一种光斑整形组件及背向光谱探测系统的制作方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及细胞检测技术领域，尤其是一种光斑整形组件及背向光谱探测系统。背景技术：2.在进行单细胞文库制备过程中，需要对细胞悬浮液中的细胞进行筛选，以选出能够进行文库制备的目标细胞。现有技术通过激光照射微流体芯片并在微流体芯片上产生聚焦光斑，当微流体芯片内的细胞在流经聚焦光斑时，会发出光信号，并被光学探测器捕获，以此来检测出目标细胞；但由于激光器出射的激光多为高斯光束，聚焦在微流体芯片上时产生的是微小的圆形高斯光斑，当细胞或者微球的流通路径发生偏差时，激光无法照射细胞或者微球，也就使得光学探测器无法准确捕获光信号，从而导致检测失败。技术实现要素：3.本发明的主要目的是提出一种光斑整形组件及背向光谱探测系统，旨在解决因激光的光线只能在微流体芯片上产生微小的光点，而导致光学探测器无法捕获流通路径发生偏移的细胞或者微球反射的光信号，从而导致检测失败的问题。4.为实现上述目的，本发明提出一种光斑整形组件，所述光斑整形组件用于对自激光器出射的探测激光进行整形，所述光斑整形组件包括：5.预整形组件，用于对应激光器的激光出射端设置，以对自激光出射端出射的探测激光进行预整形处理；6.分光元件，设于所述预整形组件的出光侧，其反光侧朝向所述预整形组件设置，用以反射自所述预整形组件的出光侧出射的所述探测激光；以及，7.整形组件，包括第一整形部，所述第一整形部用于设于所述分光元件的反光侧与微流体芯片之间，用以将自所述分光元件的反光侧反射的探测激光进行整形并射至微流体芯片，以在微流体芯片的流道内产生平顶光斑。8.可选地，所述预整形组件包括：9.匀光元件，设于所述激光出射端与所述分光元件之间，所述匀光元件的入光侧用以朝向所述激光出射端设置，以对自所述激光出射端出射的所述探测激光进行匀光处理；以及，10.两个透镜，设于所述匀光元件的出光侧与所述分光元件之间，且在自所述匀光元件指向所述分光元件的方向上，所述两个透镜间隔并排设置。11.可选地，所述两个透镜包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜和所述第一透镜并排间隔设于所述匀光元件与所述分光元件之间，且所述第二透镜处于所述第一透镜朝向所述分光元件的一侧，其中：12.所述第一透镜为正焦度的平凸透镜或者双胶合透镜；和/或，13.所述第二透镜为正焦度的平凸透镜或者双胶合透镜。14.可选地，所述匀光元件包括阵列设置的多个微镜单元，或者，所述匀光元件包括工程散射片。15.可选地，所述分光元件包括分光镜或者二向色镜。16.可选地，所述整形组件还包括第二整形部，其中：17.所述第一整形部用于设于所述分光元件的出光侧与微流体芯片之间；18.所述第二整形部用于处于微流体芯片的流道的内壁。19.可选地，所述第一整形部包括显微物镜。20.可选地，所述第二整形部包括凹凸端面，所述凹凸端面用于成型于微流体芯片的流道的内壁，或者，21.所述第二整形部包括磨砂薄膜，所述磨砂薄膜用于贴覆于微流体芯片的流道的内壁。22.本发明还提供一种背向光谱探测系统，所述背向光谱探测系统包括：23.激光器，用于处于微流体芯片的上方，所述激光器具有沿横向设置的激光出射端，用于使得自所述激光出射端出射的探测激光具有沿横向延伸的传输路径；24.光斑整形组件，所述光斑整形组件的预整形组件和分光元件分别与所述激光器在横向上间隔并排设置，且所述预整形组件处于所述分光元件和所述激光器之间，所述光斑整形组件的第一整形部用于处于所述分光元件和微流体芯片之间；以及，25.光探测组件，设于所述分光元件的上方且对应所述分光元件的透光侧设置，用于接收自微流体芯片的微粒发出、并经由所述分光元件的透光侧射出的散射光或者荧光；26.其中，所述光斑整形组件为上述的光斑整形组件。27.可选地，所述光探测组件包括：28.光探测器，所述光探测器设于所述分光元件的上方，所述光探测器的激光接收端用以朝向所述分光元件的透光侧设置；以及，29.滤光片，设于所述光探测器的激光接收端与所述分光元件的透光侧之间30.本发明的技术方案中，所述光斑整形组件包括预整形组件、分光元件以及整形组件；自激光器的激光出射端出射的探测激光能够形成圆形高斯光斑，探测激光在经过所述预整形组件的预整形后，射至所述分光元件的反光侧，被所述分光元件反射至所述第一整形部，探测激光经过第一整形部的整形后，被传输至微流体芯片上，以在微流体芯片的流道内产生平顶光斑；需要说明的是，在圆形高斯光斑轮廓中，中间位置的光强高于应用要求的强度阈值，两翼位置的光强低于应用要求的强度阈值；当微粒流经中间位置时，微粒能够背向散射相应强度的激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒被检测到；当微粒的流经路径发生偏移时，微粒不被激光照射，或者，微粒流经两翼位置导致微粒受到光照强度弱，从而导致微粒不能够背向散射相应强度的激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒不能被检测到；在平顶光斑的轮廓中，光斑各处的光强均匀，当微粒的流经路径发生偏移时，光斑各处的光均能照射到微粒上，并使得微粒能够背向散射相应强度的激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒被检测到，如此设置，能够提高检测结果的准确性。