ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ, КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕИВАНИЯ В АНАЛИТИЧЕСКОМ И БИОАНАЛИТИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/64 

Область техники

Изобретение относится к аналитическому и биоаналитическому оборудованию, применимо в различных прикладных биологических и биомедицинских исследованиях. Источник оптического излучения, для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов пригоден для использования в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, а также в иных оптических приборах, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Уровень техники

Оптическое излучение: декогерированный и узкополосный свет, содержащий одну или более спектральных полос, модулированный свет с гомогенизированным профилем светового пучка- требуется в множестве оптических устройств, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Известные технические решения для получения оптического излучения, пригодного для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, включают блок лазерных излучателей либо блок светодиодных излучателей, блок гомогенизации или иного профилирования оптического излучения (например П-шейтер), блок компенсации термального дрейфа, блок декогенрирования и блок интерфейса в различных комбинациях. Это технически сложные решения, стоимость таких решений составляет десятки тысяч долларов и более. При этом известные устройства имеют ограниченные возможности корректировки параметров получаемого оптического излучения в режиме реального времени.

Известен анализатор микрочипов на основе широкополевой флуоресцентной микроскопии с лазерной подсветкой и устройством для подавления спеклов, обеспечивающий ограниченное декогерирование луча с использованием оптических трубок и вращающихся зеркал (Источник [1]: Анализатор микрочипов на основе широкополевой флуоресцентной микроскопии с лазерной подсветкой и устройством для подавления спеклов. Ноябрь 2017. Биомедицинская оптика Экспресс 8(11):4798 DOI:10.1364/BOE.8.004798. [Microarray analyzer based on wide field fluorescent microscopy with laser illumination and a device for speckle suppression. November 2017. Biomedical Optics Express 8(11):4798 DOI:10.1364/BOE.8.004798 Authors:Yuri Lysov, Victor Barsky Dmitriy Urasov, Roman Urasov]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/320207384_Microarray_analyzer_based_on_wide_field_fluorescent_microscopy _with_laser_illumination_and_a_device_for_speckle_suppression). Анализатор содержит лазеры для возбуждения флуоресценции, барьерные фильтры, оптику для проецирования изображений на детектор изображений и устройство для подавления лазерных пятен на подложке микрочипа. Устройство подавления спеклов содержит волоконно-оптический пучок и вращающееся зеркало, расположенное таким образом, чтобы изменять расстояние между торцом пучка и зеркальной поверхностью во время каждого оборота зеркала.

Не позволяет создавать декогерированный и узкополосный, содержащий одну или более спектральных полос, модулированный свет (оптическое излучение) с гомогенизированным динамически перестраиваемым, профилем светового пучка, для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов.

Не позволяет создавать оптические системы, требующие гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулированного и/или динамически перестраиваемого оптического излучения в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Известен модуль компенсации термального дрейфа в цитометрии (Источник [2]: Laser beam stabilizer. Режим доступа: https://www.kineticriver.com/beam-genie/ ) активно компенсирует рассогласование лазерного луча из-за тепловых сдвигов в наведении лазера, обеспечивая правильное наведение лазерного луча на намеченную цель.

Известен модуль гомогенизации (П-шейпер) (Источник [3]: Формирователи плоского луча [AdlOptica πShaper Flat Top Beam Shapers]. Режим доступа: https://www.edmundoptics.com/f/flat-top-beam-shapers/15036/). Это оптические системы отображения преломляющего поля, которые преобразуют коллимированные входные гауссовские лучи в коллимированные плоские лучи с равномерным распределением интенсивности и плоским фазовым фронтом. Благодаря оптической конструкции отображения поля равномерное распределение интенсивности преобразованного луча стабильно на больших расстояниях, что делает его подходящим для голографии, микроскопии и системной интеграции.

Функционал не предполагает настройки и динамической корректировки.

Возможность свободной и динамической перестройки интенсивности излучения в сечении луча достижима при использовании как массивов микрозеркал (DLP), так и сканирующих микромеханических устройств (MEMS), а также массивов жидкокристаллических ячеек и аналогичных систем, однако изготовленные индивидуально, такие решения требуют специализированных интерфейсов, и требуют оптимизации для массового применения.

Решения, включающие отдельно реализованные статические П-шейперы, различные системы декогеренции и модуляции, системы компенсации термального, механического и иных видов дрейфа - ограниченны в функционале, требуют оптимизации для массового применения.

Блоки генерации, фокусировки и совмещения излучения различных длин волн являются громоздкими в сравнении с оптимизированными в массовом производстве компонентами пользовательских проекторов, требуют оптимизации для массового применения.

