用于数字PCR的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法与流程

用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法
技术领域
1.本发明涉及高端装备制造技术领域，特别是涉及高性能医疗器械领域。


背景技术：

2.数字pcr是最近几年发展起来的一种核酸定量检测技术，相对于传统荧光定量pcr，它对检测结果的判定不依赖于核酸扩增曲线的循环ct值，不受扩增效率的影响，可以直接读出检测样本中的核酸片段数量，因此能够对初始样本核酸分子进行绝对定量检测。数字pcr基本原理是将一个样本分为几十到上万份，使其分配到独立的微反应单元内，每个单元都会对目标分子进行扩增反应，然后再对每个单元进行荧光信号检测并计算。
3.而目前大多采用的荧光检测技术之一是基于小视场的多次成像以及后期图像拼接技术，它的原理是通过将待测区域分为若干部分，按一定顺序对每个部分进行成像，后期利用计算机软件辅助拼接成完整的荧光图像。这种方法耗时长，且图像拼接可能会导致每个子图像边缘的微腔出现异常，从而影响最终检测结果。而借助流式细胞仪技术，对于检测组件要求非常高。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法，用于解决现有技术中数字pcr检测耗时长，检测精度不高的技术问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统，至少包括：激光器，作为光源部分，产生激光；微阵列透镜组，对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束；二向色镜，将经过所述微阵列透镜组出射的均匀激发光束反射到样本平面的微腔阵列，并将所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光光束透射到后面的光路中；大视场消像差透镜组，对视场范围的微腔阵列进行成像；cmos相机，用于接收荧光信号并转换为图像。
6.于本发明的一实施例中，所述微阵列透镜组包括：准直透镜，将所述激光器发射的激光光束准直为平行光；微透镜阵列，将所述准直透镜发出的平行光束进行聚散；正透镜，将所述微透镜阵列发出的光束偏折到所述二向色镜。
7.于本发明的一实施例中，所述微透镜阵列包括：第一微透镜阵列，将所述准直透镜发出的平行光束进行偏折；第二微透镜阵列，将所述第一微透镜阵列发出的光束夹角进行适当收缩之后发射到所述正透镜。
8.于本发明的一实施例中，还包括：激发滤光片，过滤非激发波段的光线；发射滤光片，过滤所述二向色镜透射的所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光中的干扰光线。
9.于本发明的一实施例中，还包括：大视场消像差透镜组，用于消除大视场成像产生的像差。
10.于本发明的一实施例中，所述大视场消像差透镜组包括两组正透镜和负透镜。
11.本发明还提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法，通过一激光器发射激光光束；对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束；将经过所述微阵列透镜组出射的均匀激发光束反射到样本平面的微腔阵列，并将所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光光束透射到后面的光路中；对视场范围的微腔阵列进行成像。
12.于本发明的一实施例中，所述对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束包括：将所述激光器发射的激光光束准直为平行光；将所述平行光束进行聚散；将聚散之后的所述平行光束偏折，获得均匀光束。
13.于本发明的一实施例中，还包括：过滤非激发波段的光线；过滤所述二向色镜透射的所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光中的干扰光线。
14.于本发明的一实施例中，还包括通过一大视场消像差透镜组消除大视场成像产生的像差。
15.如上所述，本发明的用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法具有以下有益效果：
16.1、本发明采用的微透镜阵列组以及大视场荧光成像技术能达到更快的检测速率，无需复杂且耗时的图像拼接后处理；相比传统的小视场荧光成像以及图像拼接技术可能产生的异常信号，本发明能保证待测区域荧光信号正常，检测精度更高。
17.2、本发明小型化智能化程度更高，可以外接便携式计算机，利用自编写软件进行荧光图像自动检测分析，满足了当今全球疫情流行的形势下对更好的核酸检测设备的迫切需求，具有较好的应用前景。
附图说明
18.图1显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统的原理框图。
19.图2显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统的一种具体结构示意图。
20.图3显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统中微阵列透镜组的结构示意图。
