一种PCR荧光检测仪的光学系统和PCR荧光检测仪的制作方法

一种pcr荧光检测仪的光学系统和pcr荧光检测仪
技术领域
1.本实用新型涉及超表面的应用领域，具体而言，涉及一种聚合酶链式反应(polymerize chain reaction,pcr)荧光检测仪的光学系统和pcr荧光检测仪。

背景技术：

2.目前，pcr是一种核酸扩增技术。该技术在体外模拟天然的dna复制过程，提高检测液中的dna浓度，再经过染料染、荧光激发以及荧光信号探测和分析，从而得出含有特定dna微液滴的浓度，实现相关物质的检测功能。
3.现有的pcr检测仪采用共聚焦的光学系统，其中不同的光源分别与配套的光学元件形成多套激发源，以稳定的强度发出多条激发光入射到样品处，从而激发被染料染的样品产生多条荧光，并利用多套不同接收系统对多条荧光中的不同波长的荧光进行接收，导致pcr检测仪使用的光学系统非常复杂。

技术实现要素：

4.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种pcr荧光检测仪的光学系统和pcr荧光检测仪。
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种pcr荧光检测仪的光学系统，用于激发检测样品发射荧光，包括：至少两个激光器、准直超透镜、透反元件和多个接收元件；
6.所述至少两个激光器中的各激光器分别发出具有不同波长的光线；
7.所述准直超透镜对各激光器分别发出的各条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的各条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件；
8.所述透反元件对入射的各条所述具有不同波长的光线进行反射，将各条所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条荧光；
9.所述透反元件透过多条荧光，使得多条荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上；
10.各所述接收元件，分别对多条荧光中的不同的荧光进行接收。
11.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种pcr荧光检测仪，包括：上述第一方面所述的pcr荧光检测仪的光学系统。
12.本实用新型实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，通过在pcr荧光检测仪的光学系统内设置至少两个激光器、准直超透镜、透反元件、检测样品和多个接收元件，通过准直超透镜将至少两个激光器中的各激光器分别发出的多条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件，被透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条荧光；所述透反元件透过多条荧光，使得多条荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上，与相关技术中采用
共聚焦的光学系统的pcr检测仪相比，由于使用了准直超透镜，所以无需针对每个激光器设置与其配套使用的光学元件，大大降低了pcr检测仪使用的光学系统的复杂程度；而且，在需要增加一个激光器来发出新的波长的光线对检测样品进行激发时，只需在准直超透镜一侧增加一个激光器即可，无需再针对新增加的激光器设计一套与其配合的光学元件，降低了pcr检测仪使用的光学系统的使用复杂度，增加了pcr检测仪使用的光学系统的复用性。
13.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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获得其他的附图。
15.图1示出了本实用新型实施例所提供的一种pcr荧光检测仪的光学系统的结构示意图；
16.图2示出了本实用新型实施例所提供的pcr荧光检测仪的光学系统中，纳米结构在衬底上按照周期排布的示意图；
17.图3示出了本实用新型实施例所提供的pcr荧光检测仪的光学系统中，模拟的激光发出的光线所呈现的光路中的样品光斑的示意图；
18.图4示出了本实用新型实施例所提供的pcr荧光检测仪的光学系统中，模拟的接收元件处接收到的具有第二特性的荧光的光斑的示意图。
具体实施方式
19.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。
20.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
21.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本实用新型中的具体含义。
22.目前，pcr是一种核酸扩增技术。该技术在体外模拟天然的dna复制过程，提高检测液中的dna浓度，再经过染料染、荧光激发以及荧光信号探测和分析，从而得出含有特定
dna微液滴的浓度，实现相关物质的检测功能。