Гомогенизированное и/или декогерированное и/или узкополосное и/или многополосное и/или импульсное и/или модулированное и/или динамически перестраиваемое оптическое излучение в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате требуется в множестве оптических устройств, включая, но не ограничиваясь системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Проблема заключается в том, что из уровня техники не известно устройство обеспечивающее получение гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулированного и/или динамически перестраиваемого оптического излучения в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате, пригодного для массового экономически эффективного применения для аналитического и биоаналитического оборудования.

Сущность изобретения.

Технический результат, заключается в обеспечении возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, а также в иных оптических приборах, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения. Техническое решение обеспечивает получение гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулированного и/или динамически перестраиваемого оптического излучения в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате, пригодно для массового экономически эффективного применения для аналитического и биоаналитического оборудования.

Технический результат достигается тем, что источник оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании содержит лазерный видеопроектор, управляющий лазерным излучением, в соответствии с видеосигналом получаемым от управляющей электронно-вычислительной машины, лазерный видеопроектор связан с управляющей электронно-вычислительной машиной через систему обратной связи, включающей камеру, получающую оптическое излучение через фокусирующую оптическую систему, для корректировки параметров оптического излучения, управляющая электронно-вычислительная машина содержит программу управления оптическим излучением лазерного видеопроектора посредством передаваемого на лазерный видеопроектор видеопотока, причем лазерный видеопроектор выполнен в виде лазерного сканирующего видеопроектора или в виде лазерного матричного видеопроектора.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения лазерный видеопроектор включает блок коллимированных лазеров и сканирующий микроэлектромеханический MEMS блок.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения управляющая электронно-вычислительная машина выполнена в виде смартфона или планшетного компьютера.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения фокусирующая оптическая система включает цилиндрическую оптическую линзу, выравнивающую угол расхождения по вертикали/горизонтали, в комбинации со сферической линзой, фокусирующей поток излучения в луч.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения фокусирующая оптическая система включает линзу с различающейся по осям кривизной, одновременно выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали и фокусирующую поток излучения в луч.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения фокусирующая оптическая система включает апохроматическую оптику, предназначенную для фокусировки излучения без внесения хроматических искажений при использовании излучения более чем одной длины волны.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения фокусирующая оптическая система содержит оптику, установленную с использованием электромеханических актуаторов, перестраиваемую для каждой, последовательно используемой, длины волны.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения система обратной связи включает делитель луча, перенаправляющий часть оптического излучения на видеокамеру, предназначенную для регистрации отражённого от рабочей поверхности оптического излучения, параллельно с детекцией флуоресценции.

Предусмотрено, что в источнике оптического излучения система обратной связи включает точечные детекторы, предназначенные для высокоскоростной детекции модуляции излучения и параметров импульсов.

Технический результат достигается тем, что в способе управления интенсивностью излучения в сечении луча генерируемого источником оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании корректируют передаваемое на лазерный видеопроектор изображение или корректируют яркость передаваемого на лазерный видеопроектор изображения в каждом из цветов, формирование излучения осуществляют трансляцией серии изображений на лазерный видеопроектор.

Устройство и способ обеспечивают получение гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулированного и/или динамически перестраиваемого оптического излучения в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате.

Изобретение поясняется графическими материалами:

Фиг.1 – схема, источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для использования в эпифлуоресцентной микроскопии в проходящем режиме.

Фиг.2 – схема, источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для использования в эпифлуоресцентной микроскопии (в т.ч. для сканирования аналитических матриц) в проходящем режиме, оснащённый фильтром 3, собирающей оптической системой 4 и камерой 5;

Фиг.3 - схема, пример фокусировки излучения проектора 1 и организация системы обратной связи 7 через камеру 5 управляющей ЭВМ, выполненной в виде смартфона. Цилиндрическая и сферическая линзы, либо одна линза с различающейся по осям кривизной (либо иная аналогичная оптика) формирует поток оптического излучения с одинаковыми параметрами схождения или расхождения по обоим осям. Этот поток может быть преобразован в параллельный поток дополнительной сферической линзой (либо иной аналогичной оптикой). Незначительная часть луча (например, ~ 6% при использовании предметного стекла под углом 45 градусов) делителем направляется на камеру 5 управляющей ЭВМ для обеспечения обратной связи (камера 5 совмещённа с ЭВМ, т.е. используется смартфон или планшетный ПК).

