膏ａ叶姣２０１７年第３０卷第１１期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｎｏｖ．１５．２０１７ 光电－材料 ｄｏｉ：１０．１６１８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００７—７８２０．２０１７．１１．０１０ 应用于微型ＰＣＲ荧光检测仪的光学系统设计 李润芝 ，杨 波 ，郭彩虹 ，袁旭军 （１．上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海２０００９３；２．上海科源电子科技有限公司，上海２０１１０１） 摘要针对实时微型ＰＣＲ荧光检测仪系统的核心一光学模块目前仍然存在系统灵敏度低、能量利用率低、聚焦光 斑大等问题。文中采用在原共聚焦型光路系统基础上改进元器件的方法，利用全反射透镜收集准直光线，采用非球面透 镜进行光线会聚，优化材料选择。搭建实验系统进行实验，实验结果表明，此系统解决了原系统存在的问题，检测灵敏度 达到０．０１ ｎｇ／ｍＬ（荧光素），比原系统提高了１０倍，可在实际检测中使用。 关键词非成像光学；ＰＣＲ荧光检测仪；全反射准直透镜；非球面；光学系统设计 ＴＮ２４７ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１７）１１—０３４—０４ 中图分类号Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ＰＣＲ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ＬＩ Ｒｕｎｚｈｉ‘，ＹＡＮＧ Ｂｏ ，ＧＵＯ Ｃａｉｈｏｎｇ ，ＹＵＡＮ Ｘｕｊｕｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ—Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｃｏｈｅｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１ １０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｔｉｌｌ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ＰＣＲ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｅ－ ｔｅｃｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｈ ａｓ：ｌｏｗ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ，ａｎｄ ｂｉｇ ｆｏｃａｌ ｓｐｏｔ ｅｔｃ．Ｃｏｎｆｏｃａｌ ｏｐｔｉ— ｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ，ｒｅｐｌａｃｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｌｅｎｓ ｗｉｔｈ ＴＩＲ Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ Ｌｅｎｓ；ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｌｅｎｓ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｎｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｂｕｉｈ，ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １０ ｔｉｍｅｓ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ，ｉｔ ｒｅａｃｈｅｓ ０． ０１ ｎｇ／ｍｌ（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｎｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃｓ；ＰＣＲ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＴＩＲ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｌｅｎｓ；ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ；ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｎ ｇ聚合酶链式反应（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ， ＰＣＲ）是一种在体外特异性扩增已知序列的核酸片段 的技术 Ｊ，具有快速方便、特异性高等优点，目前已在 化设计光学系统。 １ 光学系统设计 目前，通常用于荧光检测的光路系统有：共聚焦型 生命科学、医学工程、遗传工程等领域得到了广泛应 用，成为传染病和遗传病的主要检测手段 』。与传 统的ＰＣＲ仪相比，本文所述ＰＣＲ微芯片具有体积小、 反应速度快、操作简便、便于集成化等特点 Ｊ。由于微 型ＰＣＲ仪采样样品少，需进一步提高其灵敏度；为满 足其便携性，仪器需更微型化、集成化。本文针对上述 问题，采用自由曲面折反射系统与非球面聚焦透镜，优 收稿日期：２０１６—１２－２２ 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项基金 （２０１３ＹＱ４７０７６５） 光路、正交型光路 Ｊ、斜入射式和平行式光路。共聚焦 型光路系统的激发光会聚系统和荧光收集准直系统都 由同一个透镜完成，其聚焦光斑和光阑分别位于此透 镜的共轭焦点 ］，只有聚焦光斑处样品发出的荧光才 能到达检测窗，其它部位非特异信号被选择性地屏蔽， 受外界杂散光影响较小，结构相对简单。因此，本文基 于共聚焦型光路进行光学系统设计，提高光能利用率 以获得优良的荧光激发效果。具体光路如图ｌ所示。 图１为光路的正视图和样品端的左视图，上述荧 作者简介：李润芝（１９９１一），女，硕士研究生。研究方向：光学 设计等。杨波（１９７７一），男，博士，副教授。研究方向：光学 设计。 ——光检测系统光路设计重点在于光线收集准直系统的光 能收集率与准直效果、光线会聚系统的光斑聚焦大小 以及荧光发射光束的再次收集与准直系统设计。 ＷＷＷ．ｄ￣ｎｚｉｋｅｊｔ ｏｒｇ 李润芝，等：应用于微型ＰＣＲ荧光检测仪的光学系统设计 光电・材料 图２中大角度光线令反射面３常用方法为以点光 源为基本光源，通过斯涅尔定律以及数学方法，采用离 散点计算法求解自由曲面面型。也可以将面２和面３ ≥ 图Ｉ 光学系统的光路结构示意图 组成的全反射准直光路在ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件中建模，视为 折反照明系统，优化光路准直，这样的设计过程更为简 化，充分利用软件自动优化功能。 ａＨｒ—…‘ ●●。－ — ￡＝］暖瞄譬蟹Ｃ＝＝］ 一■ 再葡订ｉｉ＝＝＝ｊ ■ ∞ ｍ ＇＿ ／ ，ｑⅫ №１．１ 光线收集准直系统设计 传统的光线收集准直系统采用折射式结构，但是 由于系统尺寸限制，对于大角度光线收集能力较弱，光 能利用率很低。本文采厢全反射透镜，小角度光线采 用二次曲面透镜准直，大角度光线通过全反射透镜准 ／ 蓉 ． 、 （ａ）Ｆ．ｔ Ｉｈｆ｝｝Ｉ面透镜 （ｂ）优化评价函数 直 。全反射透镜整体结构如图２所示。 图４ 自由曲面透镜、优化评价函数 自由曲面全反射透镜旋转对称，自由曲面母线建 ．７ 模采用单向贝塞尔曲线，采用布尔运算将１、２、３面连 接为整体结构。优化首先对ＮＳ光线准直优化，评价 函数如图４（ｂ）所示。