CN110487767B - 一种便携式上转换荧光检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种便携式上转换荧光检测仪，属于图像识别技术领域，包括仪器主体和可更换式样品模块，仪器主体内设有主控芯片一端连接有光源模块，另一端连接有探测器，主控芯片还连接有电池、无线模块及USB充电模块；可更换式样品模块通过卡扣与仪器主体连接，内设样品仓，光源模块通过光纤接头与样品仓的一端可拆卸连接，样品仓另一端通过透镜元件与探测器可拆卸连接；可更换式样品模块根据不同的样品类型设置不同的样品仓以及光路***；所述探测器内包括凸透镜和感光元件，用于收集样品激发的荧光信号并成像；所述主控芯片用于接收感光元件采集的样品荧光信号成像信息并进行图像识别和处理，计算样品浓度。

Description

一种便携式上转换荧光检测仪
技术领域
本发明属于图像识别技术领域，涉及一种便携式上转换荧光检测仪。
背景技术
上转换发光技术是一种非线性光学过程，上转换材料通过吸收多个光子激发电子跃迁至高能级，弛豫跃迁至基态各振动能级后发光，其发光频率相对于入射光发生上转换。由于使用近红外波长激发，相对于常规荧光材料，背景物质不产生上转换荧光信号，大大提高了信噪比，提升了检测的灵敏度。
上转换材料具有较高的化学稳定性、光稳定性、窄带发射、激发光穿透性强、无损伤等特性，在荧光探针、生物成像、免疫检测、化学检测等领域有很好的应用前景。目前针对上转换发光检测的仪器多数为台式荧光分析仪、便携免疫分析仪等，实验室用台式荧光分析仪其光源主要分布在紫外可见波段，对红外激发的上转换发光材料光源需求无法很好满足，便携式免疫分析仪应用仅限于医学、生物领域，对于环境科学、食品科学等其他学科领域的检测需求还无法满足。
其次，上转换材料主要由分散在各种基质中的上转换纳米颗粒组成，针对不同学科领域，样品形式多样，包括纳米颗粒溶液、荧光试纸、荧光芯片等，传统的实验室手段无法满足各学科领域实际应用中高通量、便携性、即时性检测的需求。
因此针对不同学科领域可能遇到的高通量、便携性、即时性检测等需求，需要将多种类型的样品池耦合在一个仪器上，通过更换样品池等方法实现多种样品测量，便携性的仪器适应野外测量、家庭检测等等场景，通过一定技术实现高通量的样品信息读取。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对目前上转换荧光检测领域的便携性以及样品多样性问题，提供一种便携式上转换荧光检测仪，通过图像识别技术对不同类型、可更换的样品仓模块中不同类型的样品进行检测，样品经过近红外光源激发，光路***收集信号，在探测器上形成特异性的光斑，通过处理提取其中不同区域的光斑的波长、强度分布信息，达到多种类型样品的单通道、多通道自动检测的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种便携式上转换荧光检测仪，包括仪器主体和可更换式样品模块，所述仪器主体内设有主控芯片，所述主控芯片一端连接有用于提供激发上转换荧光的近红外激光的光源模块，另一端连接有探测器，所述主控芯片还连接有电池、无线模块及USB充电模块；
所述可更换式样品模块通过卡扣与仪器主体连接，所述可更换式样品模块内设有样品仓，所述样品通过样品仓一侧的开口***样品仓，所述仪器主体内的光源模块通过光纤接头与样品仓的一端可拆卸连接，所述样品仓的另一端通过透镜元件与探测器可拆卸连接；
所述可更换式样品模块有多种，区别在于根据不同的样品类型设置不同的样品仓以及样品仓内的光路***，所述样品类型包括荧光层析试纸、PCR管、比色皿和阵列芯片；
