CN109387490B - 一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构。该反光镜是由在凹面上镀制了一层二色膜的凹面球透镜与透镜后紧贴的光吸收盒组成。该反光镜仅反射荧光(反射率大于85％)，很少反射激发光(反射率小于5％)，而未被反射的激发光则穿过二色球面反射镜到达光吸收盒，在盒内进行充分地散射吸收，从而解决了荧光与激发光杂散光一起被反射的问题，进一步提高了检测器的信噪比。

Description

一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构

技术领域

本发明专利涉及荧光检测器用反光镜结构，更具体地说，涉及一种提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构。

背景技术

荧光检测器是一种超高灵敏检测器，在超痕量分子水平的检测中有着重要地位。检测器的灵敏度是衡量其性能的重要参数之一，检测器的荧光收集效率越大，灵敏度越大。从原理上讲，激发光照射的激发区域所产生的荧光是空间立体发散的，检测器只能收集其中很小一部分角度的荧光，因此荧光的收集效率很低。为了提高荧光的收集效率，人们将反光镜型结构安排在收集光路中，使检测器收到来自更广角度的荧光。如美国专利6184990在荧光收集光路中采用了球面反光镜，其球心与检测窗口重合。该位置产生的荧光经球面反光镜的反射与聚拢，使检测器额外收集到来自球面覆盖的立体角的荧光，荧光的收集效率增大；Meng Li等， Electrophoresis 2013,34,3163–3170在毛细管检测窗口的背面镀制一层银镜反射膜，将背离检测方向发散的荧光反射检测方向，提高了荧光的收集效率。

但人们在提高检测器灵敏度时，忽略了反射镜型结构对检测器信噪比的影响。检测器的信噪比同样是衡量其检性能的重要参数之一，检测器的荧光收集效率越大，杂散光信号越小，信噪比越大。一般来说，激发光强度为荧光强度的10⁸～10⁹倍左右，而一般滤光片的截止滤为6左右，因此系统内的滤光片无法将检测到的激发光杂散光滤除干净，而残存的激发光强度对超痕量分析检测的信噪比有着致命影响。而目前所有反光镜型结构都会在反射荧光的同时，一并反射来激发光光源的杂散光，使荧光收集效率增大的同时，杂散光信号也增强，对信噪比不利。因此，兼顾荧光收集效率的同时，解决杂散光一并被反射的问题，从而提高检测器的信噪比，是一个重要问题。

发明内容

针对上述问题，为改进现有技术的不足，本发明提供一种用于荧光检测器的二色曲面反光镜结构。具体的，该反光镜是由在凹面上镀制了一层二色膜的凹面球透镜、与透镜后紧贴的光吸收盒组成。该反光镜仅反射荧光(反射率大于85％)，很少反射激发光(反射率小于5％)，而未被反射的激发光则穿过二色球面反射镜到达光吸收盒，在盒内进行充分地散射吸收，从而解决了荧光与激发光杂散光一起被反射的问题，提高了检测器的信噪比。

本发明的技术方案是：

一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构，由二色曲面反光镜和光吸收盒组成，二色曲面反光镜的主体为曲面凹透镜，其凹面镀有二色膜且面朝检测方向，远离凹面的另一面设有光吸收盒；

所述光吸收盒为一密闭容器，其一侧壁面上开设有作为光入口的通孔，通孔的形状及大小与二色曲面反光镜四周边缘相匹配，通孔与二色曲面反光镜外侧边缘相吻合，光吸收盒的通孔与二色曲面反光镜四周边缘紧密抵接，在二色曲面反光镜上设计有孔使光通过，孔的位置，形状及大小与光吸收盒光入口的通孔相匹配。

检测点、激发点与二色膜依次排列在二色曲面反光镜的同侧，当激发光照射激发点，二色膜可同时收到来自激发点产生的荧光与激发光杂散光，其中荧光被二色膜反射并聚拢回到检测点方向，激发光杂散光被二色膜透过并穿过曲面凹透镜，最终困于其后方的光吸收盒内，进行充分地散射吸收。