Фиг.4 - схема, пример фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на белковую или ДНК-матрицу (образец 2) с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул, и эпифлуоресцентного чтения генерируемого сигнала камерой 5 управляющей проектором 1 ЭВМ (в виде смартфона). Размер матрицы (поз.2) на изображении преувеличен для наглядности. Калибровка возбуждающего излучения для компенсации угловых искажений, температурного и иного дрейфа, неоднородности профиля луча может быть реализована как анализом самого луча (как изображено на фиг. 3), так и анализом формируемого им изображения, чтение которого возможно, в частности, на сервисной длине волны (e.g. красной), тогда как чтение флуоресцентного сигнала – на рабочей длине(длинах), e.g. синей/зелёной и/или зелёной/оранжевой. Последовательное выполнение калибровки и чтения упрощают конструкцию устройства. Целенаправленное освещение только областей связывания анализируемых молекул улучшает соотношение сигнал-шум. Модуляция возбуждающего излучения с последующим анализом модуляции детектируемого сигнала (e.g. Фурье-анализ) позволяет улучшить соотношение сигнал-шум;

Фиг.5 - схема, пример фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на белковую или ДНК-матрицу (образец 2) с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул, и сканирующего чтения генерируемого сигнала при передвижении матрицы, управляемой смартфоном. Калибровка возбуждающего излучения для компенсации угловых искажений, темпорального дрейфа, корректировки профиля луча может быть реализована как анализом самого луча (как изображено на фиг. 3), так и анализом формируемого им при сканировании изображения, чтение которого возможно, в частности, на сервисной длине волны (e.g. красной), тогда как чтение флуоресцентного сигнала – на рабочей длине(длинах), e.g. синей/зелёной. Модуляция возбуждающего излучения с последующим анализом модуляции детектируемого сигнала (e.g. Фурье-анализ) позволяет улучшить соотношение сигнал-шум;

Фиг.6 - схема, пример апохроматической фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на проточную ячейку детекции.

Цифрами на графических материалах обозначены следующие позиции:

1 - проектор;

2 - образец;

3 - фильтр;

4 - оптическая система;

5 - камера;

6 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ);

7 - система обратной связи;

8 - делитель луча;

9 - линзы.

Осуществление изобретения

Предусмотрено применение лазерного видеопроектора, управляемого электронно-вычислительной машиной, в качестве источника оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, системах микроскопии и имидж-анализа, системах проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтерах, системах машинного зрения.

Источник оптического излучения для аналитического и биоаналитического оборудования, содержит лазерный видеопроектор, управляющий лазерным излучением, в соответствии с видеосигналом получаемым от управляющей электронно-вычислительной машины.

Лазерный проектор связан с электронно-вычислительной машиной через систему обратной связи, включает камеру, получающую оптическое излучение через оптическую систему, для корректировки параметров оптического излучения.

Проектор включает блок коллимированных лазеров и сканирующий микроэлектромеханический MEMS блок.

Управляющая электронно-вычислительная машина выполнена в виде смартфона или планшетного компьютера с видеокамерой.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, по содержит лазерный, сканирующий видео проектор, оптическую систему, для фокусировки излучения, систему обратной связи, электронно-вычислительную машину с программой управления оптическим излучением видео проектора посредством передаваемого на проектор видеопотока.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, содержит лазерный матричный видеопроектор, оптическую систему, для фокусировки излучения, систему обратной связи, электронно-вычислительную машину с программой управления оптическим излучением видео проектора посредством передаваемого на проектор видеопотока.

Фокусирующая оптическая система включает цилиндрическую оптическую линзу, выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали, в комбинации с сферической линзой/линзами, фокусирующей поток излучения в луч требуемых параметров.

Фокусирующая оптическая система включает линзу с различающейся по осям кривизной, одновременно выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали и фокусирующую поток излучения в луч требуемых параметров.

Фокусирующая оптическая система включает апохроматическую оптику, выполняющую фокусировку излучения без внесения хроматических искажений при использовании излучения более чем одной длины волны.

Фокусирующая оптическая система включает перестраиваемую для каждой, последовательно используемой, длины волны, оптику с использованием электромеханических актуаторов.

Система обратной связи включает, делитель луча, перенаправляющий часть оптического излучения на видеокамеру.

Система обратной связи включает, видеокамеру, регистрирующую отражённое от рабочей поверхности оптическое излучение, параллельно с детекцией флуоресценции или иных оптических сигналов.

Система обратной связи включает регистрирующую прошедшее сквозь рабочую зону излучение в реперных точках или темпорально-разделённое с анализируемыми объектами.