23.现有的pcr检测仪采用共聚焦的光学系统，其中不同的光源分别与配套的光学元件形成多套激发源，以稳定的强度发出多条激发光入射到样品处，从而激发被染料染的样品产生多条荧光，并利用多套不同接收系统对多条荧光中的不同波长的荧光进行接收，导致pcr检测仪使用的光学系统非常复杂。
24.基于此，本实施例提出一种pcr荧光检测仪的光学系统和pcr荧光检测仪，通过在pcr荧光检测仪的光学系统内设置至少两个激光器、准直超透镜、透反元件、检测样品和多个接收元件，通过准直超透镜将至少两个激光器中的各激光器分别发出的多条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件，被透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条具有第二特性的荧光；所述透反元件透过多条所述具有第二特性的荧光，使得多条所述具有第二特性的荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上，由于使用了准直超透镜，所以无需针对每个激光器设置与其配套使用的光学元件，大大降低了pcr检测仪使用的光学系统的复杂程度。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术做进一步详细的说明。
26.实施例1
27.参见图1所示的一种pcr荧光检测仪的光学系统的结构示意图，本实施例提出一种pcr荧光检测仪的光学系统，用于激发检测样品106发射荧光，包括：至少两个激光器100、准直超透镜102、透反元件104和多个接收元件108。
28.在一个实施方式中，所述接收元件，采用光电二极管。
29.所述至少两个激光器中的各激光器分别发出具有不同波长的光线。
30.所述准直超透镜对各激光器分别发出的多条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件。
31.可选地，为了使准直超透镜可以更好的对各激光器分别发出具有不同波长的光线进行准直，所述各激光器位于所述准直超透镜的焦平面上。
32.所述透反元件对入射的多条所述具有不同波长的光线进行反射，将所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条具有第二特性的荧光。
33.所述检测样品，是涂覆有多种染料的。针对多种染料中的不同的染料，需要不同波长的光线照射进行激发而发射不同的荧光。不同的荧光的波长不同。
34.在一个实施方式中，检测样品上涂覆的第一荧光染料，可以选取吖啶红(乙醇)(acridine red(ethanol))，其激发波长为552纳米(nm)，发射波长为584nm；检测样品上涂覆的第二染料选取alexa fluor荧光染料，其激发波长为561nm，发射波长为572nm。
35.因此，对于pcr荧光检测仪的双激光器的光学系统来说，可以设置第一激光器，用于发射552nm波长的光线照射到检测样品上，从而激发检测样品发射波长为584nm的荧光；还可以设置有第二激光器，用于发射561nm波长的光线照射到检测样品上，从而激发检测样品发射波长为572nm的荧光。
36.所述透反元件透过多条所述具有第二特性的荧光，使得多条所述具有第二特性的荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上。
37.所述透反元件为分束器。
38.所述各接收元件，只对具有相同第二特性的荧光进行接收。
39.为了对入射的光线进行准直，本实施例提出的pcr荧光检测仪的光学系统中，所述准直超透镜对光线进行准直时的调制相位满足公
40.式1：
[0041][0042]
其中，表示准直超透镜对至少两个激光器中的第i个激光器发射的光线进行准直时的调制相位；表示激光器发射的的光线传播到准直超透镜表面时的波前相位分布；r1表示准直超透镜上任意一点到准直超透镜中心的距离；θi表示第i个激光器的光轴与准直超透镜法线之间的夹角。
[0043]
以上公式1中等号右侧出现的参数大小均为预设数值。
[0044]
若pcr荧光检测仪的光学系统是双激光器的光学系统，那么i＝1和2；θ1＝30
°
；θ2＝0
°
。
[0045]
θ1＝30
°
表示第1个激光器的光轴与准直超透镜法线之间的夹角是30度。
[0046]
θ2＝0
°
表示第1个激光器的光轴与准直超透镜法线之间的夹角是0度。
[0047]
进一步地，为了使被透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线能够很好的汇聚到所述检测样品的表面，本实施例提出的一种pcr荧光检测仪的光学系统，还包括：聚焦超透镜110。
[0048]
所述聚焦超透镜，设置在所述透反元件与所述检测样品之间。
[0049]
为了更好的将被透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线汇聚到所述检测样品的表面，所述检测样品，可以设置在所述聚焦超透镜的焦平面上。
[0050]