附图说明31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。32.图1为本发明提供的背向光谱探测系统一实施例的结构示意图；33.图2为图1中的微流体芯片的截面图；34.图3为激光(整形前)形成的光斑在焦平面的横向强度模拟分布；35.图4为激光(整形后)形成的光斑在焦平面的横向强度模拟分布。36.本发明提供的实施例附图标号说明：37.标号名称标号名称100背向光谱探测系统131第一整形部1光斑整形组件132第二整形部11预整形组件2激光器111匀光元件3光探测组件112第一透镜31光探测器113第二透镜32滤光片12分光元件200微流体芯片13整形组件ꢀꢀ38.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。40.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。41.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。42.在进行单细胞文库制备过程中，需要对细胞悬浮液中的细胞进行筛选，以选出能够进行文库制备的目标细胞。现有技术通过激光照射微流体芯片并在微流体芯片上产生聚焦光斑，当微流体芯片内的细胞在流经聚焦光斑时，会发出光信号，并被光学探测器捕获，以此来检测出目标细胞；但由于激光器出射的激光多为高斯光束，聚焦在微流体芯片上时产生的是微小的圆形高斯光斑，当细胞或者微球的流通路径发生偏差时，激光无法照射细胞或者微球，也就使得光学探测器无法准确捕获光信号，从而导致检测失败。43.鉴于此，本发明提供一种光斑整形组件及背向光谱探测系统。图1至图4为本发明提供的背向光谱探测系统的具体实施例。44.请参阅图1和图3，所述光斑整形组件1用于对自激光器2出射的探测激光进行整形，所述光斑整形组件1包括预整形组件11、分光元件12以及整形组件13；所述预整形组件11用于对应所述激光器2的激光出射端设置，以对自激光出射端出射的探测激光进行预整形处理；所述分光元件12设于所述预整形组件11的出光侧，其反光侧朝向所述预整形组件11设置，用以反射自所述预整形组件11的出光侧出射的所述探测激光；所述整形组件13包括第一整形部131，所述第一整形部131用于设于所述分光元件12的反光侧与微流体芯片200之间，用以将自所述分光元件12的反光侧反射的探测激光进行整形并射至微流体芯片200，以在微流体芯片200的流道内产生平顶光斑。45.本发明的技术方案中，所述光斑整形组件1包括预整形组件11、分光元件12以及整形组件13；自激光器2的激光出射端出射的探测激光能够形成圆形高斯光斑，探测激光在经过所述预整形组件11的预整形后，探测激光变得更加均匀，自所述预整形组件11的出光侧出射的探测激光射至所述分光元件12的反光侧，被所述分光元件12反射至所述第一整形部131，探测激光经过第一整形部131的整形后，被传输至微流体芯片200上，以在微流体芯片200的流道内产生平顶光斑；需要说明的是，请参阅图3，在圆形高斯光斑轮廓中，中间位置的光强高于应用要求的强度阈值，两翼位置的光强低于应用要求的强度阈值；当微粒流经中间位置时，微粒能够背向散射相应强度的激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒被检测到；当微粒的流经路径发生偏移时，微粒不被激光照射，或者，微粒流经两翼位置导致微粒受到光照强度弱，从而导致微粒不能够背向散射相应强度的激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒不能被检测到；请参阅图4，在平顶光斑的轮廓中，光斑各处的光强均匀，当微粒的流经路径发生偏移时，光斑各处的光均能照射到微粒上，并使得微粒能够反射相应强度的背向散射激光或发射荧光并被捕获，从而使得微粒被检测到，如此设置，能够提高检测结果的准确性。46.具体地，所述预整形组件11包括匀光元件111以及两个透镜；所述匀光元件111设于所述激光出射端与所述分光元件12之间，所述匀光元件111的入光侧用以朝向所述激光出射端设置，以对自所述激光出射端出射的探测激光进行匀光处理；所述两个透镜设于所述匀光元件111的出光侧与所述分光元件12之间，且在自所述匀光元件111指向所述分光元件12的方向上，所述两个透镜间隔并排设置；也就是说，自激光器2的激光出射端出射的探测激光经过所述匀光组件进行匀光处理，自所述匀光组件的出光侧射出的探测激光射依次途径所述两个透镜，以被所述两个透镜进行准直处理；如此，自所述激光出射端出射的所述探测激光被所述匀光元件111和所述两个透镜进行匀光和准直后射出，使得探测激光变得更加均匀。47.