专利名称：荧光检测系统和细胞分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及粒子分析领域，尤其涉及粒子分析中用于收集荧光的光学系统。
背景技术：
在医疗和生物领域，通常采用流式细胞分析仪来统计和分析细胞、DNA、蛋白和各种酶等微小粒子，流式细胞分析及流式细胞术，是一种在功能水平上对单细胞或其他生物粒子进行定量分析和分选的检测手段，可以高速分析成千上万个细胞，并能同时从一个细胞中测得多个参数。流式细胞分析仪将待检测粒子采用荧光试剂进行染色，使粒子裹挟在鞘液中形成样本流经过检测区，对流过检测区的待检测粒子照射激光，不同种类的待检测粒子发出不同波长的荧光，采用光学检测系统收集这些荧光，用荧光作为识别来统计和分析不同种类的粒子。因此，光学检测系统收集到这些荧光后，需要将荧光分成不同的感兴趣波长。目前通常采用二色镜和滤波片来区分不同的荧光波长，其工作过程如图1所示:激光束经过整形后照射到样本流上，依次通过检测区10的粒子M在激光束的照射下产生微弱的荧光，通过荧光检测系统11收集和检测荧光，首先通过物镜111收集荧光，然后经过二色镜112a、113a和带通滤光片112b、113b和114b对荧光进行按波长区域划分，再通过PMT (光电倍增管)112c、113c和114c收集各波长的荧光信号。因为不同荧光对应波长不同，为了检测准确性一般对二色镜、带通滤光片的镀膜参数要求很高，比如一般要达到0D5级以上的窄带滤光片(比如510 535nm)，需要多层镀膜才能符合要求，所以流式中用到的滤光片镀膜难度大、成本高，而且滤光片批次之间参数存在差异，这会对仪器的一致性、准确性带来较大影响；此外，采用这种滤光片、二色镜组合的方式来收集各通道荧光信号，一旦滤光片、二色镜组合固定，就无法更换滤光片，粒子所发出的荧光波段就不能调整，对于更高需求的用户来说缺少灵活性，用户不能随意选择感兴趣的荧光波段。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种荧光检测系统和细胞分析仪，可将收集的荧光信号划分出不同波长的荧光，并且在荧光波段发生变化时，不需要变更荧光检测系统的结构。根据本发明的一方面，提供一种荧光检测系统，用于流式细胞分析仪中对经过检测区的粒子经激光照射后发出的荧光进行收集，所述荧光检测系统包括:荧光收集物镜，其具有入射面和出射面，所述入射面面向发出荧光的区域，所述出射面出射经荧光收集物镜准直的平行光；分光镜，用于将入射的混合荧光按照波长划分，并出射不同荧光波长的平行光；所述分光镜包括第一对双棱镜组合，所述第一对双棱镜组合包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜包括第一入射面和第一出射面，所述第一入射面位于荧光收集物镜出射的平行光的光路上，荧光收集物镜准直的平行光入射到第一入射面，所述第二棱镜包括第二入射面和第二出射面，所述第二出射面与所述荧光收集物镜的光轴垂直，所述第一棱镜被布置为使入射的平行光经过第一棱镜和第二棱镜折射后划分成若干组与所述入射的平行光平行的不同荧光波长的平行光从第二出射面出射；探测器组，包括若干探测器，所述探测器包括光敏面，所述探测器对应棱镜划分出的荧光波长而设置，所述探测器用于接收荧光信号，并将荧光信号转换为电信号；荧光传输通道，包括若干子通道，所述子通道对应分光镜划分出的荧光波长而设置，所述子通道包括荧光射入口和荧光射出口，所述荧光射入口位于分光镜出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光的光路上，所述荧光射出口设置在对应的探测器的光敏面前方。本发明还提供一种细胞分析仪，包括:激光发射源；流动室，所述流动室包括供样本流流过的检测区，所述激光发射源发出的激光束照射到检测区；和上述的荧光检测系统，所述荧光收集物镜的入射面紧贴所述流动室的外壁。当一束包含各个波长的荧光信号通过本发明的分光镜后出射，各波长的荧光将按空间依次排列开，实现了平行光进平行光出的分光功能，不需要改变分光镜的结构就能达到改变各通道荧光信号波段的效果，可灵活适应用户对波段的需求，而且方便后续各通道荧光的收集，荧光检测系统的荧光通道数目也可以根据实际需要进行灵活调整，整体结构简洁紧凑，相比滤光片组的结构具有更好的成本优势、工艺性和一致性。