所述光路***包括透射型样品仓光路***和反射型样品仓光路***，所述透射型样品仓光路***用于适配PCR管和比色皿样品，所述反射型样品仓光路***用于适配荧光层析试纸和阵列芯片样品；
所述透射型样品仓光路***包括与光源模块的光纤接头连接的光纤分光器，还包括滤光片、第一透镜组和反射镜，光源通过光纤分光器***成一系列等强光源，经过样品后透过滤光片滤去入射光，然后经过第一透镜组将光斑信号缩小，再通过反射镜反射到探测器中；
所述反射型样品仓光路***包括第二透镜组、呈45度角放置在样品上的棱镜，还包括滤光片、第三透镜组及反射镜，光源通过第二透镜组对光斑进行放大，照射在棱镜上，经过棱镜折射到样品上激发荧光，荧光通过棱镜反射到滤光片上滤去入射光，再经过第三透镜组将光斑信号缩小，通过反射镜反射到探测器中；
所述探测器内包括凸透镜和感光元件，用于收集样品激发的荧光信号并成像；
所述主控芯片用于接收感光元件采集的样品荧光信号成像信息并进行图像识别和处理，计算样品浓度。
进一步，所述样品仓为多通道形式，包括多个放置样品的样品槽，所述样品槽相对于样品仓位置固定，则放置在样品槽中的样品发射的荧光信号在感光元件上成像位置固定，即特定的样品槽对应样品成像在图像特定位置始终对应特定通道；在所述样品仓上标示样品仓类型序号，在连接不同样品仓时，通过设定样品仓序号自动匹配***程序，从而识别不同位置光斑的样品序号；
样品仓中样品数量不论多少，均通过图像识别的方法识别其对应样品序号，计算其浓度，***通过对感光元件的不同区域划分通道，将浓度结果显示于对应通道中。
进一步，所述探测器中的感光元件为CCD或CMOS感光元件，CCD或CMOS感光元件上所成的像在两种不同类型的光路***中，样品的像均为具有一定RGB值的光斑或者条带，通过图像处理技术识别光斑的范围：
首先对图像信息进行二值化处理，通过OTSU法设定阈值识别光斑与背景，从而得到光斑区域信息，即将图像上的像素点的灰度值0至255的256个亮度等级通过阈值选取设定为0或255，OTSU算法即使目标与背景两类的类间方差最大，假设前景及背景的分割阈值为t，前景点占比w0，均值u0，背景点占比w1，均值u1，图像均值u＝w0*u0+w1*u1，建立目标函数g(t)＝w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2，求解g(t)最大值，此时对应t值即为最佳阈值；
对图像进行二值化处理以后得到的灰度255的区域即为样品对应区域，通过图像识别技术对图像内的不同光斑进行框选，并提取所在区域内所有像素点的RGB信息，RGB信息对应CCD或CMOS感光元件中TFT电路的电流、电压等信息，对应光的强度、波数信息：
F(x,y,z)＝x(R)+y(G)+z(B)
计算光斑的RGB信息得到其光场分布，得到光斑的强度、波数分布信息；
光斑的波数、强度信息对应了样品的荧光信号，通过对一系列浓度的标准品的荧光信号进行检测，绘制标线后，即能对待测样品进行检测，并通过标线计算其浓度。
进一步，所述第一透镜组和第三透镜组均包括由入射方到出射方设置的一个凸透镜和一个凹透镜，用于缩小光斑，所述第二透镜组包括由入射方到出射方设置的一个凹透镜和一个凸透镜，用于放大光斑。
进一步，所述仪器主体上还设有操作区域和显示区域，所述操作区域用于对检测仪进行电源控制，所述显示区域用于显示样品类别和浓度。
进一步，所述无线模块用于与PC客户端或移动终端通信，将数据共享给PC客户端或移动终端，并通过PC客户端或移动终端对检测仪进行控制。
本发明的有益效果在于：相比现有技术，本发明通过可更换式样品模块，可根据样品类型不同，更换样品仓和光路***，适配检测方法，本发明便携性强，结构简单，操作方便。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述便携式上转换荧光检测仪外部示意图；；
