专利名称：微多光谱荧光接收和处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生化检测和体外医疗诊断设备，尤其涉及一种微多光谱荧光接收和处理系统。
背景技术：
目前，医疗机构临床诊断和生物检测所使用的仪器，采用的荧光采集系统均是以聚合酶链式反应(Picymerase Chain Reaction)PCR为特征的。在PCR反应体系中加入含有荧光物质的引物，荧光物质在特定波长的激发光源照射下发出另一特征波长的光，通过光电倍增管接受、光纤光信号传输、分立滤光片分光来检测PCR反应过程中荧光物质所发射的光强度，监测PCR扩增反应进程。通过计算机软件分析绘制实时的分析曲线，计算Ct 值，给出标本起始模板的核酸浓度值，进行DNA/RNA各种病原体的检测和基因分析。现有的临床诊断、生化仪器采用荧光收集系统的设计方法是分立滤光片分光，光纤光信号传输，光电倍增管接受荧光信号并进行光电转换，经前置放大和数据处理后分析计算原始基因含量和表达式，检测标本组织分子变异的情况。这种设计结构造价高，光的采集和光电转换复杂，真实样本信息获取的稳定性差，可测量的样本数目受限制。采用普通的光电倍增管，是将微弱光信号转换成电信号，但光照射到光电倍增管时，光阴极向真空中激发出光电子，光电子按聚焦板电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大，放大后的电子用阳极收集并作为信号输出。由于采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在紫外、可见光和近红外区的辐射能量的光电探测中有较高的灵敏度，在进行光学测量和光谱分析的临床诊断和生化仪器中得到广泛的应用。但是普通的光电倍增管一次只能测量一个信息，通道只有一个，限制了多通道信息的测量；光电倍增管在实际使用过程中，探测灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分恢复，出现“疲乏”现象；光电倍增管光阳极表面各点灵敏度不均勻。另外光电倍增管还需要附属电路如高压电源、放大和鉴别器、制冷室、磁屏蔽、管座等，这就使得整个系统的体积大， 对环境的要求高。近年来，随着半导体技术的发展，多阳极光电倍增管和硅光电倍增管相继问世，其共同的特点是使许多很细的光电倍增管组成矩阵，增加探测通道，减小光电倍增管的体积； 光学检测单元采用光学纤维透镜阵列。但是多阳极光电倍增管的阳极末端受细金属丝的限制，目前其测量通道只能做到百个。用于光学检测单元的光纤，对于样本载体来说，由于是点测量，检测和传输的光信号并不能准确完整的代表被测样本的真实信息。在光纤的固定形式方面光纤固定在样本的底部，如果定位不准会影响信号的检测质量；光纤固定在样本的上部，实验过程中，微孔板会经常的移动，不仅影响测量的质量而且给操作者带来诸多不便，同时光纤在实验过程中被污染也会降低测量的准确度。采用分立的滤光片分光，在大量的实验过程中，需要经常的调整滤光片轮使分立的滤光片分光不同的波长，这样不仅会产生人为的噪声，同时由于滤光片轮的机械移动会造成获取图像的位置偏移，影响获取图像信息的质量。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种微多光谱荧光接收和处理系统，克服现有的荧光接收和处理单元不能实时、准确、低成本、微型多通道的获取荧光信号的真实信息的缺陷。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种微多光谱荧光接收和处理系统，包括用于产生单色光均勻照射待成像物体以激发待成像物体辐射荧光的激发单元、用于收集待成像物体辐射的荧光并转化为图像信息的荧光收集单元和对根据荧光转换的图像信息进行分析处理的数据处理单元；所述荧光收集单元包括光学汇聚部件、 光电转换器和紧贴在光电转换器输入端的微滤光片，所述微滤光片为高度集成的多通道滤光片，所述微滤光片包含多个紧密排列的滤光微元，所述滤光微元呈矩阵排列，所述一个滤光微元覆盖所述光电转换器的一个光电转换单元；所述光学汇聚部件设置于待成像物体荧光辐射的光路上，所述微滤光片设置在所述光学汇聚部件的反射光路上，所述光电转换器的输出端连接所述数据处理单元；所述激发单元发射出的光照射在待成像物体上，待成像物体受激发辐射出特定波长的荧光，荧光照射在所述光学汇聚部件上，光学汇聚部件将荧光汇聚到微滤光片和与微滤光片紧密贴合的光电转换器上，微滤光片允许特定波长的荧光信号通过，荧光信号通过微滤光片后照射在光电转换器上，光电转换器根据所述荧光信号获取相应的图像信息，并将图像信息传送给所述数据处理单元，数据处理单元对所述光电转换器传送来的信息进行标定、分析和处理并输出分析处理的结果。