图1为一种用于流式细胞仪的荧光检测系统的结构示意图；图2为一种流式细胞仪荧光检测部分的结构示意图；图3为本发明一种实施例中荧光检测系统的结构示意图；图4为本发明一种具体实例中荧光检测系统的结构示意图；图5为入射角和折射角的关系示意图；图6为本发明一种实施例中两个棱镜的位置不意图；图7为本发明另一种具体实例中突光检测系统的结构不意图；图8为本发明一种具体实例中荧光收集物镜的结构示意图；图9为本发明另一种具体实例中荧光检测系统的结构示意图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
结合附图对本发明作进一步详细说明。首先对棱镜进行解释，棱镜泛指一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，光线从一个面入射从另外一个面出射，入射面和出射面之间具有一定的角度，而棱边可以不限于三个，比如截掉一个角就成为四条边等。本发明的核心是提出一种采用双棱镜来分光的荧光检测系统，该荧光检测系统利用了棱镜材料对0.5 0.9 μ m光波长具有色散分光功能，同时采用双棱镜的结构实现了平行光输入平行光输出并使光束的光斑被倍增放大。当一束包含各个波长的荧光信号通过该荧光检测系统出射后，各波长的荧光将按空间依次排列开，然后在需要收集的波长位置依次放上荧光传输装置，将各通道的荧光信号传送到各自的探测器。下面以该荧光检测系统应用于细胞分析仪为例进行说明，但并不局限于在细胞分析仪中的应用，根据本发明公开的荧光检测系统的特点和功能，本领域技术人员还可将本发明还可用于类似有荧光分光、检测需求的领域。请参考图2，细胞分析仪包括流动室20、激光发射源22和荧光检测系统23，贯穿流动室20设有小孔21，激光发射源22将激光进行整形后照射到流动室20的检测区，待检测粒子由鞘液裹挟着形成样本流以一定速度流过小孔21的检测区，小孔21的尺寸设置使得粒子单个或单层通过，以便接受激光的照射。粒子被事先染色，粒子在经激光照射后发出荧光，荧光检测系统23用于收集并检测这些荧光，荧光检测系统23的检测结果送到分析装置24，分析装置24对检测结果进行统计和分析，例如统计各种粒子的数量、统计各种粒子的分布图等。在一实施例中，荧光检测系统的结构示意图如图3所示，包括荧光收集物镜31、分光镜32、荧光传输通道30和探测器组36。荧光收集物镜31具有入射面和出射面，所述入射面面向发出荧光的区域，所述出射面出射经荧光收集物镜准直的平行光。为了更好的收集荧光，荧光收集物镜31的入射面靠近所述流动室的外壁，例如紧贴流动室的外壁或与流动室的外壁之间只有很小间距。分光镜用于将入射的混合荧光按照波长划分，并出射不同荧光波长的平行光。荧光传输通道30用于将分光镜32出射的平行光耦合到探测器组36，探测器组36用于将感应到的光信号转换为相应的电信号并传输给后续的分析装置。在一种具体实例中，分光镜32包括第一对双棱镜组合，第一对双棱镜组合包括第一棱镜321和第二棱镜322，所述第一棱镜321包括第一入射面321a和第一出射面321b，所述第一入射面321a位于突光收集物镜31出射的平行光31a的光路上,第二棱镜322包括第二入射面322a和第二出射面322b，所述第一棱镜321和第二棱镜322被布置为使入射的平行光经过第一棱镜321和第二棱镜322折射后从第二出射面322b出射，出射的光被划分成若干组不同荧光波长的平行光32a，这些不同荧光波长的平行光32a与入射到第一棱镜321的平行光31a平行，从而使分光镜32将入射的混合荧光划分成若干组不同波长的荧光出射。对应于分光镜32出射的不同的突光波长,突光传输通道和探测器组也划分成若干通道。荧光传输通道30包括若干子通道，每一子通道对应分光镜划分出的一段一段的荧光波长段而设置，每一子通道包括突光射入口和突光射出口，所述突光射入口位于分光镜出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光32a的光路上，所述荧光射出口设置在对应的探测器的光敏面前方。探测器组36也包括若干探测器，每个探测器对应分光镜划分出的荧光波长而设置，探测器的光敏面设置在其对应的子通道的荧光射出口出射的光的光路上。分光镜32中的第一棱镜321和第二棱镜322的材质对0.5-0.9 μ m的光波长具有色散分光功能，棱镜的阿贝数小，光谱经棱镜按波长分离的尺度越大，为获得比较好的分光效果，第一棱镜和第二棱镜的材质可选择色散率小于30的材质,在一种具体实例中，第一棱镜和第二棱镜的材质选择折射率为1.78，阿贝数为25.76的材质，例如ZF13玻璃。根据本发明公开的内容，本领域技术人员可以想到还可以采用其他玻璃或树脂材质实现对
0.5-0.9 μ m的荧光的分光功能。在一种具体实例中，第一棱镜321和第二棱镜322的位置设置如图4所示，其放置方法和放置位置如下:米用顶角相同的两个棱镜，即第一入射面321a和第一出射面321b的夹角a2与第二入射面322a和第二出射面322b的夹角al相等，且都为锐角，第一出射面与第二入射面的夹角也为锐角，第二出射面322b的棱边垂直于荧光收集物镜31的光轴，即第二出射面322b与所述荧光收集物镜31的光轴垂直，本实施例中，入射平行光31a与荧光收集物镜31的光轴平行，这种垂直设计使棱镜容易安装并方便荧光的检测。在如图4所不的实施例中，第一棱镜321和第二棱镜322为直角棱镜,第一棱镜321和第二棱镜322的出射面的棱边都为直角棱边。首先将第二出射面322b的棱边垂直于荧光收集物镜31的光轴，第二棱镜322的顶角朝上，将第二棱镜322的位置固定，使第一棱镜321的位置低于第二棱镜322的位置,且使第一棱镜321的顶角朝下,移动和绕第一棱镜321的顶点旋转第一棱镜321，使第一棱镜321的第一出射面321b的棱边中点和第二入射面322a的棱边中点的距离、以及第一出射面321b的棱边与入射平行光31a的垂直线的夹角a满足一定的条件。本实施例中，第一棱镜的角al和第二棱镜的角a2都等于29.52度，夹角a等于34.5度。请参考图5和6说明如何设置第一棱镜321的位置。如图5所不，设入射角度为I，透射角度为T，空气折射率为nl，棱镜折射率为n2，则有:nl*sinl = n2*sinT ---------------(I)如图6所示，双棱镜alblcl、a2b2c2是两个完全相同的三棱镜，以第二棱镜alblcl为基准，其棱边albl边与图中标出的Y轴重合，即棱边albl边垂直于双棱镜的入射平行光31a，其中顶角为al，底角分别为bl和cl，当顶角al确定以后，bl、cl的角度可以为符合三角形内角和的各种角度，不一定bl为直角。
分析入射光线EO与出射光线DZ的关系，根据光路可逆原理，假如光线从ZD入射，那么光线从OE出射，这两条光线所成的角度只与顶角al及棱镜的折射率n2有关；ZD到OE经过两个面的折射，即:折射面alcl和折射面albl，光线从折射面albl垂直入射时，出射光与入射光共线，当光线经过折射面alcl时，遵循公式(I)。根据图中所示，入射光线EO与出射光线DZ所成的角度为:T = 90-Z COB = al----------------------------------(2)则:Z EOD = Z E0cl+90+T = (90-1) +90+T-----------------(3)由公式(I)、(2)和(3)得到:ZEOD = 180+a^arcsin (Ii2^sina1Zn1)----------------(4)同样道理，将第一棱镜a2b2c2放置到一定的角度，一定的位置，使入射光线和出射光线所成的角度与第二棱镜alblcl的角度大小相同，即:Z EOD = Z GFE设0(Xo，Yo)、E(Xe, Ye)点分别是两块棱镜棱边的中点，当先确定棱镜alblcl位置后，棱镜a2b2c2只需满足如下关系即可:Xe = Xo_0E*cos 广 EODYe = Yo_0E*sin 广 EOD当满足以上条件时，第一出射面的棱边与入射平行光的垂直线的夹角a为:Za = arcsin (Ii2^sina1Zn1) -H1----------------(5)其中，nl、n2分别为空气和棱镜的折射率，B1为两棱镜入射面和出射面的夹角，即棱镜的顶角。根据公式(5)，只要棱镜的顶角和棱镜的材质确定(即折射率n2确定)，即可求出第一出射面的棱边与入射平行光的垂直线的夹角a，以及第一出射面的棱边中点和第二入射面的棱边中点的距离，从而使第一棱镜的位置得以固定。至于第一棱镜和第二棱镜的出射面的棱边是否为直角边并不重要，当顶角B1确定后，其它角可根据多边形的内角和公式确定。在一实施例中，考虑到透射率因素，棱镜的顶角B1可选为30°左右的角。在上述实施例中，请参考图3、4，荧光传输通道30包括若干子通道，每个子通道又包括聚焦透镜组33、光纤组34和准直透镜组35，例如第一子通道包括聚焦透镜33a、光纤34a和准直透镜35a，聚焦透镜33a位于分光镜32出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光32a的光路上,所述光纤34a的光线入射端位于聚焦透镜33a的焦点处,所述光纤34a的光线出射端位于准直透镜35a的焦点处。