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《北京理工大学》 2016年
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基于液体透镜的激光诱导荧光检测装置

牛礼军  
【摘要】:激光诱导荧光检测技术是用于微流控芯片检测的灵敏度最高的检测技术之一。但是当激光诱导荧光检测装置用于微流控芯片时,现有的检测方法有两个不足之处,一是对芯片的加工制造和检测安装精度要求较高,还有实际操作过程中的磨损以及加工一致性等问题在一定程度上限制了检测的可重复性;二是现在的检测方法限制了微流控芯片检测窗口的数量和检测位置,也限制了微流控芯片的设计灵活性。针对以上的问题,本文采用液体透镜和电控位移台研制了一种具备聚焦位置三维可微调的激光诱导荧光检测装置,它可以根据视频图像的反馈信息自动调整聚焦点的三维位置,以保证最优的激发与诱导荧光收集。本文主要完成的工作有:1.完成了基于液体透镜的激光诱导荧光检测装置系统设计,采用液体透镜变焦系统代替传统机械调整机构,结合自动调焦算法实现微流控芯片沟道的自动对焦,采用电控位移台实现微流控芯片在芯片平面方向的移动,实现激光光斑与检测沟道的自动对准。2.完成了基于液体透镜的变焦距激光诱导荧光检测光学系统的设计,实现了4.87~8.39mm的焦距调节,可以实现激光光斑和检测位置在光轴方向的自动调节。3.设计并完成了光斑三维自动调整的算法。采用基于SUSAN算子的清晰度评价函数,结合登山式的控制算法,并根据液体透镜的控制参数控制液体透镜变焦,实现了微流控芯片沟道图像的自动对焦;设计并完成了检测图像坐标系和位移台坐标系的标定,采用PCA直线提取算法完成了微流控芯片沟道中线的提取,控制位移台实现光斑和沟道的自动对准。4.搭建了基于液体透镜的激光诱导荧光检测装置实验原型装置,设计并完成了激光诱导荧光检测装置的自动调焦的实验和自动对准的实验。实验结果表明我们设计的基于液体透镜的激光诱导荧光检测装置可以实现微流控芯片沟道的自动对焦和激光光斑与微流控芯片沟道的自动对准,提高了实验的可重复性,也使微流控芯片的设计更具灵活性,达到了预期目标。
【关键词】:微流控芯片 激光诱导荧光检测 液体透镜 自动调焦 自动对准
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TN249
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-21
  • 1.1 微流控芯片的发展应用及其检测技术概要10-13
  • 1.2 激光诱导荧光检测器原理及发展概况13-19
  • 1.3 当前存在的问题以及解决方法19-20
  • 1.4 本文的主要工作20-21
  • 第2章 激光诱导荧光检测装置方案设计21-38
  • 2.1 激光诱导荧光检测装置总体设计21-28
  • 2.1.1 共聚焦激光诱导荧光检测装置三维光斑调整解决方案21-26
  • 2.1.2 共聚焦激光诱导荧光检测装置功能分析和总体设计26-28
  • 2.2 激光诱导荧光检测装置光学系统的设计28-34
  • 2.2.1 光源及聚焦模块29-31
  • 2.2.2 荧光采集模块31-32
  • 2.2.3 CCD成像模块32-34
  • 2.3 基于液体透镜的变焦距光学系统设计34-37
  • 2.4 本章小结37-38
  • 第3章 光斑自动调整模块设计38-62
  • 3.1 共聚焦型激光诱导荧光检测装置自动调焦模块39-53
  • 3.1.1 自动调焦算法原理39-40
  • 3.1.2 激光诱导荧光检测图像分析和清晰度评价函数的选择40-47
  • 3.1.3 自动调焦控制算法实现47-53
  • 3.2 共聚焦型激光诱导荧光检测装置自动对准模块53-61
  • 3.2.1 激光诱导荧光检测图像分析和对准判断依据53-54
  • 3.2.2 荧光检测图像的沟道及光斑自动提取算法54-56
  • 3.2.3 电控平移台自动对准的算法设计和控制实现56-61
  • 3.3 本章小结61-62
  • 第4章 激光诱导荧光检测装置的系统实验62-77
  • 4.1 实验设计及实验平台的搭建62-68
  • 4.1.1 毛细管电泳片及其检测要求62-63
  • 4.1.2 实验平台的搭建63-67
  • 4.1.3 实验系统工作控制界面67-68
  • 4.2 自动对焦实验68-73
  • 4.3 光斑自动对准标定及实验73-76
  • 4.4 本章小结76-77
  • 结论77-78
  • 参考文献78-82
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单82-83
  • 致谢83

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