其中，所述荧光收集单元的光电转换器为CCD或CMOS图像传感器，所述微滤光片集成在CXD或CMOS图像传感器上。其中，所述荧光收集单元的光电转换器为按阵列紧密排列的光电倍增管，微滤光片集成在微阵排列的光电倍增管上。其中，所述激发单元包括激光光源和凸面反射镜，所述凸面反射镜设置在激光光源的出射光路上，所述待成像物体设置在凸面反射镜的反射光路上。其中，所述激发单元包括窄带高功率LED光源和激发光滤光片，所述窄带高功率 LED光源的出射光经过激发光滤光片后均勻地照射在待成像物体上。其中，所述激发单元包括窄带高功率LED光源、激发光滤光片和平面反射镜，所述窄带高功率LED光源的出射光经过激发光滤光片照射所述平面反射镜，所述待成像物体位于所述平面反射镜的反射光路上。其中，所述光学汇聚部件为凹面反射镜，所述微滤光片及与之集成的光电转换器设置在所述凹面反射镜的焦点上。本发明的有益效果是区别于现有技术的临床诊断、生化仪器中的荧光接收和处理系统采用光电倍增管接受、光纤光信号传输、分立滤光片分光使得图像不准确、结构庞大、成本高并且可测试的数量有限，本发明的微多光谱荧光接收和处理系统采用微型多光谱技术，利用微滤光片对收集的受激发辐射的荧光信号进行滤光，微滤光片为高度集成的多通道滤光片，紧贴在光电转换器的输入端，对应于固有荧光特定波长的窄带荧光信号从微滤光片的微通道中通过照射在光电转换器上得到相应的图像，经过数据处理单元处理后输出结果。在本发明中，用于报告荧光染料标本中发生的生化反应过程的荧光信号，整体上变成实时的微多光谱图像传输，进而被带有微滤光片的光电转换器记录下来，所获取的图像准确、灵敏、客观地反映微孔模板内每一个试管标本载体的生化信息，提高了图像的信噪比和检测样本的可靠性。只需要调整微型窄带滤光片允许通过光的波长就可以适用于不同系列的荧光接收和处理过程的临床诊断和生化仪器。例如荧光胶体检测仪、荧光聚合酶链式反应仪、免疫时间分辨检测仪、免疫化学发光检测仪等生物检测和临床诊断仪器。本发明使仪器容易制造，收集荧光的方式设计非常紧凑、简洁，同时易于标准化，产品的可靠性容易达到高标准，仪器制造过程中的质量容易得到控制，在产品的生产制造上降低了成本，设计难度和仪器的复杂程度大幅度降低。
图1是本发明一实施例的光路原理图；图2是本发明图1中实施例的结构框图；图3是本发明微滤波片的结构示意图；图4是图3中A处局部放大图；图5是本发明使用激光光源的光路原理图；图6是本发明使用窄带高功率LED光源的光路图；图7是本发明使用窄带高功率LED光源的另一实施例的光路图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。请参阅图1以及图2，本发明提供一种微多光谱荧光接收和处理系统，包括激发单元1、光电转换单元2和数据处理单元3，盛载有荧光染料4即待成像物体的试管放置在微孔模板5上；激发单元1发射出单色光均勻照射在微孔模块5的荧光染料4上，荧光染料 4受激发辐射出特定波长的荧光。所述荧光收集单元2包括光学汇聚部件23、光电转换器 22和紧贴在光电转换器22输入端的微滤光片21，所述微滤光片21为高度集成的多通道滤光片，光学汇聚部件23设置在荧光染料4荧光辐射的光路上，所述微滤光片21设置在所述光学汇聚部件23的反射光路上，所述光电转换器22的输出端连接所述数据处理单元3。本发明中，激发单元1发射出的光照射在荧光染料4上，荧光染料4受激发辐射出固有特定波长的荧光，荧光照射在所述光学汇聚部件23上，光学汇聚部件23将荧光汇聚到微滤光片21上，荧光信号通过微滤光片21后照射在与微滤光片21紧密放置的光电转换器 22上，在本实施例中，光学汇聚部件23采用凹面反射镜，微滤光片21和与微滤光片21紧密放置的光电转换器22设置在凹面反射镜的焦点上，荧光染料4辐射的荧光照射在凹面反射镜上，凹面反射镜按照光学原理对荧光进行汇聚和增加光强，反射出的荧光照在微滤光片 21上，所述微滤光片21为高度集成的多通道滤光片，只允许特定波长的荧光信号通过，光电转换器22根据荧光信号获取对应的图像信息，并输送给数据处理单元3，数据处理单元3 对所述光电转换器22传送来的信息进行标定、分析和处理并输出分析处理的结果。