Система обратной связи включает точечные детекторы для высокоскоростной детекции модуляции излучения и параметров импульсов.

Способ применения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования по назначению в котором для контроля интенсивности генерируемого излучения в сечении луча корректируют передаваемое на проектор изображение или корректируют яркость передаваемого на проектор изображения в каждом из цветов, формирование излучения осуществляют трансляцией серии изображений на лазерный видеопроектор.

В качестве источника оптического излучения для аналитического и биоаналитического оборудования предусмотрело применение лазерного видеопроектора, управляемого электронно-вычислительной машиной.

Предлагается применение массово производимого лазерного проектора для использования в качестве источника оптическое излучения, в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, для получения оптического излучения: декогерированный и узкополосный свет, содержащий одну или более спектральных полос, модулированный свет с гомогенизированным профилем светового пучка- требуется в множестве оптических устройств, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Применение массово производимого лазерного проектора повышает энергоэффективность оборудования, позволяет обеспечить уменьшение габаритов (компактность), снижает стоимость аналитического и биоаналитического оборудования, и расширяет его доступность широкому кругу исследователей.

Способ применения лазерного видеопроектора, управляемого электронно-вычислительной машиной, в качестве источника оптического излучения для аналитического и биоаналитического оборудования.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов (оптического излучения) для аналитического и биоаналитического оборудования производит гомогенизированное и/или декогерированное и/или узкополосное и/или многополосное и/или импульсное и/или модулированное и/или динамически перестраиваемое оптическое излучение в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате.

Такое оптическое излучение требуется в множестве оптических устройств, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания света и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, содержит проектор 1 (фиг.1; фиг.2; фиг.3; фиг.4; фиг.5; фиг.6), управляющий лазерными лучами трёх длин волн в соответствии с получаемым видеосигналом. Проектор 1 (например, лазерный пико-проектор или лазерный сканирующий проектор MEMS), включает блок коллимированных лазеров и сканирующий микроэлектромеханический блок (MEMS-блок), управляемые через видеоинтерфейс. Лазерные источники, совмещённые в проекторе 1 в общий луч дихроичными зеркалами, обеспечивают узкополосность каждой из трёх полос излучения, и высокую спектральную плотность излучения при минимальном энергопотреблении.

Проектор 1 может быть дополнен следующими элементами в различных комбинациях:

- фокусирующей оптической системой 4, выравнивающей угол расхождения оптического излучения по вертикали/горизонтали (например, 40 и 22.5 градуса в приведённом примере выравниваются до 22.5 градусов по двум осям);

- фокусирующей оптической системой 4, формирующей оптическое излучение в луч требуемой геометрии (в том числе в параллельный луч, сходящийся или расходящийся поток);

- управляющим устройством, аппаратно формирующим видеопоток, выполненным на базе ЭВМ 6;

- управляющим программным обеспечением, используемым для управления ЭВМ 6, программно формирующим видеопоток;

- системой обратной связи 7, предоставляющей сигналы для корректировки источником профиля луча, спектральных компонент луча, мощности луча, дрейфа луча, модуляции луча и иных параметров оптического излучения.

