CN1766580A - 扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪 - Google Patents

Abstract

一种扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，构成包括：光电转换与信号处理***、数据采集与控制***，磷光激发光路与磷光接收光路，所述的磷光激发光路包括一红外半导体激光器，沿该红外半导体激光器发出的激发光束前进方向上，依次设有球面调整镜、分色镜、聚焦/准直镜和扫描平台，一扫描平台供放置试纸条，该试纸条位于聚焦/准直镜的焦平面上；所述的磷光接收光路由共光轴的所述的聚焦/准直镜和分色镜及依次设置的滤光片、后聚焦镜、共焦狭缝光阑、光电转换器组成；所述的共焦狭缝光阑位于后聚焦镜的后焦面上。本发明具有检测灵敏度高、检测可靠性高、检测空间分辨率高、检测稳定性高和具有杀菌消毒的功能，以保障检测人员的安全。

Description

扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪

技术领域

本发明涉及免疫层析技术，特别是一种扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪。该检测仪可对基于上转磷光技术免疫层析试纸进行扫描检测与结果判读，从而实现对病原体、抗原、抗体、违禁药品、重大疾病(肿瘤、癌症和糖尿病等)标志物等多种目标被检物的快速、多重、定量检测。

背景技术

目前，免疫层析技术中，通常以酶、胶体金以及着色胶珠等作为标记物，以试纸条作为检测载体，通常采用目视法、CCD与CMOS图像传感器等检测试纸条的检测带与质控带上的标记物的发光强度，从而确定样品中目标被检物的浓度。

上述在先技术存在以下缺点：

1.检测灵敏度低。一般采用发光二极管作为照明光源，照明强度低；以面阵型CCD或CMOS图像传感器接收图像时，需要大面积照明，因而被测试纸条表面很难得到高强度照明；而且，面阵型CCD或CMOS图像传感器的灵敏度通常较低。如果以目视法观察，则除灵敏度低外，检测结果还受人为因素的影响。

2.检测结果的可靠性低。由于被检测试纸条表面的标记物发光强度与照明光强度成正比，为了获得稳定的检测结果，这些技术需要大面积均匀照明，而大面积均匀照明通常很难实现。

3.由于检测灵敏度的限制，一般只能进行定性分析，无法实现精确定量检测；

4.某些标记物，如胶金体等，有一定的寿命。因而，由该标记物制成的试纸条无法较长时间保存，所以不能复查；

5.没有杀菌功能，当检测结果呈阳性时，对检测人员可能造成危害。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，该检测仪应具有检测灵敏度高、检测可靠性高、检测空间分辨率高、检测稳定性高和具有杀菌消毒的功能，以保障检测人员的安全。

本发明的技术解决方案如下：

一种扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，包括光学***、扫描平台、光电转换与信号处理***、数据采集与控制***，所述的光电转换与信号处理***由光电转换器和前置放大器构成，所述的数据采集与控制***由多功能数据采集卡、嵌入式计算机及处理软件构成，其特征在于：

所述的光学***由磷光激发光路与磷光接收光路组成，所述的磷光激发光路包括一红外半导体激光器，沿该红外半导体激光器发出的激发光束前进方向上，依次设有球面调整镜、分色镜、聚焦/准直镜和扫描平台，该扫描平台供放置试纸条，该试纸条位于聚焦/准直镜的焦平面上；所述的磷光接收光路由共光轴的所述的聚焦/准直镜和分色镜及依次设置的滤光片、后聚焦镜、共焦狭缝光阑、光电转换器组成；所述的共焦狭缝光阑位于后聚焦镜的后焦面上；所述的磷光激发光路在所述的分色镜之前部分与磷光接收光路的光轴相互垂直，该分色镜的表面与所述的磷光激发光路的光轴成45°角，磷光激发光路经该分色镜后与所述的磷光接收光路共光轴。