后对面光源，利用Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ光 强切片优化方法进行优化 。最终得到有效全反射透 镜，如图４（ａ）所示。 ．’ ３ 图２全反射透镜结构 １．２光线会聚系统设计 图２中１为小角度光线会聚透镜；３为收集大角 此系统样品端聚焦光斑越小其荧光激发效果越 好，为矫正主要像差球差，本文采用非球面透镜作为样 品端会聚镜。根据其机械结构的要求，工作距离为１２ 度光线的全反射面。其中面 町设计为球面或者二次 曲面；面２可为平面，球面，二次曲面，自由曲面 ；面 ３町为二次曲面或自由曲面。本文设 第１面设 ‘为 ｈｉｍ，受激发荧光进入系统出光角度为５２。。大数值孑Ｌ 径的物镜可有效提高荧光的收集效率 “ ，为最大限度 地接收荧光，本文将透镜口径设为被允许的最大尺寸 Ｉ２ ｔｌｔｍ。为了节省成本，降低加工难度，本文采用平凸 透镜 ，材料为ＰＭＭＡ。 二次曲面；第２为平面，为满足注塑加工的工艺要求， 面２需要有＞ｏ倾斜角；面３为自由曲面。 小角度二次曲面¨。。准直透镜面Ｉ根据等光程原 理没计，如图３所示。 ｆ ／ 一数值孔径ＮＡ的计算公式如下 ＮＡ＝ｎｓｉｎ０ （２） ｌ Ｉ） ｉｉ 其中，ｎ表示介质的折射率；０表示物镜半孔径角¨ 。 根据多项式非球面式（３） ２ Ｚ（ｒ）＝————————＿ｃ ————＿＋Ａｒ ＋ ｒ ＋Ｃｒ ＋Ｄｒｍ ｌ 图３准直透镜光路 ｌ＋［１＋（１＋ ）ｃ ｒ ］寺 （３） 其中，ｒ ＝ ＋３，－ ，ｃ为表面极位置的曲率；Ｋ为曲面常 数；Ａ～Ｄ是第４到第１０阶变形项¨ 。根据上述设计 光源位于透镜焦点Ｆ处，设材料折射率为凡；ＦＡ 长度为ｎ；ＡＢ长度为ｂ；设曰为坐标原点；Ｃ点坐标为 （一 ，一Ｙ）；Ｆ点出射Ｃ点光线经透镜由Ｄ点准直出 射，需满足等光程条件，根据各点坐标，可得 要求与思路，采用偶次非球面，消除系统球差，通过 ＣＯＤＥＶ软件进行优化可得其面型系数。 １．３光源的选取 检测物质吸收激发光，受激发出特定波段荧 光㈠ ，本文针对样品中添加ＦＡＭ荧光染料选取光源。 ｎ＋，ｚ×ｂ： ／ ＿ —二＿＝Ｉ＿ 镜面 截面曲线 ＋ｎ× （１） 该曲线为二次曲线，即为准直透镜小角度折射透 ＦＡＭ荧光素激发光波段的最大波长为４９０ ｒｉｍ，发射波 ｗｗｗ．Ｉ：ｌｕｌ１ｚｉｋｌ？ｊｉ．ｒ¨ｑ—— ，５ 光电・材料 李润芝，等：应用于微型ＰＣＲ荧光检测仪的光学系统设计 段的最大波长为５２０ ｒｉｍ。本文采用１ ｍｍ×１ ｍｌＹｌ中心 扰较多，降低系统灵敏度。图５中优化后系统准直度 波长为４７０ ｎｍ，波谱范围为４６０～４８０ ａｍ的ＬＥＤ作 为激发光光源。 １．４滤光片的选取 显著提高且大角度光线通过全反射透镜被收集。图７ （ａ）为优化后系统样品光斑，明显小于图７（ｂ）原系统 样品光斑。证明自由曲面与非球面配合准直的光路系 由于此光学系统的成像信号微弱，以及很多光学元 件的多次散射的影响，对杂散光进行抑制、提高系统的 信噪比显得尤为重要¨ 。激发波段和发射波段具有 统有效优化系统由于光源尺寸造成的慧差等轴外像 差，同时进一步矫正球差，聚焦光斑缩小，聚焦效果显 著改善。设置系统的光源光通量为１００ ｌｍ，样品端接 收的能量为９２．７４ ｌｍ，光能利用率＞９２％，较原系统提 高２倍。 光谱重叠区＿４ Ｊ，为解决光谱重叠问题，防止系统受到杂 散光的影响，本文采用截止深度为ＯＤ６的滤光片。在 激发光路中采用中心波长为４７０ Ｆｌｍ，带宽２０ ｎｎｌ的滤光 片，在探测器的接收端采用中心波长为５２５ ｎｍ、带宽２０ ３ 实验验证与数据分析 校准光路使光斑居于透镜中心，如图１１所示，确 ｎｍ的发射滤光片，减少杂散光对系统的影响。 …２基于Ｌｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓ软件的模拟仿真 根据上述理论与尺寸需求，具体搭建ＰＣＲ荧光检 测仪光路，建立透镜模型，设置合理菲涅尔损耗属性， 在样品处添加ｌ ｍｍ ｘ １ ｍｍ接收器。