探测器组36也对应棱镜划分出的荧光波长而设置若干探测器，每个探测器的光敏面设置在其对应的子通道的准直透镜出射的平行光的光路上，位于经聚焦透镜出射的光焦点附近且使光斑尺寸小于光敏面面积的位置上。本实施例的荧光检测系统收集荧光的过程如下:流动室中的样本粒子M受激后发出荧光，由荧光收集物镜将光束变成准直平行光束，荧光收集物镜准直的平行光31a入射到第一棱镜321的第一入射面321a，平行光束通过第一双棱镜的色散将光线按波长长短自下而上空间分开(长波长荧光在下侧，短波长荧光在上侧)，并入射到第二棱镜322的第一入射面322a，依照上述双棱镜的结构设计，按波长色散开来的散射光经第二棱镜322进一步折射和色散，一方面保证了出射光线也为平行光束，另一方面对入射光束具有倍增作用，再将聚焦镜组33放置在对应的波长位置将所需要收集的该波长的荧光聚焦耦合入光纤组34，通过光纤准直镜组35将荧光信号送到相应的探测器组36接收。本实施例的荧光检测系统具有以下优点:待检测粒子在检测前需要经过染色，粒子经过流动室经受激光照射后发出的荧光的波段与其事先的染色有关，现有技术中采用的二色镜和滤光片组合的分光方案因是针对特定的荧光波长，当染色改变而使荧光检测系统收集的荧光波段也发生改变时，必须改变滤光片才能实现划分荧光波长的功能。而本实施例采用基于双棱镜的分光结构，不管粒子发出的荧光波段如何变化，都能针对0.5-0.9um波段的所有荧光实现按波长划分的分光功能。采集荧光的通道数也可以根据实际的需要进行增减，可以支持从1-10个荧光通道收集信号，只需增加相应的聚焦镜组33、光纤组34、光纤准直镜组35及探测器36的数目即可。对于采用棱镜分光，通常采用单棱镜实现分光功能，但单棱镜的出射光将随波长呈一定的发散角度，本实施例采用双棱镜进行分光，并通过对双棱镜的位置设置，使双棱镜实现平行光进平行光出的功能，有利于后续通道对各波长的荧光进行收集和传输，保证了收集到的荧光信号的强度，同时也降低了后续荧光传输通道的设计难度。由于单棱镜对出射的光具有发散作用，所以对光束具有放大光斑的作用。本实施例采用双棱镜后，对光束进行进一步放大，增大了光斑和相邻波长之间的距离，方便后续荧光传输通道的设计，避免使子通道的放置位置拥挤，从而方便各子通道的放置，同时将各波长的荧光分离开可避免不同波长荧光之间的干扰。并且通过调整第一棱镜的出射面的棱边与收集物镜光轴的垂直线之间的角度和/或第一棱镜的入射角度还可以对各波长的出射位置进行调制，从而通过调整双棱镜的结构可以调节各波长按空间分开的程度。平行光从左侧荧光收集物镜出射，其光束口径较小，通过棱镜组后，如图3所示在平行纸面的上下方向都得到了倍增放大，而且是按照波长排列，从上到下顺序为从短波长到长波长，且各个波长的出射光线平行于入射光线；棱镜的单方向倍增放大光束可以由以下公式计算得到。如图5所示，设入射角度为I，出射角度为T，空气折射率为nl，棱镜折射率为n2，则符合公式⑴:nl 氺 sinl = n2 氺 sinT -------------------------(I)设光束的倍增率为Y，则有:
权利要求
1.一种荧光检测系统，用于对经过检测区的粒子经激光照射后发出的荧光进行收集，其特征在于，所述荧光检测系统包括: 荧光收集物镜，其具有入射面和出射面，所述入射面面向发出荧光的区域，所述出射面出射经荧光收集物镜准直的平行光； 分光镜，用于将入射的混合荧光按照波长划分，并出射不同荧光波长的平行光；所述分光镜包括第一对双棱镜组合，所述第一对双棱镜组合包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜包括第一入射面和第一出射面，所述第一入射面位于荧光收集物镜出射的平行光的光路上，荧光收集物镜准直的平行光入射到第一入射面，所述第二棱镜包括第二入射面和第二出射面，所述第二出射面与所述荧光收集物镜的光轴垂直，所述第一棱镜被布置为使入射的平行光经过第一棱镜和第二棱镜折射后划分成若干组与所述入射的平行光平行的不同荧光波长的平行光从第二出射面出射； 探测器组，包括若干探测器，所述探测器包括光敏面，所述探测器对应棱镜划分出的荧光波长而设置，所述探测器用于接收荧光信号，并将荧光信号转换为电信号； 荧光传输通道，包括若干子通道，所述子通道对应分光镜划分出的荧光波长而设置，所述子通道包括荧光射入口和荧光射出口，所述荧光射入口位于分光镜出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光的光路上，所述荧光射出口设置在对应的探测器的光敏面前方。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一棱镜和第二棱镜的材质阿贝数小于30。