所述的试纸条和所述的聚焦/准直镜之间设有紫外杀菌灯，且置于对所述的磷光激发光路和磷光接收光路无阻挡的位置上，可随时对被测试纸条进行消毒、杀菌处理。

所述的分色镜镀有对激发光的反射膜和对磷光的增透膜。

所述的球面调整镜设有沿光轴方向的位置的调整结构。

所述的光电转换器为光电倍增管。

采用上转磷光材料(Up-converting phosphor，UCP)作为生物标记物的免疫层析试纸条(简称试纸条)是本发明的检测对象。在试纸条上设置了多个功能带，如一个质控带和一个或多个检测带。功能带以一定间距平行排列，其方向垂直于试纸条长边方向。本发明以恒定功率的红外半导体激光器作为激发光源，对试纸条上检测带与质控带上通过生物免疫反应结合上的UCP颗粒受激发光强度进行扫描检测，确定其含量与分布状态，依据光电信号与生物信息的对应关系，实现对一种或多种目标被检物的快速、多重、定量分析。

所述的数据采集与控制***由具备高精度A/D转换功能的多功能数据采集卡、嵌入式计算机及处理软件构成。在处理软件中采用合适的算法对数据进行处理与分析，给出判读结果。

与在先技术相比，本发明具有下列技术效果：

1.检测灵敏度高。本发明采用红外半导体激光器作为激发光源，且聚焦成焦线，激发光强度高；磷光接收光路采用共焦型式的光学结构，减小了背景光噪声的影响。

2.检测可靠性高。本发明激发光源的功率保持恒定，且无需大面积内的均匀照明要求。

3.检测空间分辨率高。本发明以极细的焦线对被测试纸条上的UCP颗粒分布进行扫描检测。

4.检测稳定性高。因为UCP的发光性能恒定不变，所以用UCP颗粒作为标记物制成的试纸条长期保存后仍可重复检测，且检测结果稳定一致。

5.装有紫外杀菌灯，在检测结果出现阳性情况下使用，可以保障检测人员的安全。

附图说明

图1是上转磷光免疫层析试纸条的结构示意图。

图2是本发明的扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪最佳实施例的结构及光路示意图。

图3是本发明采用的UCP颗粒的受激发射光谱曲线。

图4是本发明采用的红外半导体激光器的光谱曲线。

图5是本发明采用的分色镜的透过率曲线。

图6是本发明采用的滤光片的透过率曲线。

图7是本发明对标准系列浓度样品的检测结果。

图8是本发明对239份血清样品进行的筛查检测结果。

具体实施方式

请参阅图2，图2是本发明扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪最佳实施例的结构及光路示意图。由图可以看出，本发明扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，由光学***、扫描平台2、光电转换与信号处理***、数据采集与控制***组成；所述的光电转换与信号处理***由光电转换器10和前置放大器11构成，所述的数据采集与控制***由多功能数据采集卡12、嵌入式计算机13及处理软件构成，其特征在于：所述的光学***由磷光激发光路与磷光接收光路组成，所述的磷光激发光路包括一红外半导体激光器3，沿该红外半导体激光器3发出的激发光束前进方向上，依次设有球面调整镜4、分色镜6、聚焦/准直镜5和扫描平台2，该扫描平台2供放置试纸条1，该试纸条1位于聚焦/准直镜5的焦平面上；所述的磷光接收光路由共光轴的所述的聚焦/准直镜5和分色镜6及依次设置的滤光片7、后聚焦镜8、共焦狭缝光阑9、光电转换器10组成；所述的共焦狭缝光阑9位于后聚焦镜8的后焦面上；所述的磷光激发光路在所述的分色镜6之前部分与磷光接收光路的光轴相互垂直，该分色镜6的表面与所述的磷光激发光路的光轴成45°角，磷光激发光路经该分色镜6后与所述的磷光接收光路共光轴。在所述的试纸条1和所述的聚焦/准直镜5之间设有紫外杀菌灯14，且处于所述的磷光激发光路和磷光接收光路无阻挡的位置上。所述的分色镜6镀有对激发光的反射膜和对磷光的增透膜。所述的球面调整镜(4)设有沿光轴方向的位置的调整结构。所述的光电转换器10为光电倍增管。