Проектор 1 управляющий лазерными лучами трёх длин волн, в соответствии видеосигналом, получаемым через видеоинтерфейс от управляющего устройства, позволяет создавать декогерированный и узкополосный свет, содержащий одну или более спектральных полос, модулированный свет (оптическое излучение) с гомогенизированным профилем светового пучка, либо любым иным, в том числе динамически перестраиваемым, профилем светового пучка, являющийся источником возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания света и иных оптических сигналов.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования для контроля интенсивности генерируемого излучения в сечении луча путём коррекции, передаваемого на проектор 1 изображения.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования для контроля интенсивности генерируемого излучения в зависимости от времени иллюминации, температуры и иных, влияющих параметры излучения, факторов - путём коррекции яркости передаваемого на проектор изображения в каждом из цветов.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования с видеокамерой, в том числе совмещённой с ЭВМ 6 (e.g. смартфоном, планшетом, ноутбуком) управляющим видеопроектором 1 для организации обратной связи, для контроля интенсивности генерируемого излучения в сечении луча и с течением времени, путём коррекции передаваемого на проектор изображения.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на основе видеопроектора, содержащего сканатор либо DLP и LCD матрицы, для декогерирования луча и подавления спеклов. Например, для сканирования лазерным лучом, сфокусированными из излучения вышеупомянутого проектора с разрешением 1280х720=921 тысяч пикселей и частотой обновления 60fps, при времени экспозиции в 1с излучение разбивается на 5.5 млн. элементов, вызывая практически полную декогеренцию.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на основе видеопроектора 1 в котором формирование излучения осуществляется трансляцией серии изображений на сканирующий лазерный видеопроектор 1 для модуляции излучения на частотах 30-120Гц, и использование их же в совокупностью с графической, попиксельной кодировкой изображения для сканирующих проекторов для модуляции сфокусированного излучения на частотах мегагерцовых частотах и/или получения пикосекундных импульсов. Например, чередование светлых и тёмных пикселей в развертке изображения вышеприведённого проектора с разрешением 1280х720=921 тысяч пикселей с частотой 60fps приведёт к генерации 460500х60= 27 630 000 импульсов в секунду. Соответственно, минимальная длина импульса составляет 1/(921000*60)=18пс.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования в котором предлагается целенаправленное освещение только микрозон детекции биомолекул в эпифлуоресцентном режиме, задаваемое трансляцией соответствующего изображения на проектор, для повышения соотношения сигнал-шум.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на основе видеопроектора, содержащего блок из трёх коллимированных лазеров и соответствующий интерфейс, для генерации узкополосного излучения на одной, двух или трёх длинах волн, с высокой степенью контроля генерируемого излучения в сечении луча путём коррекции передаваемого на проектор изображения.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на основе видеопроектора, содержащего блок из трёх коллимированных лазеров и соответствующий интерфейс, для генерации одно, двух, и трёхполосного излучения, с высокой степенью контроля генерируемого излучения в сечении луча путём коррекции передаваемого на проектор изображения.

Предусмотрен способ использования источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на основе видеопроектора, содержащего блок из трёх коллимированных лазеров, дополненный дополнительными лазерами, последовательно управляемыми через встроенный интерфейс, для генерации многополосного излучения, с высокой степенью контроля генерируемого излучения в сечении луча путём коррекции передаваемого на проектор изображения.

Пример 1. Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для использования в эпифлуоресцентной микроскопии в проходящем режиме (фиг.1).

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания света и иных оптических сигналов для использования в эпифлуоресцентной микроскопии, содержит проектор 1, управляющий лазерными лучами трёх длин волн, в соответствии видеосигналом, получаемым через видеоинтерфейс от управляющего устройства, выполненного в виде электронно-вычислительной машины 6 (фиг.1), формирующей видеопоток для анализа образца 2. Видеопоток формируется посредством видеокарт и соответствующего программного обеспечения.

Пример 2. Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для использования в эпифлуоресцентной микроскопии в проходящем режиме (фиг.2). дополнительно оснащен фильтром 3, собирающей оптической системой 4 и камерой 5 (фиг.2). Камера 5 (видео- или фото- камера) используется для детекции сигнала от анализируемого образца 2, и для организации обратной связи проектора 1 через видеоинтерфейс с управляющей электронно-вычислительной машины 6 (фиг.1) и систему обратной связи 7. Светопропускающий образец 2 размещён на расстоянии (требуемом геометрией освещаемой зоны) от сканатора проектора 1. Управление параметрами оптического излучения производится через стандартный видеоинтерфейс, например HDMI в приведённом примере. Видеопоток формируется посредством видеокарт и соответствующего программного обеспечения.

Пример 3. Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, универсального назначения, содержит видеопроектор 1 (например, применен лазерный сканирующий проектор с USB-питанием, совместимый с устройствами HDMI, телефонами iPhone, iPad и Android) включающий блок из трёх коллимированных лазеров и сканирующий микроэлектромеханический блок (MEMS-блок), управляемые ЭВМ 6 через видео-интерфейс и дополненный фокусирующей оптической системой 4, выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали (например, 40 и 22.5 градуса в приведённом примере выравниваются до 22.5 градусов по двум осям), а также фокусирующую оптическое излучение в луч требуемой геометрии, в том числе в параллельный луч, сходящийся или расходящийся поток; ЭВМ 6 через систему обратной связи управляет проктором 1, система обратной связи 7 предоставляет сигналы (информацию) необходимые для корректировки профиля луча, спектральных компонент луча, мощности луча, дрейфа луча, модуляции луча и иных параметров формируемых проектором 1 (фиг.3). Управление параметрами оптического излучения производится через стандартный видеоинтерфейс, например HDMI в приведённом примере. Видеопоток формируется посредством видеокарт и соответствующего программного обеспечения.

