2.5K左右。

并且，通过真空泵13将外壳1内的真空度进行调整为10Torr～13Torr，这样能有效减少激光中光子的损失量。

实际使用过程中，通过光栅温度检测单元7对衍射光栅2的温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至主控器10，通过冷却液温度检测单元8对冷却管道5内冷却液温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至主控器10，通过流量检测单元12对冷却管道5的流量进行实时检测并将所检测流量信息同步传送至主控器10，并且通过压力检测单元11对外壳1内压力进行实时检测并将所检测压力信息同步传送至主控器10，并通过显示单元14对主控器10所接收到的检测信息进行同步显示。所述光栅温度检测单元7、流量检测单元12、主控器10、流量控制阀9和液压泵16组成对衍射光栅2的温度进行调控的闭环温控系统，所述压力检测单元11和真空泵13组成对外壳1内的真空度进行调控的闭环压力控制系统。实际使用过程中，通过将衍射光栅2的温度控制在4K～20K，并将外壳1内的真空度进行调整为10Torr～13Torr，这样在保证聚焦后激光光斑尺寸为几纳米的同时，能有效减少激光聚焦过程中的功率损失，使聚焦后激光密度符合生物单分子成像需求。为将外壳1内的真空度调整到位，可以采用多级抽真空处理，具体采用多个所述真空泵13相配合进行抽真空，例如可以采用三个所述真空泵13分别进行初级抽真空、中级抽真空和高级抽真空。所述真空泵13的布设位置不限。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。