图2为本发明所述便携式上转换荧光检测仪内部连接图；
图3为本发明所述仪器主体、样品模块连接示意图；
图4为透射型样品仓光路***示意图；
图5为反射型样品仓光路***示意图；
图6为图像处理过程示意图。
附图标记：样品模块1、仪器主体2、显示区域21、操作区域3、主控芯片4、光源模块5、探测器6、样品仓7、卡扣8、光纤9、电池10、无线模块11、USB充电模块12。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
针对目前上转换荧光检测领域的便携性以及样品多样性问题，本发明提供一种便携式的上转换荧光检测仪，通过图像识别技术对不同类型、可更换的样品仓模块中不同类型的样品进行检测，样品经过近红外光源激发，光路***收集信号，在探测器上形成特异性的光斑，通过处理提取其中不同区域的光斑的波长、强度分布信息，达到多种类型样品的单通道、多通道自动检测的目的。
如图1-2所示，一种便携式上转换荧光检测仪，包括仪器主体2和可更换式样品模块1，所述仪器主体2内设有主控芯片4，所述主控芯片4一端连接有用于提供激发上转换荧光的近红外激光的光源模块5，提供805nm，980nm等多种波长；另一端连接有探测器6，所述主控芯片4还连接有电池10、无线模块11及USB充电模块12；
所述可更换式样品模块1通过卡扣8与仪器主体2连接，在仪器主体2、样品模块1两侧设计卡扣8，通过卡扣8形式进行固定；并且，如图3所示，样品模块1、仪器主体2连接面设计凹槽、凸起咬合定位结构，以保证仪器连接的准确性，所述可更换式样品模块1内设有样品仓7，所述样品通过样品仓7一侧的开口***样品仓7，所述仪器主体2内的光源模块5通过光纤9接头与样品仓7的一端可拆卸连接，所述样品仓7的另一端通过透镜元件与探测器6可拆卸连接；提供多种适配类型的样品仓7，可针对荧光层析试纸、PCR管、比色皿、阵列芯片等多种样品类型进行检测，根据样品类型适配单通道、多通道的光纤9分光***，以及检测***，可测定单个样品，也可测定集成化的多个样品；
所述可更换式样品模块1有多种，区别在于根据不同的样品类型设置不同的样品仓7以及样品仓7内的光路***，所述样品类型包括荧光层析试纸、PCR管、比色皿和阵列芯片；
所述光路***包括透射型样品仓7光路***和反射型样品仓7光路***，所述透射型样品仓7光路***用于适配PCR管和比色皿样品，所述反射型样品仓7光路***用于适配荧光层析试纸和阵列芯片样品；
如图4所示，所述透射型样品仓7光路***包括与光源模块5的光纤9接头连接的光纤9分光器，还包括滤光片、第一透镜组和反射镜，光源通过光纤9分光器***成一系列等强光源，经过样品后透过滤光片滤去入射光，然后经过第一透镜组将光斑信号缩小，再通过反射镜反射到探测器6中；
如图5所示，所述反射型样品仓7光路***包括第二透镜组、呈45度角放置在样品上的棱镜，还包括滤光片、第三透镜组及反射镜，光源通过第二透镜组对光斑进行放大，照射在棱镜上，经过棱镜折射到样品上激发荧光，荧光通过棱镜反射到滤光片上滤去入射光，再经过第三透镜组将光斑信号缩小，通过反射镜反射到探测器6中；
所述探测器6内包括凸透镜和感光元件，用于收集样品激发的荧光信号并成像；
所述主控芯片4用于接收感光元件采集的样品荧光信号成像信息并进行图像识别和处理，计算样品浓度。