所述曲面凹透镜的材料为光学玻璃，其曲面选用球缺面、椭球缺面或抛物缺面。

所述二色膜采用二向色性短波通滤光膜；该膜对长波长的荧光的反射率大于85％，对短波长的激发光的透过率大于95％、反射率小于5％。

所述光吸收盒设有一处开口，其开口的形状吻合二色曲面反光镜外侧边缘的形状，并与其紧密抵接；二者密封方式为机械紧固或胶粘紧固。

所述光吸收盒的内部表面材料采用发黑粗糙的无荧光的黑色材料，如表面发黑的金属或无荧光的黑色高分子材料，表面粗糙度大于6.5。

与现有技术相比，本发明反光镜具有如下优点：

1、反光镜的二色镀膜设计使得反光镜只反射荧光，将激发光透过，从而显著地提高检测信噪比。

2、光吸收盒的配套设计将透过的激发光有效地衰减，防止了其被探测器接收到而使检测器的背景噪音增加。因此，能进一步提高二色反光镜的检测信噪比。

附图说明

图1为本发明的反光镜型结构的剖面图。图中，1-二色曲面反光镜，2-光吸收盒，3-曲面凹透镜，4-二色膜。

图2为实施例1中激光诱导荧光正交光路检测系统示意图。图中，1-二色曲面反光镜，2-光吸收盒，3-曲面凹透镜(球面)，4-二色膜，5-激光器，6-凸透镜，7-毛细管，8-光纤，9-滤光片，10-检测器。

图3为实施例2中激光诱导荧光正交光路检测系统示意图。图中，1-二色曲面反光镜，2-光吸收盒，3-曲面凹透镜(椭球面)，4-二色膜，5-激光器，6-凸透镜，7-毛细管，8-光纤，9-滤光片，10-检测器，12-通孔。

图4为实施例3中激光诱导荧光正交光路检测系统示意图。图中，1-二色曲面反光镜，2-光吸收盒，3-曲面凹透镜(抛物面)，4-二色膜，5-激光器，6-凸透镜，7-毛细管，9-滤光片，10-检测器，12-通孔，14-凸透镜。

具体实施方式

如图1所示，一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构，由二色曲面反光镜1和光吸收盒2组成，二色曲面反光镜1的主体为曲面凹透镜3，其凹面镀有二色膜4且面朝检测方向，远离凹面的另一面设有光吸收盒2；

所述光吸收盒2为一密闭容器，其一侧壁面上开设有作为光入口的通孔，通孔的形状及大小与二色曲面反光镜1四周边缘相匹配，通孔与二色曲面反光镜1 外侧边缘相吻合，光吸收盒2的通孔与二色曲面反光镜1四周边缘紧密抵接。

检测点、激发点与二色膜4依次排列在二色曲面反光镜1的同侧，当激发光照射激发点，二色膜4可同时收到来自激发点产生的荧光与激发光杂散光，其中荧光被二色膜4反射并聚拢回到检测点方向，激发光杂散光被二色膜4透过并穿过曲面凹透镜3，最终困于其后方的光吸收盒2内，进行充分地散射吸收。