21.图4显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统中样本平面的微腔阵列的示意图。
22.图5显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统中消像差透镜组的结构示意图。
23.图6显示为本发明中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法的流程示意图。
24.元件标号说明
25.100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统
26.110
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光器
27.120
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
微阵列透镜组
28.121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
准直透镜
29.122
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一微透镜阵列
30.123
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二微透镜阵列
31.124
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
正透镜
32.130
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
二向色镜
33.140
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反射镜
34.150
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激发滤光片
35.160
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发射滤光片
36.170
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
大视场消像差透镜组
37.200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
样本平面的微腔阵列
38.300
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
cmos相机
具体实施方式
39.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
40.请参阅图1至图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
41.本实施例的目的在于提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法，用于解决现有技术中数字pcr检测耗时长，检测精度不高的技术问题。
42.本实施例提供的用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法能够实现约2cm*2cm视场大小的微腔阵列或微液滴高分辨率成像，极大加快检测速率的同时提高了检测精度。
43.以下将详细阐述本实施例的一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统及方法。
44.实施例1
45.如图1所示，本实施例提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100，至少包括：激光器110，微阵列透镜组120，二向色镜130以及成像镜。
46.于本实施例中，所述激光器110作为光源部分，产生激光，即所述激光器110发出激光光束。
47.在光源部分，本实施例的用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100为了获得良好的激发光束以及足够的光照强度，选择激光作为激发光源，激光光源的单一性好，能量密度高。
48.其中，于本实施例中，所述微阵列透镜组120对所述激光器110发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束。
49.也就是说，于本实施例中，为了使光照均匀而采用了微透镜阵列组，经过所述微透镜阵列组的校正，可以在样本平面的微腔阵列200上获得高度均匀的光场分布，从而保证样本平面内所有微腔或微液滴荧光激发条件的一致性，确保检测精度。
50.具体地，于本实施例中，如图2和图3所示，所述微阵列透镜组120包括：准直透镜121，微透镜阵列以及正透镜124。
51.于本实施例中，所述准直透镜121将所述激光器110发射的激光光束准直为平行光。
52.于本实施例中，所述微透镜阵列将所述准直透镜121发出的平行光束进行聚散。
53.其中，于本实施例中，所述微透镜阵列包括：第一微透镜阵列122和第二微透镜阵列123。
