基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统，包括暗场照明单元、暗场显微成像单元、载物台和激光诱导击穿光谱检测单元：载物台承载单细菌并精密移动单细菌至检测位置；暗场显微成像单元收集暗场照明单元提供的单细菌成像的散射光，将微米级待测单细菌以高亮形态呈现在暗视野图像中；激光诱导击穿光谱检测单元产生的高强度电场能瞬间电离单细菌样品，诱导等离子体发光，并探测等离子体发光解析单细菌样品的元素成分。本发明专利技术能够提高单个微米级微生物细菌的成像对比度以及定位准确度；能够对单细菌样品中的多种元素组分进行同时检测，检测速度快，检测通量高；大大降低基底干扰，提高单细菌样品元素定量检测的准确性。定量检测的准确性。定量检测的准确性。

【技术实现步骤摘要】
基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统


[0001]本专利技术属于单细菌检测领域，更具体的，涉及一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统。

技术介绍

[0002]随着人们生活水平的日益提高，微生物，尤其食源性微生物对健康的影响逐渐受到重视。因此，控制食品加工环境和快速检测食品中痕量微生物污染是目前确保食品安全的有效措施。单细菌检测技术可在食源微生物繁殖早期鉴别细菌种类，为食品生产、储藏、运输等步骤提供预警信息，是提高食品安全的重要一步。
[0003]目前对微米级单细菌的检测，通常采取电感耦合等离子体质谱(ICP
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MS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP
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AES)和单细胞拉曼等手段。ICP
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MS和ICP
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AES可以对低浓度、微尺寸的单细菌进行元素分析，测量精度约为0.1％，对大多数元素的检出限可达10
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(ppt级)，但存在一些使用上的局限：价格昂贵；制样复杂；无法结合成像系统对特定的单细菌进行检测；供电和维护成本高等。单细胞拉曼通过采集单细胞的拉曼散射信号，推断样品的理化成分，具有无损检测、不受细胞水分干扰的优点，但拉曼散射信号及其微弱，只能检测到极少数的生物大分子。
[0004]激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种原子发射光谱，具有样品处理简单、成本低廉的优点。现有的基于LIBS的单颗粒检测系统，普遍使用明场照明定位待测单颗粒。然而，明场下透明的微米级单细菌在低倍物镜下图像对比度极低，无法实现单细菌的精确定位。因此本领域迫切需要一种可精确观察并定位微米级单细菌的LIBS检测技术。