更具体地，所述两个透镜包括第一透镜112和第二透镜113，所述第二透镜113和所述第一透镜112并排间隔设于所述匀光元件111与所述分光元件12之间，且所述第二透镜113处于所述第一透镜112朝向所述分光元件12的一侧，其中：所述第一透镜112为正焦度的平凸透镜或者双胶合透镜；和/或，所述第二透镜113为正焦度的平凸透镜或者双胶合透镜；如此，探测激光可以经过所述第一透镜112和所述第二透镜113被准直。48.需要说明的是，所述匀光元件111包括阵列设置的多个微镜单元，或者，所述匀光元件111包括工程散射片。49.同时，所述分光元件12包括分光镜或者二向色镜。50.请参阅图1和图2，在本实施例中，所述整形组件13还包括第二整形部132，其中：所述第一整形部131用于设于所述分光元件12的出光侧与微流体芯片200之间；所述第二整形部132用于处于微流体芯片200的流道的内壁；也就是说，经所述分光元件12的反射后的探测激光射向所述第一整形部131，经所述第一整形部131整形后，传输至微流体芯片200，经微流体芯片200的流道的内壁的所述第二整形部132整形后，在微流体芯片200的流道内产生平顶光斑。51.具体地，所述第一整形部131包括显微物镜。52.同时，所述第二整形部132包括凹凸端面，所述凹凸端面用于成型于微流体芯片200的流道的内壁，或者，所述第二整形部132包括磨砂薄膜，所述磨砂薄膜用于贴覆于微流体芯片200的流道的内壁。53.在一实施例中，所述第一整形部131包括显微物镜，所述第二整形部132包括凹凸端面，所述凹凸端面用于成型于微流体芯片200的流道的内壁；需要说明的是，由于加工工艺限制，微流道内壁通常较粗糙(表面起伏可达几百纳米，远低于光学元件表面粗糙度)这使得不同空间分布的整形光束在透过微流体芯片200时会因光程不一致而产生随机相位差。最终作用在微流道中整形光的相干性极大降低，提升光斑均匀性，获得平顶光斑，满足细胞或者微球的光探测需求。54.具体地，所述匀光元件111包括阵列设置的多个微镜单元，调整所述第一透镜112与所述多个微镜单元之间的距离为f0+f1、所述第一透镜112与所述第一透镜112之间的距离为f1+f2，调整所述显微物镜至使其焦面对准微流控芯片，如此，可在微流控芯片的流道内形成平顶光斑，满足细胞或者微球的光探测需求。55.同时，请进一步参阅图4，以线形平顶光斑的整形为例，所述多个微镜单元选用柱面微透镜阵列，在微流控芯片的流道内的形成的平顶光斑的长度为d，其中，平顶光斑的长度的计算公式为其中，p为柱面微透镜阵列的单元间隔；f0为柱面微透镜阵列的焦距，f1为所述第一透镜112的焦距，f2为所述第二透镜113的焦距，f3为所述显微物镜的物方焦距；以p＝250um，f0＝10mm，f1＝30mm，f2＝100mm，f3＝18mm为例，所得整形后的光斑长度d＝135um，如此可以得到较大的平顶光斑，满足细胞或者微球的光谱探测需求。56.本发明还提供一种背向光谱探测系统100，包括激光器2、光斑整形组件1以及光探测组件3；所述激光器2用于处于微流体芯片200的上方，所述激光器2具有沿横向设置的激光出射端，用于使得自所述激光出射端出射的探测激光具有沿横向延伸的传输路径；所述光斑整形组件1的预整形组件11和分光元件12分别与所述激光器2在横向上间隔并排设置，且所述预整形组件11处于所述分光元件12和所述激光器2之间，所述光斑整形组件1的第一整形部131用于处于所述分光元件12和微流体芯片200之间；所述光探测组件3设于所述分光元件12的上方且对应所述分光元件12的透光侧设置，用于接收自微流体芯片200的微粒上背向散射或发射、并经由所述分光元件12的透光侧射出的散射光或荧光；如此设置，自激光器2的激光出射端出射的探测激光能够形成圆形高斯光斑，探测激光在经过所述预整形组件11的预整形后，射至所述分光元件12的反光侧，被所述分光元件12反射至所述第一整形部131，探测激光经过第一整形部131的整形后，被传输至微流体芯片200上，以在微流体芯片200的流道内形成平顶光束作用在微粒上产生背向散射光或荧光，背向散射光或荧光经所述分光元件12透射至所述光探测组件3，使得微粒的背向散射光或荧光被捕获，从而实现细胞或者微球的检测。57.需要说明的是，所述光斑整形组件1设置为上述的光斑整形组件1，也就是说，所述背向光谱探测系统100包括上述光斑整形组件1的所有实施例的全部技术特征，所述背向光谱探测系统100也就具有上述技术特征带来的全部有益效果，此处不再一一赘述。58.具体地，所述光探测组件3包括光探测器31以及滤光片32；所述光探测器31设于所述分光元件12的上方，所述光探测器31的激光接收端用以朝向所述分光元件12的透光侧设置；所述滤光片32设于所述光探测器31的激光接收端与所述分光元件12的透光侧之间，通过设置所述滤光片32，截止信号光中的非目标成分，使得所述光探测器31能够更加准确的捕捉探测微粒的背向散射光或荧光，从而提高检测结果的准确性。59.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。









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