54.具体地，所述第一微透镜阵列122将所述准直透镜121发出的平行光束进行偏折，所述第二微透镜阵列123将所述第一微透镜阵列122发出的光束夹角进行适当收缩之后发射到所述正透镜124。
55.即所述第一微透镜阵列122中的每个微透镜将光线按照同样的形式汇聚并发散，所述第二微透镜阵列123将所述第一微透镜阵列122产生的光线适当收缩。
56.由于视场越大，必然导致像差越明显，与视场大小成正比的像差有慧差、场曲、像散、畸变。本实施例通过采用消像差透镜组成像，将像差减小到成像质量允许的程度，从而保证待测区域边缘能够正常成像。
57.于本实施例中，所述正透镜124将所述微透镜阵列发出的光束偏折到所述二向色镜130。
58.其中，于本实施例中，用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100还包括：还包括激发滤光片150，所述激发滤光片150过滤非激发波段的光线。
59.经上述准直透镜121，微透镜阵列、正透镜124以及激发滤光片150的作用，在样本平面的微腔阵列200上可以获得高度均匀的光线。
60.于本实施例中，如图4所示，所述二向色镜130将经过所述微阵列透镜组120出射的均匀激发光束反射到样本平面的微腔阵列200，并将所述样本平面的微腔阵列200发射出的荧光光束透射到后面的光路中。
61.于本实施例中，用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100还包括：发射滤光片160。所述发射滤光片160过滤所述二向色镜130透射的所述样本平面的微腔阵列200发射出的荧光中的干扰光线。
62.于本实施例中，用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100还包括：大视场消像差透镜组170，对视场范围的微腔阵列进行成像，消除大视场成像产生的像差。图5显示为本实施例中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100中大视场消像差透镜组170的结构示意图。所述大视场消像差透镜组在一定程度上消除大视场成像(尤其是视场边缘)容易产生的各种像差。其中，于本实施例中，所述大视场消像差透镜组170包括两组正透镜124和负透镜，是算法优化的结果。所述大视场消像差透镜组170用于消除常规透镜成像视场边缘容易产生的像差，保证微腔或微液滴的成像质量。
63.于本实施例中，所述成像镜对视场范围的微腔阵列进行成像。
64.具体地，所述成像镜包括反射镜140，所述反射镜140将所述二向色镜130透射的所述样本平面的微腔阵列200的荧光反射到cmos相机300，用于接收荧光信号并转换为图像，所述cmos相机300采集到所述样本平面的微腔阵列200的荧光图像。然后将所述cmos相机300采集到的荧光图像导入预设分析软件，经图像处理、微腔液滴识别、统计分析，从而得到
精确的检测结果。
65.本实施例中，所述用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100的工作过程如下：
66.光线经激光器110发射，微透镜阵列组匀光，发射滤光片160过滤掉非激发波段的光线，随后经由二向色镜130反射到达样本平面的微腔阵列200，样本平面内成千上万个微腔内发射出的荧光通过二向色镜130透射，再经过发射滤光片160过滤掉干扰信号，最后通过大视场消像差透镜组170、反射镜140到达cmos相机300，从而获得高分辨率的大视场荧光图像。
67.与现有的需要多次图像拼接的传统荧光成像系统相比，本实施例中的所述用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100具有以下优势：
68.1)检测速率更快，无需复杂且耗时的图像拼接后处理；
69.2)检测精度更高，相比传统的图像拼接技术可能产生的异常信号，我们采用的微透镜阵列组以及大视场荧光成像技术能保证待测区域荧光信号正常；
70.3)小型化智能化程度更高，我们的系统可以外接便携式计算机，利用自编写软件进行荧光图像自动检测分析。
71.总之，本实施例中的所述用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100满足了当今全球疫情流行的形势下对更好的核酸检测设备的迫切需求，具有较好的应用前景。
72.实施例2
73.如图6所示，本实施例提供一种用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法，所述用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法包括：
74.步骤s100，通过一激光器发射激光光束；
75.步骤s200，对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束；
76.步骤s300，将经过所述微阵列透镜组出射的均匀激发光束反射到样本平面的微腔阵列，并将所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光光束透射到后面的光路中；
77.步骤s400，对视场范围的微腔阵列进行成像。