检测对象是发生了免疫反应的试纸条1，试纸条1的结构如图1所示。本发明通过对试纸条1检测带101和质控带102上的UCP颗粒受激发光强度进行扫描检测，分析其含量与分布状态，从而推导出被检样品中目标被检物的浓度信息。

本发明的光学***包括磷光激发光路与磷光接收光路，分别用于激发试纸条1上的UCP颗粒，并接收UCP颗粒发出的磷光信号；扫描平台2用于承载试纸条1，在所述的嵌入式计算机13的控制下完成往复扫描运动；光电转换与信号处理***用于将接收到的磷光信号转换电信号，并放大到一定的幅度；数据采集与控制***用于控制对试纸条1的扫描检测运动，并对电信号进行采集、分析与处理，得到最终结果。

红外半导体激光器3发出的红外光束经球面调整镜4、分色镜6与聚焦/准直镜5后，在试纸条1表面聚焦成一条焦线。球面调整镜4可沿光轴方向进行微量调整，以获得合适的照明的焦线的长度与宽度。焦线的长度与宽度应分别与试纸条宽度和本发明的扫描分辨率相匹配，以保证检测仪具有较高的稳定性与灵敏度。

磷光激发光路的光轴与接收光路的光轴相互垂直，且均与分色镜6的表面成45°角，通过分色镜6使两光路共光轴。该设计减小了光路的机械结构尺寸。

在激发光照明的焦线范围内的UCP颗粒的受激而产生上转磷光，依次经聚焦/准直镜5准直，经分色镜6与滤光片7滤除激发光与其他杂散光后，再由后聚焦镜8聚焦在共焦狭缝光阑9上。该共焦狭缝光阑9选取合适的尺寸可以降低外界噪声干扰，提高检测灵敏度。

通过共焦狭缝光阑9的磷光信号由光电转换器件10转换为电信号，经前置放大器11放大，再由具备A/D转换功能的多功能数据采集卡12转换成数字信号，由嵌入式计算机13采集、进行数据处理、存贮。

嵌入式计算机13通过多功能数据采集卡12输出脉冲信号与方向信号控制扫描平台2的往返扫描运动，从而实现对试纸条1上UCP磷光信号分布状态的扫描检测。

处理软件采用如下算法对采集到的信号进行处理：在检测带101的中心点前后各取10至20个点，即共取21到41点的信号值，计算这些点的平均值，以该平均值作为检测带101的信号值T；在质控带102的中心点前后各取10至20点，即共取21到41点的信号值，计算这些点的平均值，以该平均值作为质控带102的信号值C；计算检测带信号值T与质控带信号值C之比T/C，T/C与目标被检物的浓度相对应，通过标准工作曲线比对，计算出目标被检物的浓度。

紫外杀菌灯14安装在试纸条1与聚焦/准直镜5的之间、且对磷光激发光路和磷光接收光路无阻挡的位置上。紫外灭菌灯14发出的紫外光线可直射在试纸条1的检测带101和质控带102上。当检测到呈阳性的目标被测物时，可打开紫外灭菌灯14，对试纸条进行消毒和灭菌处理。

与在先技术相比较，本发明的特点在于：

①激发光源采用稳功率的红外半导体激光器3；

②利用球面调整镜4沿光轴方向的微量移动，控制试纸条1表面的激发光焦线尺寸；

③采用分色镜6使得磷光激发光路与磷光接收光路共光轴，减小了光学***的尺寸；

④磷光接收光路采用共焦型式的光学结构，减小了背景光噪声的影响，提高了检测灵敏度；

⑤利用扫描方法检测，空间分辨率高，对激发光源的均匀性要求低，可实现多重、定量检测。

与其他光源相比，所说的激发光源采用红外半导体激光器3，具有体积小、功率高、寿命长、方向性好以及单色性好的特点。在未出现吸收饱和情况下，一定范围内UCP颗粒的受激发光强度随激发光强度的增大呈上升趋势。红外半导体激光器3的波长与所选用UCP颗粒吸收峰值波长相同或相近，以提高UCP颗粒受激发光的效率。