所述曲面凹透镜3的材料为光学玻璃，其曲面选用球缺面、椭球缺面或抛物缺面。

所述二色膜4采用二向色性短波通滤光膜；该膜对长波长的荧光的反射率大于85％，对短波长的激发光的透过率大于95％、反射率小于5％。

所述光吸收盒2设有一处开口，其开口的形状吻合二色曲面反光镜1外侧边缘的形状，并与其紧密抵接；二者密封方式为机械紧固或胶粘紧固。

所述光吸收盒2的内部表面材料采用发黑粗糙的无荧光的黑色材料，如表面发黑的金属或无荧光的黑色高分子材料，表面粗糙度大于6.5。

实施例1

自搭建光学系统，将二色曲面反光镜型结构设于激光诱导荧光正交检测系统中。系统结构如图2所示，包括二色曲面反光镜1(曲面凹透镜3、二色膜4)、光吸收盒2、激光器5、凸透镜6、毛细管7、光纤8、滤光片9、检测器10。其中二色曲面反光镜1的曲面选用球面，其球心与毛细管7轴心、激光激发点重合，其凹面正对检测器10方向。工作时，激发光从激光器5发出后，经过凸透镜6 聚焦在毛细管7上。毛细管上的激发点处同时向四周发散混合光线，包括样品荧光与激光杂散光，其中背离检测方向的混合光同时射向二色曲面反光镜1的二色膜4。荧光经二色膜4的反射回到球心，进而回到检测方向，经光纤8的收集后，经过滤光片9到达检测器10；同时激光经二色膜4的透过，到达光吸收盒2中进行充分的散射吸收，困于其中。设置对照实验，将二色曲面反光镜用普通的反光镜替换掉，该普通反光镜同时反射荧光和激光，无二色镜膜和光吸收盒。

采用流通注射的方法比较两套系统的信噪比，待测样品为1nMFITC水溶液。重要实验参数如下：氩离子激光器，473nm激发波长；毛细管外径365μm，内径50μm；收集光纤外径1200μm，芯径800μm；激发体积30pL；球面凹透镜和球面反光镜半径5mm，荧光收集立体角1.17π；二向色性短波通滤光膜透射波段300nm-480nm(透射率大于95％，反射率小于5％)，长波反射波段520nm-700nm (反射率大于85％)；光吸收盒深度3cm，内表面材料发黑氧化铝，粗糙度6.5。

实验结果：设有曲面二色反光镜型结构的实验组的信噪比为对照组的1.8倍。

实施例2

自搭建光学系统，将二色曲面反光镜型结构设于激光诱导荧光正交检测系统中。系统结构如图3所示，包括二色曲面反光镜1(曲面凹透镜3、二色膜4)、光吸收盒2、激光器5、凸透镜6、毛细管7、光纤8、滤光片9、检测器10、通孔12。其中二色曲面反光镜1的曲面选用椭球面，其近镜面焦点与毛细管7轴心、激光激发点重合，其凹面正对检测器10方向，其远镜面焦点与光纤8端口重合。工作时，激光从激光器5发出后，经过凸透镜6聚焦，穿过通孔12照射在毛细管7上。毛细管上的激发点处同时向四周发散混合光线，包括样品荧光与激光杂散光，其中背离检测方向的混合光同时射向二色曲面反光镜1的二色膜4。荧光经二色膜4的反射回到远镜面焦点被光纤8收集，而后经过滤光片9到达检测器10；同时激光经二色膜4的透过，到达光吸收盒2中进行充分的散射吸收，困于其中。设置对照实验，将二色曲面反光镜用普通的反光镜替换掉，该普通反光镜同时反射荧光和激光，无二色镜膜和光吸收盒。

采用流通注射的方法比较两套系统的信噪比，待测样品为1nMFITC水溶液。重要实验参数如下：氩离子激光器，488nm激发波长；毛细管外径365μm，内径50μm；收集光纤外径1200μm，芯径800μm；激发体积30pL；椭球面凹透镜和椭球面反光镜长轴长2.2cm，短轴长1cm，两焦点距离2cm，荧光收集立体角 3.42π；二向色性短波通滤光膜透射波段325nm-490nm(透射率大于99％，反射率小于1％)，反射波段520nm-610nm(反射率大于90％)；光吸收盒深度3cm，内表面材料发黑氧化铝，粗糙度6.5。