3.按权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一棱镜和第二棱镜的材料折射率为1.78，阿贝数为25.76。
4.按权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，第一棱镜和第二棱镜相同，所述第一入射面和第一出射面的夹角与第二入射面和第二出射面的夹角相等且为锐角，所述第一出射面与第二入射面的夹角为锐角，所述第一出射面的棱边中点和第二入射面的棱边中点的距离满足以下关系式:Xe = Xo-OE^cos 广 EODYe = Yo-0E*sin Z EOD 广 EOD = 180+afarcsin (r^sina 其中，0(Χο，Υο)为第二入射面的棱边中点，E(Xe，Ye)为第一出射面的棱边中点，OE为第一出射面的棱边中点到第二入射面的棱边中点的距离，Z EOD为第二棱镜的入射光线和出射光线的夹角，nl、n2分别为空气和棱镜的折射率，&1为第二棱镜的第二入射面和第二出射面的夹角。
5.按权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一棱镜的位置低于第二棱镜的位置，所述第一出射面的棱边与入射平行光的垂直线的夹角满足以下条件: Za = arcsin (r^sina 其中，a为第一出射面的棱边与入射平行光的垂直线的夹角。
6.按权利要求5所述的系统，其特征在于，所述ai等于29.52°，所述a等于34.5°。
7.按权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分光镜包括至少两个相同的第一对双棱镜组，其中后一个第一对双棱镜组的入射面位于前一个第一对双棱镜组的出射的平行光光路上。
8.按权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一入射面和/或第二出射面的外表面镀有增透膜。
9.按权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述荧光传输通道的子通道包括聚焦透镜、光纤和准直透镜，所述聚焦透镜位于分光镜出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光的光路上，所述光纤的光线入射端位于聚焦透镜的焦点处，所述光纤的光线出射端位于准直透镜的焦点处。
10.按权利要求1 至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述荧光传输通道的子通道包括反射镜和聚焦透镜，反射镜位于分光镜出射的与该子通道对应的荧光波长的平行光的光路上，将入射的平行光反射到聚焦透镜上，所述探测器的光敏面位于其所对应的子通道的经聚焦透镜出射的光焦点附近且使光斑尺寸小于光敏面面积的位置。
11.按权利要求1至10中任一项所述的系统，其特征在于，所述荧光收集物镜包括顺序设置的同光轴的一平凸透镜、一凸透镜和一胶合透镜。
12.一种细胞分析仪,包括: 激光发射源； 流动室，所述流动室包括供样本流流过的检测区，所述激光发射源发出的激光束照射到检测区；其特征在于还包括: 如权利要求1至11中任一项所述的荧光检测系统，所述荧光收集物镜的入射面紧贴所述流动室的外壁。
全文摘要
本发明公开了一种荧光检测系统和应用该荧光检测系统的细胞分析仪，该荧光检测系统包括荧光收集物镜、分光镜、荧光传输通道和探测器组，分光镜包括第一对双棱镜组合，所述第一对双棱镜组合包括第一棱镜和第二棱镜，荧光收集物镜准直的平行光入射到第一棱镜的第一入射面，第二棱镜的第二出射面与所述荧光收集物镜的光轴垂直，第一棱镜被布置为使入射的平行光经过第一棱镜和第二棱镜折射后划分成若干组与所述入射的平行光平行的不同荧光波长的平行光从第二出射面出射。本发明可灵活适应用户对波段的需求，而且方便后续各通道荧光的收集，荧光检测系统的荧光通道数目也可以根据实际需要进行灵活调整。
文档编号G01N15/00GK103091211SQ201110343990
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者梁敏勇, 史宏伟, 安栋梁 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司, 北京深迈瑞医疗电子技术研究院有限公司