经过磷光激发光路后，激发光束被聚焦为焦线。该焦线尺寸可由球面调整镜4调整。其宽度尺寸方向与扫描平台2的扫描方向一致，焦线宽度大小等于或略大于扫描平台2的步进距离。如果该尺寸过小，UCP颗粒的分布信息会丢失；如果该尺寸过大，激发光焦线的强度会降低。焦线长度尺寸与试纸条1的宽度相近，以避免UCP颗粒分布信息丢失。

分色镜6的作用是反射激发光，透过磷光，因此对激发光应有尽可能高的反射率；滤光片7的作用是滤除杂散光，杂散光的主要成分是由试纸条1表面反射经分色镜6透射过的微量激发光，因此滤光片7对激发光应有尽可能高的截止效率。而分色镜6与滤光片7对磷光均应有尽可能高的透过率。

本发明采用的共焦狭缝光阑9仅使试纸条1表面受激发区域内UCP颗粒产生的磷光通过，试纸条1表面上下方灰尘颗粒产生的磷光或杂散光被聚焦在共焦狭缝光阑9外，进一步滤除外界杂散光的干扰，提高了检测灵敏度。

本发明扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪的工作过程如下：

将待检测的试纸条1放置于扫描平台2上，由红外半导体激光器3发出的激光束经球面调整镜4后由分色镜6反射，再经聚焦/准直镜5后在试纸条1表面形成焦线。焦线范围内的UCP颗粒发出的磷光被聚焦/准直镜5接收并准直，经分色镜6与滤光片7滤除杂散光后，再经后聚焦镜8聚焦在共焦狭缝光阑9上。通过共焦狭缝光阑9的磷光信号由光电转换器件10转换为电信号，经前置放大器11放大，再由具备A/D转换功能的多功能数据采集卡12转换成数字信号，进入嵌入式计算机13采集、存贮。嵌入式计算机13通过多功能数据采集卡12输出脉冲信号与方向信号控制扫描平台2的往返步进运动，对试纸条1结果扫描窗内UCP磷光信号进行扫描检测，嵌入式计算机13通过一定算法计算出检测带101的信号值T、质控带102的信号值C及两者之比T/C，最后通过标准工作曲线计算出目标被检物的浓度。

图2是本发明的最佳实施例的结构示意图，下面列举其具体结构和参数：

本发明采用的UCP材料为NaYF₄:Yb³⁺，Er³⁺，图3是激发光波长为980nm时其发射光谱曲线，发射光主峰值波长为541.5nm，次峰波长为669.6nm。

本发明选用的红外半导体激光器3的中心波长为980nm，功率为30mW，其光谱曲线如图4所示，其峰值波长在980nm处。

磷光激发光路中的球面调整镜4的通光口径为φ8mm，焦距为20mm。

聚焦/准直镜5选用平凸镜，其通光口径为φ14.6mm，焦距为20.64mm。红外激发光经磷光激发光路后聚焦在试纸条1表面的焦线尺寸为2mm×27μm。该尺寸分别与试纸条1的宽度3mm以及扫描平台2的步进分辨率20μm相匹配。

分色镜6的反射面对980nm波长镀全反膜，透射面对UCP材料的受激发射磷光波长范围内镀增透膜。图5和6分别是分色镜6与滤光片7的透过率曲线。分色镜6在980nm处的透过率约为0.88％，磷光波长范围内的透过率在85～95％之间；滤光片7在541.5nm处透过率大于85％，而在980nm处的透过率接近于0。