所述数据处理单元3可以为计算机图像处理系统，所述光电转换器22获取的图像信息通过计算机接口电路送到计算机图像处理系统进行图像的标定和处理，对荧光染料4进行实时分析和定量检测，并把分析处理的结果输送到计算机显示器上进行显示。区别于现有技术的临床诊断、生化仪器中的荧光接收和处理系统采用光电倍增管接受、光纤光信号传输、分立滤光片分光使得图像不准确、结构庞大、成本高并且可测试的数量有限，本发明的微多光谱荧光接收和处理系统采用微型多光谱技术，利用微滤光片对收集的受激发辐射的荧光信号进行滤光，微滤光片为高度集成的多通道滤光片，紧贴在光电转换器的输入端，对应于固有荧光特定波长的窄带萤光信号从微滤光片的微通道中通过照射在光电转换器上得到相应的图像，经过数据处理单元处理后输出结果。在本发明中，用于报告荧光染料标本中发生的生化反应过程的荧光信号，整体上变成实时的微多光谱图像传输，进而被带有微滤光片的光电转换器记录下来，所获取的图像准确、灵敏、客观地反映微孔模板内每一个试管标本载体的生化信息，提高了图像的信噪比和检测样本的可靠性。 只需要调整微型窄带滤光片允许通过光的波长就可以适用于不同系列的荧光接收和处理过程的临床诊断和生化仪器。例如荧光胶体检测仪、荧光聚合酶链式反应仪、免疫时间分辨检测仪、免疫化学发光检测仪等生物检测和临床诊断仪器。本发明使仪器容易制造，收集荧光的方式设计非常紧凑、简洁，同时易于标准化，产品的可靠性容易达到高标准，仪器制造过程中的质量容易得到控制，在产品的生产制造上降低了成本，设计难度和仪器的复杂程度大幅度降低。参阅图3，本发明的微滤光片21包含多个紧密排列的滤光微元211，所述滤光微元 211呈矩阵排列，所述滤光微元的尺寸不得明显小于所对应的所述光电转换器22的单个像素尺寸，所述一个滤光微元211覆盖所述光电转换器22的一个光电转换单元。固有荧光特定波长的窄带萤光信号通过滤光微元211在光电转换器22上成像，像素与像素之间，图像与图像之间可自动校正对齐，使所获取的图像准确、灵敏、客观地反映微孔模板内每一个试管标本载体的生化信息，提高了图像的信噪比和检测样板的可靠性。所述滤光微元允许通过的光的波长可设置为相同或不同，例如在图4中，四个滤光微元分别可允许波长为λ 1、 λ 2、λ 3和λ 4的光通过，这样可以实现对不同波长荧光的同时检测。在一实施例中，所述荧光收集单元2的光电转换器22为C⑶或CMOS图像传感器， 所述微滤光片21集成在CCD或CMOS图像传感器上，具体为将微滤光片21直接制作在一个具有弱光成像能力的CCD/C0MS单色图像传感器的光电转换敏感元件上，对应于固有荧光特定波长的萤光信号通过微滤光片21后，在具有弱光成像能力的CCD/C0MS单色图像传感器的成像面上成像。所述光电转换器22采用CXD或COMS图像传感器，集成有微滤光片21 的CXD或CMOS图像传感器就成为多光谱(XD/C0MS相机或摄像机。在另一实施例中，所述光电转换器22为按阵列紧密排列的光电倍增管，所述微滤光片21集成在该按阵列紧密排列的光电倍增管上。所述微滤光片21以微制作方式(如真空镀膜和微光刻技术等)直接制作在一个光敏芯片上，并集成在光电倍增管模块中。参阅图5，在一实施例中，激光单元1包括激光光源11和凸面反射镜14，凸面反射镜14设置在激光光源11的出射光路上，激光光源11发出的光照射在凸面反射镜14上，光经凸面反射镜14反射后均勻地照射在荧光染料4上。在该实施例中，激光光源11发出的光通过凸面反射镜14进行扩束，凸面反射镜14具有对入射光散射的特性，这样扩大了反射光的照射范围，反射光照射到微孔模板5上时可以均勻的全覆盖照射到微孔模板5上的每一个荧光染料4。
参阅图6，在另一实施例中，激发单元1包括窄带高功率LED光源Ila和激发光滤光片12，所述窄带高功率LED光源1 Ia的出射光经过激发光滤光片12后均勻地照射在荧光染料4上。荧光染料4辐射出荧光经光学汇聚部件23汇聚加强，再通过微滤光片21在光电转换器22上成像。图6中成像系统40包括荧光染料4及光学汇聚部件23，其具体的结构及光路上文已有具体描述，此处对其简化，不再具体描述。下文中出现的成像系统表示相同的含义。图7给出了以窄带高功率LED光源Ila作为激发光源的另一实施例，在该实施例中，激发单元1包括窄带高功率LED光源11a、激发光滤光片12和平面反射镜13，窄带高功率LED光源Ila的出射光经激发光滤光片12滤光后以45°的入射角照射在平面反射镜13 上，平面反射镜13的反射光照射到成像系统40上，成像系统40的出射光再通过微滤光片 21照射在光电转换器22上成像。在实际使用时，根据窄带高功率LED光源11a、微孔模块5 的位置关系合理地调整平面反射镜13的角度，使窄带高功率LED光源Ila发出的光照射在平面反射镜13上，荧光染料4位于平面反射镜13的反射光路上，窄带高功率LED光源Ila 发出的光可以经过平面反射镜13的反射均勻覆盖荧光染料即可。本发明中，产生激发光的光源除了可以为如氙灯之类的激光光源和窄带高功率 LED光源外，还可使用同波长范围的高压汞灯、石英卤素钨灯或LED激光器作为替代。其具体实施方式