Фокусирующая оптическая система 4 предусматривает следующие частные варианты, которые служат лишь для иллюстрации частных вариантов изобретения, но не ограничивают иные возможные варианты реализации изобретения, доступные для специалистов в различной комбинации:

- фокусирующая оптическая система 4 включает цилиндрическую оптическую линзу (либо иную, аналогичную по параметрам оптику), выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали, в комбинации с сферической линзой/линзами (либо иной, аналогичной по параметрам, оптикой), фокусирующей поток излучения в луч требуемых параметров;

- фокусирующая оптическая система 4 включает линзу с различающейся по осям кривизной (либо иную, аналогичную по параметрам оптику), одновременно выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали и фокусирующую поток излучения в луч требуемых параметров;

- фокусирующая оптическая система 4 включает апохроматическую оптику, выполняющую описанную фокусировку без внесения хроматических искажений при использовании излучения более чем одной длины волны;

- фокусирующая оптическая система 4 включает перестраиваемую для каждой, последовательно используемой, длины волны, оптику с использованием электромеханических актуаторов;

На фиг.3 приведен пример фокусировки излучения проектора 1 и организация системы обратной связи 7 через камеру 5 управляющей ЭВМ 6, выполненной в виде смартфона. Цилиндрическая и сферическая линзы, либо одна линза с различающейся по осям кривизной (либо иная аналогичная оптика) формирует поток оптического излучения с одинаковыми параметрами схождения или расхождения по обоим осям. Этот поток преобразован в параллельный поток дополнительной сферической линзой (либо иной аналогичной оптикой). Незначительная часть луча (например, ~ 6% при использовании предметного стекла под углом 45 градусов) делителем направляется на камеру 5 управляющей ЭВМ для обеспечения обратной связи (камера 5 совмещена с ЭВМ, т.е. используется смартфон или планшетный ПК).

Система обратной связи 7 предусматривает следующие частные варианты, которые служат лишь для иллюстрации частных вариантов изобретения, но не ограничивают иные возможные варианты реализации изобретения, доступные для специалистов в различной комбинации:

- система обратной связи 7 включает, делитель луча 8, перенаправляющий небольшую часть оптического излучения на видеокамеру 5, с опциональным использованием линз 9 фокусирующей оптической системы 4;

- система обратной связи 7 включает, видеокамеру 5, регистрирующую отражённое от рабочей поверхности оптическое излучение, параллельно с детекцией флуоресценции или иных оптических сигналов - например, в системах микроскопии и имидж-анализа, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц (фиг. 4), 3D-принтерах, системах машинного зрения;

- система обратной связи 7 включает, видеокамеру 5, регистрирующую прошедшее сквозь рабочую зону излучение в реперных точках или темпорально-разделённое с анализируемыми объектами 2 – например, в системах микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии (фиг. 5), спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтерах, системах машинного зрения;

- система обратной связи 7 включает, дополненные точечные детекторы для высокоскоростной детекции модуляции излучения и параметров импульсов.

Управление параметрами оптического излучения производится через стандартный видеоинтерфейс, например HDMI. Видеопоток формируется посредством видеокарт и соответствующего программного обеспечения.

Зона иллюминации лазерами формируется из множества (1280х720=921 тысяч в приведённом примере) пикселей, последовательно обновляемых как минимум с частотой кадров видеопотока (60 Гц в приведённом примере), что эффективно декогерирует излучение и подавляет спеклы.

Независимое управление интенсивностью каждого пикселя на каждой длине волны реализуется программированием видеопотока, и позволяет гомогенизировать либо кастомизировать излучение в сечении луча, а также модулировать излучение по всему сечению луча в реальном времени.

Лазерные источники, совмещённые в проекторе 1 в общий луч дихроичными зеркалами, обеспечивают узкополосность каждой из трёх полос излучения, и высокую спектральную плотность излучения при минимальном энергопотреблении.

Пример 4. Применение изобретения для эпифлуоресцентного считывания белковой или ДНК-матрицы с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул (либо в иная эпифлуоресцентная микроскопия) показано на фиг.4.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для получения гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулируемого и/или динамически перестраиваемого оптического излучения, содержит лазерный, сканирующий видео проектор 1 (фиг.4), оптическую систему 4, для фокусировки излучения, систему обратной связи 7, ЭВМ 6 с программой управления оптическим излучением видео проектора 1 посредством передаваемого на проектор 1 видеопотока.