实验结果：设有曲面二色反光镜型结构的实验组的信噪比为对照组的1.7倍。

实施例3

自搭建光学系统，将二色曲面反光镜型结构设于激光诱导荧光正交检测系统中，结构如图4所示，包括二色曲面反光镜1(曲面凹透镜3、二色膜4)、光吸收盒2、激光器5、凸透镜6、毛细管7、滤光片9、检测器10、通孔12、透镜14。其中二色曲面反光镜1的曲面选用抛物面，其焦点与毛细管7轴心、激光激发点重合，其凹面正对检测器10方向。系统工作时，激光从激光器5发出后，经过凸透镜6聚焦，穿过通孔12照射在毛细管7上。毛细管上的激发点处同时向四周发散混合光线，包括样品荧光与激光杂散光，其中背离检测方向的混合光同时射向二色曲面反光镜1的二色膜4。荧光经二色膜4的反射变为平行光线，而后经透镜14的聚焦，穿过滤光片9到达检测器10；同时激光经二色膜4 的透过，到达光吸收盒2中进行充分的散射吸收，困于其中。设置对照实验，参照专利CN 104198452 A，将二色曲面反光镜用普通的反光镜替换掉，该普通反光镜同时反射荧光和激光，无二色镜膜和光吸收盒。

采用流通注射的方法比较两套系统的信噪比，待测样品为1nMFITC水溶液。重要实验参数如下：氩离子激光器，488nm激发波长；毛细管外径365μm，内径50μm；收集光纤外径1200μm，芯径800μm；激发体积30pL；抛物面凹透镜和抛物面反光镜焦距1cm，立体角3.42π；二向色性短波通滤光膜透射波段 325nm-490nm(透射率大于99％，反射率小于1％)，反射波段520nm-610nm(反射率大于90％)；光吸收盒深度3cm，内表面材料发黑氧化铝，粗糙度6.5。

实验结果：设有曲面二色反光镜型结构的实验组的信噪比为对照组的1.8倍。

Claims (4)

1.一种用于提高荧光检测器信噪比的二色曲面反光镜结构，由二色曲面反光镜（1）和光吸收盒（2）组成，其特征在于：二色曲面反光镜（1）的主体为曲面凹透镜（3），其凹面镀有二色膜（4）且面朝检测方向，远离凹面的另一面设有光吸收盒（2）；

所述光吸收盒（2）为一密闭容器，其一侧壁面上开设有作为光入口的通孔，通孔的形状及大小与二色曲面反光镜（1）四周边缘相匹配，通孔与二色曲面反光镜（1）外侧边缘相吻合，光吸收盒（2）的通孔与二色曲面反光镜（1）四周边缘紧密抵接；在二色曲面反光镜（1）上设计有孔使光通过，孔的位置，形状及大小与光吸收盒（2）光入口的通孔相匹配；

检测点、激发点与二色膜（4）依次排列在二色曲面反光镜（1）的同侧，当激发光照射激发点，二色膜（4）可同时收到来自激发点产生的荧光与激发光杂散光，其中荧光被二色膜（4）反射并聚拢回到检测点方向，激发光杂散光被二色膜（4）透过并穿过曲面凹透镜（3），最终困于其后方的光吸收盒（2）内，进行充分地散射吸收；

所述二色膜（4）采用二向色性短波通滤光膜；该二向色性短波通滤光膜对长波长的荧光的反射率大于85%，对短波长的激发光的透过率大于95%、反射率小于5%；

所述光吸收盒（2）的内部表面材料采用发黑粗糙的无荧光的黑色材料，表面粗糙度大于6.5。

2.根据权利要求1所述的二色曲面反光镜结构，其特征在于：

所述曲面凹透镜（3）的材料为光学玻璃，其曲面选用球缺面、椭球缺面或抛物缺面。

3.根据权利要求1所述的二色曲面反光镜结构，其特征在于：所述光吸收盒（2）设有一处开口，其开口的形状吻合二色曲面反光镜（1）外侧边缘的形状，并与其紧密抵接；二者密封方式为机械紧固或胶粘紧固。

4.根据权利要求1所述的二色曲面反光镜结构，其特征在于：所述光吸收盒（2）的内部表面材料采用表面发黑的金属或无荧光的黑色高分子材料。

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