后聚焦镜8是与聚焦/准直镜5相同的平凸镜。共焦狭缝光阑9的尺寸与焦线尺寸相对应。

光电转换器10为光电倍增管。光电倍增管的光敏面尺寸为φ8mm，波长响应范围为300-850nm，对波长为980nm的激发光无响应，在其内部已集成了前置放大器11。

嵌入式计算机13为PC104嵌入式***，多功能数据采集卡12具有A/D、D/A以及DI/DO功能，信号采集/输出频率为100kHz。

紫外杀菌灯14的功率为5W，在20min内可完全杀灭各种病毒和细菌。

对本实施例进行稳定性考察的方式是：对同一待检试纸条1在开机后、长期工作后以及重复插拔试纸条三种情况下进行多次重复检测。采用T/C作为检测结果评判值，在各种情况下其变异系数均小于3～5％，说明本发明工作稳定。

本实施例对20份系列浓度标准品反应后得到的上转磷光免疫试纸条进行检测，扫描检测结果以T/C值作为X轴，以兔抗鼠疫IgG的标准浓度作为Y轴，绘制标准浓度样品检测图，如图7所示。由图7可知，在200-6000ng/ml浓度范围内，本实施例的线性响应关系较好。同时还可看出，检测仪的检测灵敏度已优于最低阳性标准样品浓度(200ng/ml)。

采用最小二乘法对200-6000ng/ml浓度范围内的数据进行线性拟合，得到的直线具有很高的相关性，其相关系数R²≥0.95。

本实施例对239份人血清反应后得到的试纸条进行了抗鼠疫抗体的检测，结果见图8，在此以T/C值作为定量检测的最终结果。该结果表明，本实施例已经具备了对鼠疫耶尔森氏菌抗体进行实际检测的能力，且灵敏度高。

本实施例对炭疽芽孢病毒在30分钟内完成了定量检测，多种芽孢菌及其它病原菌评价显示本实施例的检测灵敏度达到1×10⁴个芽孢。

Claims (5)

1、一种扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，由光学***、扫描平台(2)、光电转换与信号处理***、数据采集与控制***组成；所述的光电转换与信号处理***由光电转换器(10)和前置放大器(11)构成，所述的数据采集与控制***由多功能数据采集卡(12)、嵌入式计算机(13及处理软件构成，其特征在于：

所述的光学***由磷光激发光路与磷光接收光路组成，所述的磷光激发光路包括一红外半导体激光器(3)，沿该红外半导体激光器(3)发出的激发光束前进方向上，依次设有球面调整镜(4)、分色镜(6)、聚焦/准直镜(5)和扫描平台(2)，该扫描平台(2)供放置试纸条(1)，该试纸条(1)位于聚焦/准直镜(5)的焦平面上；所述的磷光接收光路由共光轴的所述的聚焦/准直镜(5)和分色镜(6)及依次设置的滤光片(7)、后聚焦镜(8)、共焦狭缝光阑(9)、光电转换器(10)组成；所述的共焦狭缝光阑(9)位于后聚焦镜(8)的后焦面上；所述的磷光激发光路在所述的分色镜(6)之前部分与磷光接收光路的光轴相互垂直，该分色镜(6)的表面与所述的磷光激发光路的光轴成45°角，磷光激发光路经该分色镜(6)后与所述的磷光接收光路共光轴。

2、根据权利要求1所述的扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，其特征在于所述的试纸条(1)和所述的聚焦/准直镜(5)之间设有紫外杀菌灯(14)，且位于对所述的磷光激发光路和磷光接收光路无阻挡的位置上。

3、根据权利要求1所述的扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，其特征在于所述的分色镜(6)镀有对激发光的反射膜和对磷光的增透膜。

4、根据权利要求1所述的扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，其特征在于所述的球面调整镜(4)设有沿光轴方向的位置的调整结构。

5、根据权利要求1所述的扫描型上转磷光颗粒分布状态检测仪，其特征在于所述的光电转换器(10)为光电倍增管。

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