На фиг. 4 приведен пример фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на белковую или ДНК-матрицу (образец 2) с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул, и эпифлуоресцентного чтения генерируемого сигнала камерой 5 управляющей проектором 1 ЭВМ (в виде смартфона). Размер матрицы (поз.2) на изображении преувеличен для наглядности. Калибровка возбуждающего излучения для компенсации угловых искажений, температурного и иного дрейфа, неоднородности профиля луча может быть реализована как анализом самого луча (как изображено на фиг. 3), так и анализом формируемого им изображения, чтение которого возможно, в частности, на сервисной длине волны (e.g. красной), тогда как чтение флуоресцентного сигнала – на рабочей длине(длинах), e.g. синей/зелёной и/или зелёной/оранжевой. Последовательное выполнение калибровки и чтения упрощают конструкцию устройства. Целенаправленное освещение только областей связывания анализируемых молекул улучшает соотношение сигнал-шум. Модуляция возбуждающего излучения с последующим анализом модуляции детектируемого сигнала

Пример 5. Применение изобретения в сканирующем считывании белковой или ДНК-матрицы с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул (либо в иная сканирующая флуоресцентная микроскопия) показано на фиг.5.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования для получения гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или модулируемого и/или динамически перестраиваемого оптического излучения, содержит лазерный, матричный (DLP, LCD) видеопроектор 1, оптическую систему 4, для фокусировки излучения, систему обратной связи 7, ЭВМ 6 с программой управления оптическим излучением видео проектора 1 посредством передаваемого на проектор 1 видеопотока.

В отличие от источника (пример 4) на базе сканирующих проекторов 1, источники (пример 5) на базе лазерных матричных проекторов 1 для фокусировки могут использовать более простые оптически системы 4 ввиду идентичности углов расхождения излучения по горизонтали и вертикали. Также, матричные системы ограничены в модулировании и доступных длинах импульса в сравнении с сканирующими.

Пример фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на белковую или ДНК-матрицу (образец 2) с флуоресцентной индикацией связывания анализируемых молекул, и сканирующего чтения генерируемого сигнала при передвижении матрицы, управляемой смартфоном. Калибровка возбуждающего излучения для компенсации угловых искажений, темпорального дрейфа, корректировки профиля луча может быть реализована как анализом самого луча (как изображено на фиг. 3), так и анализом формируемого им при сканировании изображения, чтение которого возможно, в частности, на сервисной длине волны (e.g. красной), тогда как чтение флуоресцентного сигнала – на рабочей длине(длинах), e.g. синей/зелёной. Модуляция возбуждающего излучения с последующим анализом модуляции детектируемого сигнала (e.g. Фурье-анализ) позволяет улучшить соотношение сигнал-шум.

Пример применения изобретения для проточного анализа микрочастиц (цитометрия) показан на фиг. 6. пример апохроматической фокусировки излучения источника возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования на проточную ячейку детекции.

Для приведённых примеров осуществления изобретения предполагается использование в источнике возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования, видеопроекторов содержащих блок из трёх коллимированных лазеров, или блок из трёх коллимированных лазеров, с заменой одного или более лазеров на лазер с иной длиной волны или блок из трёх коллимированных лазеров, с дополнением блока одним или более лазером с иной длиной волны при использовании встроенного интерфейса. Предусмотрено чередующееся управления парой или более лазеров одним каналом интерфейса, реализуемым через последовательность кадров в видеопотоке, последовательно управляющих несколькими лазерами через один передаваемый цвет.

Предусмотрено, что в источнике используется массово производимый для видеопроекторов блок сканатора, и соответствующий ему интерфейс, используется массово производимый для видеопроекторов DLP-блок, и соответствующий ему интерфейс, используется массово производимый LCD-блок и соответствующий ему интерфейс.

Предусмотрено, что в источнике используется массово производимый для видеопроекторов интерфейс, использующий видеопоток, аппаратно генерируемый массово производимыми видеокартами.

Предусмотрено, что в источнике используется массово производимый для видеопроекторов интерфейс, использующий видеопоток, программно генерируемый с помощью ПО, разработанного для медийных приложений. Такое решение, является уникальным по цене, компактности и простоте использования.

Предусмотрено, что в источнике используется массово производимые видеокамеры, генерирующие видеопоток для использования в системе обратной связи источника.

Наибольший ожидаемый промышленный (экономический, технический) эффект изобретение способно принести в сегменте массового и портативного аналитического и биоаналитического оборудования. Использование позитивно скажется на насыщении рынка аналитического оборудования и, как следствие, повышении общего технологического уровня общества.

