新型多通道共焦激光诱导荧光检测系统

　　0 引言

　　由于具有分离效率高、分析速度快和样品体积小等特点[1-3]，毛细管电泳被广泛应用于医学、生物、分析化学等领域。为了实现高通量的DNA 样本分析，可以将多根毛细管组成阵列，形成毛细管阵列电泳[4]。应用于毛细管阵列的荧光检测技术， 主要分为两大类[5-6]：一类是基于面阵图像传感器的成像式非扫描检测，主要采用制冷CCD 作为光探测器。另一类是基于点探测器的共焦扫描检测，主要采用光电倍增管(PMT)等作为光探测器。基于CCD 的检测系统需要对CCD 进行制冷以获得较好的信噪比， 其造价高且灵敏度低;而基于PMT 的点扫描系统一般将毛细管阵列固定在扫描平台上，通过扫描平台的运动实现扫描，其工作稳定性相对低且工作噪声大[7]。

　　设计了新型的基于点探测器的共焦扫描激光诱导荧光检测系统，以PMT 为光探测器，通过振镜的扫描实现多通道毛细管阵列的荧光激发与接收，实现高通量的DNA 分析。文中主要分析该新型扫描系统的设计需求，并给出相应的设计与性能测试结果。

　　1 系统总体结构及设计要求

　　新型多通道共焦激光诱导荧光检测系统结构如图1 所示。

　　具体工作过程如下： 固体激光器1 发射的激光束(488 nm) 经扩束镜组2 扩束后直径略小于2 mm，反射镜3 将其反射后穿过反射镜4 中心的小孔(小孔直径为2 mm)到达振镜5。振镜与f-theta 物镜组6 构成动光式扫描机构，实现对毛细管阵列7 的扫描。毛细管中经过染料标记的DNA 片段在激光的激发下发射出的荧光信号， 由相同的f-theta 物镜6 收集后成平行光束，经振镜5 反射后，反射镜4 将荧光信号反射，与激发光路分开，经反射镜8 反射进入会聚透镜9，会聚后的荧光信号通过共焦小孔11 到达PMT12，由PMT 检测后输出至后端的嵌入式系统中进行相应处理。PMT前放置多色滤色片轮10，由步进电机驱动，以固定的速率转动，仅使用单个PMT 就实现了多色荧光信号的检测，简化系统结构，缩小仪器体积，同时降低成本。由于采用共焦结构，减小了背景荧光及杂散光的影响，提高了系统的信噪比。

　　1.1 光学扫描结构选择及f-theta 物镜设计

　　新型系统采用以电磁扭力为驱动的振镜作为扫描器件，加上特殊设计的大视场f-theta 物镜，实现毛细管阵列的线性扫描。由于振镜扫描轻便，无摩擦力，无运动导轨，避免了直线驱动，扫描惯量小，提高了扫描的效率，相比于通过扫描平台的运动实现的扫描，其机械噪声得到降低，同时检测灵敏度也得到了提高。光学扫描根据扫描机构的位置分为物镜前扫描和物镜后扫描[8]。物镜后扫描的优点是物镜的口径相对较小，扫描物镜只要求校正轴上点像差即可。其缺点是扫描像面为一曲面，不适用于排列成平面的毛细管阵列电泳系统，故本系统采用物镜前扫描方式。f-theta 物镜的轴上点和轴外点应具有相同的成像质量和扫描点大小，为此， f-theta 物镜除严格校正轴上和轴外点的像差外， 还应满足无渐晕和平像场的设计要求。另外，系统的激发光与多色荧光信号通过相同的f-theta 物镜，因此，还需要对物镜进行色差校正。在设计f-theta 物镜时， 首先确定系统的外形参数。根据像高y 与物镜焦距f′和视场角2θ 的关系：y=f′θ (1)