所述样品仓7为多通道形式，包括多个放置样品的样品槽，所述样品槽相对于样品仓7位置固定，则放置在样品槽中的样品发射的荧光信号在感光元件上成像位置固定，即特定的样品槽对应样品成像在图像特定位置始终对应特定通道；在所述样品仓7上标示样品仓7类型序号，在连接不同样品仓7时，通过设定样品仓7序号自动匹配***程序，从而识别不同位置光斑的样品序号；
样品仓7中样品数量不论多少，均通过图像识别的方法识别其对应样品序号，计算其浓度，***通过对感光元件的不同区域划分通道，将浓度结果显示于对应通道中。
所述探测器6中的感光元件为CCD或CMOS感光元件，CCD或CMOS感光元件上所成的像在两种不同类型的光路***中，样品的像均为具有一定RGB值的光斑或者条带，通过图像处理技术识别光斑的范围：
如图6所示，首先对图像信息进行二值化处理，通过OTSU法设定阈值识别光斑与背景，从而得到光斑区域信息，即将图像上的像素点的灰度值0至255的256个亮度等级通过阈值选取设定为0或255，OTSU算法即使目标与背景两类的类间方差最大，假设前景及背景的分割阈值为t，前景点占比w0，均值u0，背景点占比w1，均值u1，图像均值u＝w0*u0+w1*u1，建立目标函数g(t)＝w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2，求解g(t)最大值，此时对应t值即为最佳阈值；
对图像进行二值化处理以后得到的灰度255的区域即为样品对应区域，通过图像识别技术对图像内的不同光斑进行框选，并提取所在区域内所有像素点的RGB信息，RGB信息对应CCD或CMOS感光元件中TFT电路的电流、电压等信息，对应光的强度、波数信息：
F(x,y,z)＝x(R)+y(G)+z(B)
计算光斑的RGB信息得到其光场分布，得到光斑的强度、波数分布信息；
光斑的波数、强度信息对应了样品的荧光信号，通过对一系列浓度的标准品的荧光信号进行检测，绘制标线后，即能对待测样品进行检测，并通过标线计算其浓度。
所述第一透镜组和第三透镜组均包括由入射方到出射方设置的一个凸透镜和一个凹透镜，用于缩小光斑，所述第二透镜组包括由入射方到出射方设置的一个凹透镜和一个凸透镜，用于放大光斑。
所述仪器主体2上还设有操作区域3和显示区域21，所述操作区域3用于对检测仪进行电源控制，所述显示区域21用于显示样品类别和浓度。
所述无线模块11用于与PC客户端或移动终端通信，将数据共享给PC客户端或移动终端，并通过PC客户端或移动终端对检测仪进行控制。
检测过程：
1、根据所要检测样品选定对应样品仓类型；
2、将对应样品仓固定在仪器上，打开仪器，设置样品仓序号；
3、将不同浓度的标准样品按顺序置于样品仓不同通道内，检测荧光强度；
4、根据标准样品的浓度及荧光强度绘制标线，存储于仪器内部；
5、设置标线为上述标线，检测待测样品荧光强度，仪器自动给出浓度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种便携式上转换荧光检测仪，其特征在于：包括仪器主体和可更换式样品模块，所述仪器主体内设有主控芯片，所述主控芯片一端连接有用于提供激发上转换荧光的近红外激光的光源模块，另一端连接有探测器，所述主控芯片还连接有电池、无线模块及USB充电模块；
所述可更换式样品模块通过卡扣与仪器主体连接，所述可更换式样品模块内设有样品仓，样品通过样品仓一侧的开口***样品仓，所述仪器主体内的光源模块通过光纤接头与样品仓的一端可拆卸连接，所述样品仓的另一端通过透镜元件与探测器可拆卸连接；
所述样品仓为多通道形式，包括多个放置样品的样品槽，所述样品槽相对于样品仓位置固定，则放置在样品槽中的样品发射的荧光信号在感光元件上成像位置固定，即特定的样品槽对应样品成像在图像特定位置始终对应特定通道；在所述样品仓上标示样品仓类型序号，在连接不同样品仓时，通过设定样品仓序号自动匹配***程序，从而识别不同位置光斑的样品序号；
