专利笔记:一种小型模块化多色流式细胞分析仪(CN106769810A)

  • 申请号:201710003479.8,申请日 2017-01-04,公开日 2017-05-31
  • 申请人:上海厦泰生物科技有限公司(发明人:蒋文斌、埃里克·蔡斯、大卫·福瑞、严明)
  • 分类号:G01N 15/14
  • 类型:发明专利申请(申请公开,权利要求 2 页 + 说明书 8 页 + 附图 3 页)

核心发明点:用”光纤 + 衍射光栅 + 探测器阵列”取代”滤光片 + 单PMT”

传统流式细胞仪靠反射镜+滤光片把不同波长荧光分到固定通道,每个颜色一套光路,体积随颜色数线性膨胀。本专利的光路:

  1. 三波长半导体激光器(405/488/640nm)经光束整形器+反射镜,近似共线(略有偏移)射入流动室;
  2. 采集透镜(11.5 倍,对液流侧 NA≈1.3,对光纤侧 NA≈0.12)收集离轴散射光与荧光;
  3. 双色分光镜把侧向散射光引到 SSC 探测器,荧光聚到光纤输入端;
  4. 光纤组件(纤芯 400-800μm,NA≥0.10)把荧光灵活传输到系统任意位置;
  5. 衍射光栅把荧光色散成光谱,直接聚焦到 PCB 上的光电探测器阵列(PMT 阵列/APD),每阵列 2 组 x 8 通道共 16 通道;
  6. 每通道跨阻放大器(跨阻偏置电压可调增益)→ ADC 差分采样(通道间加 EMI 屏蔽)。

由于色散元件取代固定波长滤光片,可支持的荧光颜色数几乎只受染料种类限制:单激光可激发检测 10+ 色,三激光 20+ 色,权利要求极限写到 50 色、正面宽度 ≤550mm(实施例整机 520W x 530H x 500D mm,标准 72 英寸实验台可并排放 3 台)。

关键工程参数

项数值
激光功率405nm >30mW;488/640nm >20mW,恒流恒温驱动
聚焦光斑横向 50-80μm,顺流方向 5-20μm
光纤纤芯 ≤800μm(优选 600μm,NA≈0.12),输出端可缩至 100-300μm 匹配小面探测器
光栅≥200nm 平坦衍射效率,优选 350-850nm 内 400nm 平坦
双光栅方案双色分光镜分 350-600nm / 600-850nm 两段,各光栅光谱范围减半
通道数3 光栅 x 8/16 通道 = 24 或 48 通道
采集电子荧光 16-bit ADC,FSC 12-bit;1 主板 + 5 从板插卡座(250x183x117mm)
电源3 路低噪声模拟电源(信号链)+ 1 通用电源(数字/液流/机械)

小型化的其他手段

  • 光学板组件:激光、液流、光路集成在一块光学板上;
  • 光路偏移设计:三束激光故意略偏移,使三个光纤输入端能分别收集不同激光激发的荧光(也可共用一个光栅,靠数据运算分离——硬件简单但软件复杂,值得注意的取舍);
  • 液流前置:液流组件和鞘液/废液穿板接口全放机前,缩短管路、把液体与怕潮电子隔离,模块可拆维护;
  • SIT 试样注入管组件让样品台与手动进样口共用空间;样品台用 x-级电机代替 x-y 双轴;
  • 节能低噪元件 + 差分信号 EMI 屏蔽,利于医疗环境与其他救生仪器共存。

对我方的启示(临床质谱/流式自研视角)

  • 光栅色散 + 线性探测器阵列的”光谱型”流式光路,是多色化的低成本路线,与固定滤光片”成像型”路线的取舍值得对比:前者灵活但需光谱解混算法,后者通道固化但信号链简单。
  • 光纤传输把”探测点”从光路中解放出来,是整机小型化的关键杠杆——同类思路可见 共聚焦光谱标定数据-Bin0318版 中的波长-探测器标定问题:光谱仪结构必然引入波长-像素标定需求。
  • 近似共线多激光 + 空间分辨收集,规避了激光合束器,成本低。

关联

(原文为扫描版 PDF,15 页,PP-OCRv6 全文识别,个别附图标号 OCR 有误读但不影响技术方案理解。)