技术实现思路

[0005]针对传统单细胞检测技术效率低、选择性差、成本高的缺点，结合现阶段食源性微生物快速检测的技术短板，专利技术人提供一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统。该系统通过暗视野显微成像技术对亚微米级单细菌进行成像和定位，利用高能量、强聚焦的脉冲激光束轰击待测单细胞并产生高温高压的等离子。通过等离子体辐射的原子发射光谱信号准确获取单细胞内部的元素信息，实现对关键元素组成的定性和定量分析。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统，包括载物台、暗场照明单元、暗场显微成像单元和激光诱导击穿光谱检测单元；所述载物台包括透明薄膜和样品架，所述透明薄膜绷紧后固定在所述样品架上，所述透明薄膜作为细菌检测的载体；所述暗场照明单元包括LED灯和聚光透镜；所述暗场显微成像单元包括物镜、反射镜、套筒透镜和CMOS相机；所述激光诱导击穿光谱检测单元包括脉冲激光器、二向色镜、激光会聚镜、光纤和光谱仪；所述暗场显微成像单元的物镜和所述激光诱导击穿光谱检测单元的激光会聚镜是同一个聚焦透镜；
[0007]所述LED灯发出照明光，所述聚光透镜将照明光以一定倾斜角度聚焦在所述载物
台上的待检测样品上；所述聚焦透镜对单细菌衍射光扩束，所述反射镜改变暗视野显微成像的光路走向，所述反射镜将单细菌样品的散射光反射后并通过所述套筒透镜将单颗粒物的衍射光汇聚成像于所述进入CMOS相机的探测窗口，所述CMOS相机采集单细菌的暗视野显微图像；与此同时，所述脉冲激光器产生的高能量纳秒脉冲经过二向色镜反射后被所述聚焦透镜聚焦于所述透明薄膜上的单细菌样品表面，瞬间气化电离并产生等离子体发光，并将激光诱导击穿光谱的脉冲激光束聚焦于待检测样品表面，气化单细菌样品并产生等离子体辐射；等离子体发光的光子由所述光纤捕获并传输给所述光谱仪，由所述光谱仪记录该单细菌的激光诱导击穿光谱，并从特征谱线解析出单细菌中的元素信息。
[0008]进一步讲，本专利技术所述的单细菌检测系统，其中：
[0009]所述LED灯照明样品时的入射倾角应大于聚焦透镜的接收孔径半角。
[0010]所述透明薄膜为(但不限于)聚乙烯薄膜，所述透明薄膜的厚度小于6μm。
[0011]所述样品架的位置调节精度至少为1μm，且不低于单细菌的尺寸。
[0012]所述聚焦透镜的焦距小于20mm，数值孔径高于0.2，聚焦后光斑直径小于6μm。
[0013]所述脉冲激光器产生的纳秒激光脉冲宽度小于9ns，脉冲能量大于40mJ。
[0014]所述光谱仪配置有ICCD相机，光谱分辨率小于0.1nm，光谱测量范围至少覆盖300
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800nm波段。
[0015]所述二向色镜反射所述脉冲激光器发射出的1064nm激光，透射1064nm以下的单细菌散射光。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017](1)本专利技术采用的暗视野照明和无限远放大透镜组，能够提高单个微米级微生物细菌的成像对比度以及定位准确度；
[0018](2)本专利技术采用的激光诱导击穿光谱，能够对单细菌样品中的多种元素组分进行同时检测，检测速度快，检测通量高；
[0019](3)本专利技术采用成分简单的透明薄膜作为载物基底，大大降低基底干扰，提高单细菌样品元素定量检测的准确性。
附图说明
[0020]图1为本专利技术基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统的结构示意图；
[0021]图中：1
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LED灯，2
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聚光透镜，3
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聚焦透镜，4
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反射镜，5
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套筒透镜，6
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CMOS相机，7
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透明薄膜，8
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样品架，9
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脉冲激光器，10
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二向色镜，11
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光纤，12
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光谱仪。
[0022]图2为集成的暗视野显微成像系统记录的单芽孢样品的暗视野图像(a)和普通显微成像系统记录的同一视场下的明场图像(b)。
[0023]图3为本专利技术系统检测出的单芽孢样品的代表性激光诱导击穿光谱图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本专利技术有任何限制。
[0025]本专利技术提出的一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统，包括
载物台、暗场照明单元、暗场显微成像单元和激光诱导击穿光谱检测单元。载物台承载单细菌并精密移动单细菌至检测位置；暗场显微成像单元收集暗场照明单元提供的单细菌成像的散射光，将微米级待测单细菌以高亮形态呈现在暗视野图像中；激光诱导击穿光谱检测单元产生的高强度电场能瞬间电离单细菌样品，诱导等离子体发光，并探测等离子体发光解析待测单细菌的元素成分。本专利技术能够提高单个微米级微生物细菌的成像对比度以及定位准确度；能够对单个细菌中的多种元素组分进行同时检测，检测速度快，检测通量高；大大降低基底干扰，提高单细菌元素定量检测的准确性。
[0026]如图1所示，本专利技术所述的单细菌检测系统中，所述载物台包括透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于暗视野显微和激光诱导击穿光谱的单细菌检测系统，其特征在于，包括载物台、暗场照明单元、暗场显微成像单元和激光诱导击穿光谱检测单元；所述载物台包括透明薄膜(7)和样品架(8)，所述透明薄膜(7)绷紧后固定在所述样品架(8)上，所述透明薄膜(7)作为细菌检测的载体；所述暗场照明单元包括LED灯(1)和聚光透镜(2)；所述暗场显微成像单元包括物镜、反射镜(4)、套筒透镜(5)和CMOS相机(6)；所述激光诱导击穿光谱检测单元包括脉冲激光器(9)、二向色镜(10)、激光会聚镜、光纤(11)和光谱仪(12)；所述暗场显微成像单元的物镜和所述激光诱导击穿光谱检测单元的激光会聚镜是同一个聚焦透镜(3)；所述LED灯(1)发出照明光，所述聚光透镜(2)将照明光以一定倾斜角度聚焦在所述载物台上的单细菌样品上；所述聚焦透镜(3)对单细菌样品散射光扩束，所述反射镜(4)改变暗视野显微成像的光路走向，所述反射镜(4)将单细菌样品的散射光反射后并通过所述套筒透镜(5)将单细菌样品的散射光汇聚成像于所述进入CMOS相机(6)的探测窗口，所述CMOS相机(6)采集单细菌的暗视野显微图像；与此同时，所述脉冲激光器(9)产生的高能量纳秒脉冲经过二向色镜(10)反射后被所述聚焦透镜(3)聚焦于所述透明薄膜(7)上的单细菌样品表面，瞬间气化电离并产生等离子体发光，并将激光诱导击穿光谱的脉冲激光束聚焦于待检测样品表面，气化单细菌样品并产生等离子体辐射；等离子体发光的光子由所述光纤(11)捕获并传输给所述光谱仪(12)，由所述光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达，李泽平，张鹏飞，王彤，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：