样品仓中样品数量不论多少，均通过图像识别的方法识别其对应样品序号，计算其浓度，***通过对感光元件的不同区域划分通道，将浓度结果显示于对应通道中；
所述可更换式样品模块有多种，区别在于根据不同的样品类型设置不同的样品仓以及样品仓内的光路***，所述样品类型包括荧光层析试纸、PCR管、比色皿和阵列芯片；
所述光路***包括透射型样品仓光路***和反射型样品仓光路***，所述透射型样品仓光路***用于适配PCR管和比色皿样品，所述反射型样品仓光路***用于适配荧光层析试纸和阵列芯片样品；
所述透射型样品仓光路***包括与光源模块的光纤接头连接的光纤分光器，还包括滤光片、第一透镜组和反射镜，光源通过光纤分光器***成一系列等强光源，经过样品后透过滤光片滤去入射光，然后经过第一透镜组将光斑信号缩小，再通过反射镜反射到探测器中；
所述反射型样品仓光路***包括第二透镜组、呈45度角放置在样品上的棱镜，还包括滤光片、第三透镜组及反射镜，光源通过第二透镜组对光斑进行放大，照射在棱镜上，经过棱镜折射到样品上激发荧光，荧光通过棱镜反射到滤光片上滤去入射光，再经过第三透镜组将光斑信号缩小，通过反射镜反射到探测器中；
所述探测器内包括凸透镜和感光元件，用于收集样品激发的荧光信号并成像；
所述主控芯片用于接收感光元件采集的样品荧光信号成像信息并进行图像识别和处理，计算样品浓度；
所述探测器中的感光元件为CCD或CMOS感光元件，CCD或CMOS感光元件上所成的像在两种不同类型的光路***中，样品的像均为具有一定RGB值的光斑或者条带，通过图像处理技术识别光斑的范围：
首先对图像信息进行二值化处理，通过OTSU法设定阈值识别光斑与背景，从而得到光斑区域信息，即将图像上的像素点的灰度值0至255的256个亮度等级通过阈值选取设定为0或255，OTSU算法即使目标与背景两类的类间方差最大，假设前景及背景的分割阈值为t，前景点占比w0，均值u0，背景点占比w1，均值u1，图像均值u＝w0*u0+w1*u1，建立目标函数g(t)＝w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2，求解g(t)最大值，此时对应t值即为最佳阈值；
对图像进行二值化处理以后得到的灰度255的区域即为样品对应区域，通过图像识别技术对图像内的不同光斑进行框选，并提取所在区域内所有像素点的RGB信息，RGB信息对应CCD或CMOS感光元件中TFT电路的电流、电压等信息，对应光的强度、波数信息：
F(x,y,z)＝x(R)+y(G)+z(B)
计算光斑的RGB信息得到其光场分布，得到光斑的强度、波数分布信息；
光斑的波数、强度信息对应了样品的荧光信号，通过对一系列浓度的标准品的荧光信号进行检测，绘制标线后，即能对待测样品进行检测，并通过标线计算其浓度。
2.根据权利要求1所述的便携式上转换荧光检测仪，其特征在于：所述第一透镜组和第三透镜组均包括由入射方到出射方设置的一个凸透镜和一个凹透镜，用于缩小光斑，所述第二透镜组包括由入射方到出射方设置的一个凹透镜和一个凸透镜，用于放大光斑。
3.根据权利要求1所述的便携式上转换荧光检测仪，其特征在于：所述仪器主体上还设有操作区域和显示区域，所述操作区域用于对检测仪进行电源控制，所述显示区域用于显示样品类别和浓度。
4.根据权利要求1所述的便携式上转换荧光检测仪，其特征在于：所述无线模块用于与PC客户端或移动终端通信，将数据共享给PC客户端或移动终端，并通过PC客户端或移动终端对检测仪进行控制。
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