不再赘述。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于，包括用于产生单色光均勻照射待成像物体以激发待成像物体辐射荧光的激发单元、用于收集待成像物体辐射的荧光并转化为图像信息的荧光收集单元和对根据荧光转换的图像信息进行分析处理的数据处理单元；所述荧光收集单元包括光学汇聚部件、光电转换器和紧贴在光电转换器输入端的微滤光片，所述微滤光片为高度集成的多通道滤光片，所述微滤光片包含多个紧密排列的滤光微元，所述滤光微元呈矩阵排列，所述一个滤光微元覆盖所述光电转换器的一个光电转换单元；所述光学汇聚部件设置于待成像物体荧光辐射的光路上，所述微滤光片设置在所述光学汇聚部件的反射光路上，所述光电转换器的输出端连接所述数据处理单元；所述激发单元发射出的光照射在待成像物体上，待成像物体受激发辐射出特定波长的荧光，荧光照射在所述光学汇聚部件上，光学汇聚部件将荧光汇聚到微滤光片和与微滤光片紧密贴合的光电转换器上，微滤光片允许特定波长的荧光信号通过，荧光信号通过微滤光片后照射在光电转换器上，光电转换器根据所述荧光信号获取相应的图像信息，并将图像信息传送给所述数据处理单元，数据处理单元对所述光电转换器传送来的信息进行标定、分析和处理并输出分析处理的结果。
2.根据权利要求1所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述荧光收集单元的光电转换器为CCD或CMOS图像传感器，所述微滤光片集成在CCD或CMOS图像传感器上。
3.根据权利要求1所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述荧光收集单元的光电转换器为按阵列紧密排列的光电倍增管，微滤光片集成在微阵排列的光电倍增管上。
4.根据权利要求1所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述激发单元包括激光光源和凸面反射镜，所述凸面反射镜设置在激光光源的出射光路上，所述待成像物体设置在凸面反射镜的反射光路上。
5.根据权利要求1所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述激发单元包括窄带高功率LED光源和激发光滤光片，所述窄带高功率LED光源的出射光经过激发光滤光片后均勻地照射在待成像物体上。
6.根据权利要求1所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述激发单元包括窄带高功率LED光源、激发光滤光片和平面反射镜，所述窄带高功率LED光源的出射光经过激发光滤光片照射所述平面反射镜，所述待成像物体位于所述平面反射镜的反射光路上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微多光谱荧光接收和处理系统，其特征在于所述光学汇聚部件为凹面反射镜，所述微滤光片及与之集成的光电转换器设置在所述凹面反射镜的焦点上。
全文摘要
本发明公开了一种微多光谱荧光接收和处理系统，包括激发单元、荧光收集单元和数据处理单元；激发单元包括激发光源、激发光滤光片和光学汇聚部件，荧光收集单元包括光电转换器和紧贴光电转换器的微滤光片，所述微滤光片为高度集成的多通道滤光片。待成像物体受激发单元的照射光激发辐射出特定波长的荧光，光学汇聚部件将荧光汇聚，再通过微滤光片照射在光电转换器上，光电转换器根据所述荧光信号获取相应的图像信息，数据处理单元对所述图像信息进行分析和处理并输出果。本发明可高效率、低成本地收集受激辐射的多重荧光信号并获得图像信息，可准确、实时、客观地反映检测结果。
文档编号G01N33/53GK102305778SQ201110128960
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者孔令华, 张延平, 张建寰, 易定容 申请人:易定容