78.以下对本实施例用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法的上述步骤s100至步骤s400进行具体说明。
79.步骤s100，通过一激光器发射激光光束。
80.在光源部分，本实施例的用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法为了获得良好的激发光束以及足够的光照强度，选择激光作为激发光源，激光光源的单一性好，能量密度高。
81.步骤s200，对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束。
82.其中，于本实施例中，通过微阵列透镜组120对激光器110发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束。
83.也就是说，于本实施例中，为了使光照均匀而采用了微透镜阵列组，经过所述微透镜阵列组的校正，可以在样本平面的微腔阵列200上获得高度均匀的光场分布，从而保证样本平面内所有微腔或微液滴荧光激发条件的一致性，确保检测精度。
84.具体地，于本实施例中，所述对所述激光器发出的光束进行匀化处理，获得均匀的激发光束包括：
85.1)将所述激光器110发射的激光光束准直为平行光。
86.通过一准直透镜121将所述激光器110发射的激光光束准直为平行光。
87.2)将所述平行光束进行聚散。
88.通过微透镜阵列将所述准直透镜121发出的平行光束进行聚散。
89.其中，于本实施例中，所述微透镜阵列包括：第一微透镜阵列122和第二微透镜阵列123。
90.具体地，所述第一微透镜阵列122将所述准直透镜121发出的平行光束进行偏折，所述第二微透镜阵列123将所述第一微透镜阵列122发出的光束夹角进行适当收缩之后发射到所述正透镜124。
91.即所述第一微透镜阵列122中的每个微透镜将光线按照同样的形式汇聚并发散，所述第二微透镜阵列123将所述第一微透镜阵列122产生的光线适当收缩。
92.由于视场越大，必然导致像差越明显，与视场大小成正比的像差有慧差、场曲、像散、畸变。本实施例通过采用多透镜组合成像，将像差减小到成像质量允许的程度，从而保证待测区域边缘能够正常成像。
93.3)将聚散之后的所述平行光束偏折，获得均匀光束。
94.通过正透镜124将所述微透镜阵列发出的光束偏折，获得均匀光束。
95.于本实施例中，还包括：过滤非激发波段的光线。具体地，通过一激发滤光片150过滤非激发光段的光线。
96.经上述准直透镜121，微透镜阵列、正透镜124以及激发滤光片150的作用，在样本平面的微腔阵列200上可以获得高度均匀的光线。
97.步骤s300，将经过所述微阵列透镜组出射的均匀激发光束反射到样本平面的微腔阵列，并将所述样本平面的微腔阵列发射出的荧光光束透射到后面的光路中。
98.本实施例中，通过一二向色镜130将所述微阵列透镜组120发出的均匀光束反射到样本平面的微腔阵列200，并将所述样本平面的微腔阵列200发射出的荧光透射。
99.于本实施例中，还包括：过滤所述样本平面的微腔阵列200发射出的荧光中的干扰光线。
100.具体地，通过一发射滤光片160过滤所述二向色镜130透射的所述样本平面的微腔阵列200发射出的荧光中的干扰光线。
101.于本实施例中，还包括通过一大视场消像差透镜组170消除大视场成像产生的像差。图5显示为本实施例中用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像系统100中大视场消像差透镜组170的结构示意图。所述大视场消像差透镜组170用于消除常规透镜成像视场边缘容易产生的像差，保证微腔或微液滴的成像质量。
102.步骤s400，对视场范围的微腔阵列进行成像。
103.具体地，于本实施例中，通过一反射镜140将所述二向色镜130透射的所述样本平面的微腔阵列200的荧光反射到cmos相机300，所述cmos相机300采集到所述样本平面的微腔阵列200的荧光图像。然后将所述cmos相机300采集到的荧光图像导入预设分析软件，经图像处理、微腔或液滴识别、统计分析，从而得到精确的检测结果。
104.本实施例中，所述用于数字pcr的大视场荧光微腔阵列成像方法的具体流程如下：
105.激光器110作为光源产生激发光束，微透镜阵列组匀光，激发滤光片150过滤掉非
激发波段的光线，随后经由二向色镜130反射到达样本平面的微腔阵列200，样本平面内成千上万个微腔内发射出的荧光通过二向色镜130透射，再经过发射滤光片160过滤掉干扰信号，最后通过大视场消像差透镜组170、反射镜140到达cmos相机300，从而获得高分辨率的大视场荧光图像。
106.综上所述，本发明采用的微透镜阵列组以及大视场荧光成像技术能达到更快的检测速率，无需复杂且耗时的图像拼接后处理；相比传统的小视场荧光成像以及图像拼接技术可能产生的异常信号，本发明能保证待测区域荧光信号正常，检测精度更高；本发明小型化智能化程度更高，可以外接便携式计算机，利用自编写软件进行荧光图像自动检测分析，满足了当今全球疫情流行的形势下对更好的核酸检测设备的迫切需求，具有较好的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的缺点而具有度产业利用价值。
107.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。