所述聚焦超透镜，能够将所述透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线进行汇聚，汇聚后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发。
[0051]
对所述检测样品进行激发，是指对所述检测样品表面涂覆的染料进行激发。
[0052]
为了对入射的光线进行汇聚，本实施例提出的一种pcr荧光检测仪的光学系统，所述聚焦超透镜，对光线汇聚时的调整相位满足以下公式2：
[0053][0054]
其中，表示聚焦超透镜对第i个激光器发射的光线进行汇聚时的调制相位；λi表示第i个激光器发射的光线的波长；r2表示聚焦超透镜上任意一点到聚焦超透镜中心的距离；f2表示聚焦超透镜的焦距。
[0055]
以上公式2中等号右侧出现的参数大小均为预设数值。
[0056]
所述各接收元件，只对具有同一波长的荧光进行接收的情况下，说明每个接收元件，仅对单一波长的荧光进行接收。为了更好的将单一波长的荧光能够更好的反馈到接收该荧光的接收元件中，本实施例提出的pcr荧光检测仪的光学系统，还包括：分光超透镜
112。
[0057]
所述分光超透镜，设置在所述透反元件与多个所述接收元件中的各接收元件之间。
[0058]
为了准确的将单一波长的荧光能够更好的反馈到接收该荧光的接收元件中，各所述接收元件，可以设置在所述分光超透镜的焦平面上。
[0059]
所述分光超透镜，能够对所述透反元件透过的所述不同的荧光进行相位调制，将所述不同的荧光中波长不同的各条荧光根据波长分别以特定角度汇聚到相应的接收元件。
[0060]
各条荧光根据波长分别以特定角度汇聚到相应的接收元件，就是分光超透镜根据各条荧光的波长，对各条荧光进行相位调制的结果。
[0061]
具体地，所述分光超透镜，对荧光分光时的调制相位满足公式3：
[0062][0063]
其中，表示检测样品被第i个激光器发射的光线激发后所发射的荧光被分光超透镜调制的相位；k0表示真空中的波数；r3表示分光超透镜上任意一点到聚焦超透镜中心的距离；f3表示分光超透镜的焦距；θ
si
表示检测样品被第i个激光器发射的光线激发后所发射的荧光被分光后的出射角。
[0064]
若pcr荧光检测仪的光学系统是双激光器的光学系统，那么i＝1和2；那么，θ
s1
＝30
°
；θ
s2
＝0
°
。
[0065]
θ
s1
＝30
°
表示检测样品被第1个激光器发射的光线激发后所发射的荧光，在被分光超透镜分光后的出射角是30度。
[0066]
θ
s2
＝0
°
表示检测样品被第2个激光器发射的光线激发后所发射的荧光，在被分光超透镜分光后的出射角是是0度。
[0067]
以上公式3中等号右侧出现的参数大小均为预设数值。
[0068]
所述准直超透镜、所述聚焦超透镜、所述分光超透镜，分别包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米结构。
[0069]
所述衬底是可见光波段透明材料；优选地，基底材料，包括但不限于：石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃。所述准直超透镜、所述聚焦超透镜和所述分光超透镜的工作波段为可见光(可见光波长在380nm至760nm)。
[0070]
参见图2所示的纳米结构在衬底上按照周期排布的示意图，可选地，纳米结构在衬底上的排布周期为200nm至1500nm；周期中心或顶点有纳米结构。纳米结构的材料为应用波段透过材料，可选的材料包括但不限于：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅。纳米结构之间可以是空气填充或者其他应用波段透明的材料，需要注意的是，在纳米材料之间的填充材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
[0071]
所述纳米结构是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位，从而对入射光的相位进行调制。
[0072]
在一个实施方式中，若pcr荧光检测仪的光学系统是双激光器的光学系统，所述准直超透镜、所述聚焦超透镜、所述分光超透镜的设计与选取如下：纳米结构选取纳米圆柱；纳米结构的材料为二氧化钛，衬底选用的材料是二氧化硅。纳米圆柱的周期为450nm，高度为1200nm。分光超透镜的焦距f2和聚焦超透镜的焦距f3均设为500μm。
[0073]
本技术实施例提出的一种pcr荧光检测仪的光学系统，设计了一种角度/波长复用的超透镜，分别可以将多路光线的准直光路以及荧光收集光路整合到一片超透镜上，具有系统简洁、小型化、轻量化、成本低等优势。
[0074]
本实施例还提出一种pcr荧光检测仪，使用上述的pcr荧光检测仪的光学系统。参见图3所示的模拟的激光发出的光线所呈现的光路中的样品光斑和图4所示的模拟的接收元件处接收到的具有第二特性的荧光的光斑，可以看到接收元件处探测的荧光的光斑基本可以还原检测样品发出的光，荧光准直度高，接收元件接收到的荧光的能量分布集中且均匀，因此可以保证接收元件对荧光进行光电转换后得到的输入信号，传输给与接收元件连接的检测电路的输入信号非常稳定，使得检测电路能够获得对检测样样品的稳定的检测结果。