Источник возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания света и иных оптических сигналов для аналитического и биоаналитического оборудования производит гомогенизированное и/или декогерированное и/или узкополосное и/или многополосное и/или импульсное и/или модулированное и/или динамически перестраиваемое оптическое излучение в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате. Такое оптическое излучение требуется в множестве оптических устройств, включая, но не ограничиваясь, системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Устройство обеспечивает получение гомогенизированного и/или декогерированного и/или узкополосного и/или многополосного и/или импульсного и/или модулированного и/или динамически перестраиваемого оптического излучения в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате.

Гомогенизированное и/или декогерированное и/или узкополосное и/или многополосное и/или импульсное и/или модулированное и/или динамически перестраиваемое оптическое излучение в экономичном и/или портативном и/или энергосберегающем формате требуется в множестве оптических устройств, включая но не ограничиваясь системы микроскопии и имидж-анализа, проточной цитометрии, спектроскопии, сканирования иммуноглобулиновых и ДНК-матриц, 3D-принтеров, системы машинного зрения.

Устройства, обеспечивающие совокупность перечисленных свойств для аналитического и биоаналитического оборудования, в настоящее время не представлены на рынке.

Решение, для заявленной совокупности свойств, является уникальным по цене, компактности и энергоэффективности, поскольку содержит наиболее сложные блоки (излучатели, сканатор, интерфейс) оптимизированные для массового производства.

Изобретение относится к аналитическому и биоаналитическому оборудованию, применяемому в различных прикладных биологических и биомедицинских исследованиях. Источник оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании содержит лазерный видеопроектор, управляющий лазерным излучением в соответствии с видеосигналом, получаемым от управляющей электронно-вычислительной машины, лазерный видеопроектор связан с управляющей электронно-вычислительной машиной через систему обратной связи, включающей камеру, получающую оптическое излучение через фокусирующую оптическую систему. Для корректировки параметров оптического излучения управляющая электронно-вычислительная машина содержит программу управления оптическим излучением лазерного видеопроектора посредством передаваемого на лазерный видеопроектор видеопотока. Лазерный видеопроектор выполнен в виде лазерного сканирующего видеопроектора или в виде лазерного матричного видеопроектора. Изобретение обеспечивает возбуждение флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, характеризующийся тем, что содержит лазерный видеопроектор, управляющий лазерным излучением в соответствии с видеосигналом, получаемым от управляющей электронно-вычислительной машины, лазерный видеопроектор связан с управляющей электронно-вычислительной машиной через систему обратной связи, включающей камеру, получающую оптическое излучение через фокусирующую оптическую систему, для корректировки параметров оптического излучения, управляющая электронно-вычислительная машина содержит программу управления оптическим излучением лазерного видеопроектора посредством передаваемого на лазерный видеопроектор видеопотока, причем лазерный видеопроектор выполнен в виде лазерного сканирующего видеопроектора или в виде лазерного матричного видеопроектора.

2. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что лазерный видеопроектор включает блок коллимированных лазеров и сканирующий микроэлектромеханический MEMS блок.

3. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что управляющая электронно-вычислительная машина выполнена в виде смартфона или планшетного компьютера.

4. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система включает цилиндрическую оптическую линзу, выравнивающую угол расхождения по вертикали/горизонтали, в комбинации со сферической линзой, фокусирующей поток излучения в луч.

5. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система включает линзу с различающейся по осям кривизной, одновременно выравнивающей угол расхождения по вертикали/горизонтали и фокусирующую поток излучения в луч.

6. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система включает апохроматическую оптику, предназначенную для фокусировки излучения без внесения хроматических искажений при использовании излучения более чем одной длины волны.

7. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что фокусирующая оптическая система содержит оптику, установленную с использованием электромеханических актуаторов, перестраиваемую для каждой последовательно используемой длины волны.

8. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что система обратной связи включает делитель луча, перенаправляющий часть оптического излучения на видеокамеру, предназначенную для регистрации отражённого от рабочей поверхности оптического излучения, параллельно с детекцией флуоресценции.

9. Источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что система обратной связи включает точечные детекторы, предназначенные для высокоскоростной детекции модуляции излучения и параметров импульсов.

10. Способ управления интенсивностью излучения в сечении луча, генерируемого источником оптического излучения для возбуждения флуоресценции, комбинационного рассеивания в аналитическом и биоаналитическом оборудовании, охарактеризованном в п.1, в котором корректируют передаваемое на лазерный видеопроектор изображение или корректируют яркость передаваемого на лазерный видеопроектор изображения в каждом из цветов, формирование излучения осуществляют трансляцией серии изображений на лазерный видеопроектор.