透镜口径均＜２０ 保光路准直。将光学模块放到ＰＣＲ检测仪中，设置零 位固定安装，进行发光测试。将光强统一设置为２００， 样品分为高中低３种浓度，实验时问设置为６０ ｍｉｎ，本 文设计方案与传统方案的结果如图８所示。 一 ｍｍ，荧光激发光路总长６０ ｍｍ，优化后整个光学模组 的尺寸为：６０ ｍｍ ｘ ５０ ｉｌｌｍ ｘ ２５ ｍｍ。最后进行光线 ｉ自迹。 ｌ＠１ ‘ｔ 口 Ｌ● ａ）原系统样品光斑 ｂ）优化后系统样品光斑 图８ 荧光检测买验结果 由图８的实验结果图可以看出：在相同光强２００ （ａ）自由曲面透镜 （ｂ）优化评价函数 的设置下，传统荧光检测器低浓度值荧光ＡＤＩ 值为６ ６００，本文设计的光学系统低浓度荧光ＡＤ值为１７ ０００，中浓度和高浓度的数值已经饱和到达７２ ０００。通 图５ 优化后模拟光路的正视图和左视图 过实验证明：整个系统的灵敏度提高了ｌ０倍，达到 ０．０１ ｎｇ／ｍＬ，充分说明本系统的灵敏度显著提高，光能 利用率高、激发荧光效果好，系统稳定性较强。 ４ 结束语 图 光学设计模块是ＰＣＲ荧光检测仪重要研究方向 之一。本文基于共聚焦型光路系统，设计折反系统 （全反射透镜）收集准直光线，比传统折射系统提高光 能利用率２倍以上；利用非球面透镜消除球差、慧差等 像差影响，有效缩小聚焦光斑。解决传统系统灵敏度 低、能量利用率低、聚焦光斑大等问题，可用于实际 检测。 图７样品端光斑图 图５为本文设计ＰＣＲ荧光检测器模拟光路图，图 参考文献 ［１］Ｓａｉｋｉ Ｒ Ｋ，Ｓｃｈａｒｆ Ｓ，Ｆａｌｏｏｎａ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ａｍｐｌｉｉｆｅａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｔａ——ｇｌｏｂｉｎ ｇｅｎｏｍｉｃ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅ ａ— ６为原系统光路图。图６中容易发现大角度光线通过 折射系统，收集准直能力较弱，光能利用率低且杂光干 ３６ ｗｗｗ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．１３１－ｇ 李润芝，等：应用于微型ＰＣＲ荧光检测仪的光学系统设计 光电‘材料 （上接第３３页） ［２］ 黄金霞，黄根平．ＬＥＤ灯在室外景观照明中的应用［Ｊ］．光 ２０１６一Ｕ２一Ｕ２． 源与照明，２００８，２（１）：３Ｏ一４０． ［９］ 任超，任敏．一种可实现大偏光角度矩形光斑的ＬＥＤ透 ［３］ 周良，周华，姜君城．ＬＥＤ洗墙灯透镜：中国， 镜：中国，ＣＮ２０１４２０８４５２１１［Ｐ］．２０１４—１２—２５． ＣＮ２０１１１０２４９２１６［Ｐ］．２０１１—０８—２６． ［１０］朱宇．浅谈ＬＥＤ的建筑化夜景照明［ｃ］．大连：中国照明 ［４］李林，王光珍，王丽莉，等．实现均匀照明的ＬＥＤ系统设 论坛—２０１１绿色照明与科学发展科技研讨会暨第四届中 计方法［Ｊ］．光学学报，２０１２，３２（２）：１—７． 日韩照明大会，２０ｌ１． ［５］Ｄｉｎｇ Ｙｉ，Ｌｉｕ Ｘｕ，Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｅｎｒｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｆｒｅｅｆｏｒｍ ＬＥＤ ｌｅｎｓ ［１１］胡成华，史玲娜，夏川茴，等．基于ＬＥＤ光源的ＴＩＲ透镜的 ｆｏｒ ｕｎｉｏｆｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２００８，１６（１７）： 优化设计［Ｊ］．光电器件，２０１２，３３（２）：１８４—１８７． １２９５８一ｌ２９６６． ［１２］王未未．基于ＴＩＲ结构ＬＥＤ准直透镜的设计与实现［Ｊ］． 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