[0075]
综上所述，本实施例提出一种pcr荧光检测仪的光学系统和pcr荧光检测仪，通过在pcr荧光检测仪的光学系统内设置至少两个激光器、准直超透镜、透反元件、检测样品和多个接收元件，通过准直超透镜将至少两个激光器中的各激光器分别发出的多条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件，被透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条荧光；所述透反元件透过多条荧光，使得多条荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上，与相关技术中采用共聚焦的光学系统的pcr检测仪相比，由于使用了准直超透镜，所以无需针对每个激光器设置与其配套使用的光学元件，大大降低了pcr检测仪使用的光学系统的复杂程度；而且，在需要增加一个激光器来发出新的波长的光线对检测样品进行激发时，只需在准直超透镜一侧增加一个激光器即可，无需再针对新增加的激光器设计一套与其配合的光学元件，降低了pcr检测仪使用的光学系统的使用复杂度，增加了pcr检测仪使用的光学系统的复用性。
[0076]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种pcr荧光检测仪的光学系统，用于激发检测样品发射荧光，其特征在于，包括：至少两个激光器、准直超透镜、透反元件和多个接收元件；所述至少两个激光器中的各激光器分别发出具有不同波长的光线；所述准直超透镜对各激光器分别发出的各条具有不同波长的光线进行准直，被准直超透镜准直后的各条所述具有不同波长的光线入射到所述透反元件；所述透反元件对入射的各条所述具有不同波长的光线进行反射，将各条所述具有不同波长的光线照射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发，使得被激发后的所述检测样品向所述透反元件发射多条荧光；所述透反元件透过多条荧光，使得多条荧光分别入射到多个所述接收元件的各接收元件上；各所述接收元件，分别对多条荧光中的不同的荧光进行接收。2.根据权利要求1所述的pcr荧光检测仪的光学系统，其特征在于，所述不同的荧光的波长不同。3.根据权利要求2所述的pcr荧光检测仪的光学系统，其特征在于，所述准直超透镜对光线进行准直时的调制相位满足以下公式：其中，表示准直超透镜对至少两个激光器中的第i个激光器发射的光线进行准直时的调制相位；表示激光器发射的光线传播到准直超透镜表面时的波前相位分布；r1表示准直超透镜上任意一点到准直超透镜中心的距离；θ
i
表示第i个激光器的光轴与准直超透镜法线之间的夹角。4.根据权利要求2所述的pcr荧光检测仪的光学系统，还包括：聚焦超透镜；所述聚焦超透镜，设置在所述透反元件与所述检测样品之间；所述聚焦超透镜，能够将所述透反元件反射的多条所述具有不同波长的光线进行汇聚，汇聚后的多条所述具有不同波长的光线入射到所述检测样品上，对所述检测样品进行激发。5.根据权利要求4所述的pcr荧光检测仪的光学系统，其特征在于，所述聚焦超透镜对光线汇聚时的调制相位满足以下公式：其中，表示聚焦超透镜对第i个激光器发射的光线进行汇聚时的调制相位；λ
i
表示第i个激光器发射的光线的波长；r2表示聚焦超透镜上任意一点到聚焦超透镜中心的距离；f2表示聚焦超透镜的焦距。6.根据权利要求4所述的pcr荧光检测仪的光学系统，还包括：分光超透镜；所述分光超透镜，设置在所述透反元件与多个所述接收元件中的各接收元件之间；所述分光超透镜，能够对所述透反元件透过的所述不同的荧光进行相位调制，将所述不同的荧光中波长不同的各条荧光根据波长分别以特定角度汇聚到相应的接收元件上；所述分光超透镜对荧光分光时的调制相位满足以下公式：
其中，表示检测样品被第i个激光器发射的光线激发后所发射的荧光被分光超透镜调制的相位；k0表示真空中的波数；r3表示分光超透镜上任意一点到聚焦超透镜中心的距离；f3表示分光超透镜的焦距；θ
si
表示检测样品被第i个激光器发射的光线激发后所发射的荧光被分光后的出射角。7.根据权利要求6所述的pcr荧光检测仪的光学系统，其特征在于，所述准直超透镜、所述聚焦超透镜、所述分光超透镜，分别包括：衬底和设置在所述衬底上的纳米结构。8.根据权利要求1所述的pcr荧光检测仪的光学系统，其特征在于，所述接收元件，采用光电二极管。9.一种pcr荧光检测仪，其特征在于，包括：上述权利要求1-8任一项所述的pcr荧光检测仪的光学系统。

技术总结

本实用新型提供了一种PCR荧光检测仪的光学系统和PCR荧光检测仪，在PCR荧光检测仪的光学系统内设置至少两个激光器、准直超透镜、透反元件、检测样品和多个接收元件，由于使用了准直超透镜，所以无需针对每个激光器设置与其配套使用的光学元件，大大降低了PCR检测仪使用的光学系统的复杂程度；而且，在需要增加一个激光器来发出新的波长的光线对检测样品进行激发时，只需在准直超透镜一侧增加一个发出不同波长光线的激光器即可，无需再针对新增加的激光器设计一套与其配合的光学元件，降低了PCR检测仪使用的光学系统的复杂度。PCR检测仪使用的光学系统的复杂度。PCR检测仪使用的光学系统的复杂度。