CN101806726A

CN101806726A - 用于微量液体分析的双波长吸收光度检测装置

Info

Publication number: CN101806726A
Application number: CN 201010134196
Authority: CN
Inventors: 方群; 潘建章
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: CN101806726B

Abstract

一种用于微量液体紫外双波长吸收光度检测装置。该装置由光源、液芯波导试样检测池、光电检测器、控制检测电路四部分通过光路和线路连接构成。光源由两个不同波长的紫外发光二极管构成。试样检测池由一根液芯波导管构成，液芯波导管的两管口开放用于被分析溶液的引入和引出。液芯波导管设有两个拐弯区域作为液芯波导试样检测池的入射光耦合器和出射光耦合器。控制检测电路分时点亮两个发光二极管光源，通过检测器在各点亮时刻分别检测透过液芯波导检测池的光强度，获得被测液体在两个波长下的吸光度。本发明实现了微量液体的紫外双波长吸光度的检测，装置检测灵敏度高，试样消耗量少，检测操作工作简单可靠，装置造价低廉，易于微型化和集成化。

Description

用于微量液体分析的双波长吸收光度检测装置

技术领域

本发明涉及分析化学的微流控分析领域，特别涉及一种用于微量液体紫外双波长吸收光度分析检测装置。

背景技术

本专利涉及的领域是有关分析化学微流控分析领域的检测系统研究。检测系统是一个分析系统的重要组成部分。微流控分析系统由于基于微通道，试剂消耗量仅为皮升或纳升级，因此对检测方法和装置的要求有其特殊性。

吸收光度分析法是一种应用非常广泛的检测方法，在分析化学中占有重要的地位，也是最早用于微分析系统的检测方法之一，其检测灵敏度正比于光程，但由于微流控分析系统的试样体积小，很难获得长光程，导致微流控领域光度分析法的检测灵敏度较宏观常规方法低2-4个数量级，因而光度分析在微流控分析领域中的应用受到很大限制。

近年已有不少研究致力于增加微分析系统上的吸收光程，提高光度检测灵敏度。目前见诸报道的技术较多，能有效将微系统下的光程提高到毫米级的主要有以下两种：其一利用微机械加工技术在吸收池内部制作高反射率镜面(Noda，T.，Takao，H.，Yoshioka，K.，Oku，N.，Ashiki，M.，Sawada，K.，Matsumoto，K.，Ishida，M.，Sensors and Actuators B-Chemical，2006，119：245)(Steigert，J.，Grumann，M.，Brenner，T.，Riegger，L.，Harter，J.，Zengerle，R.，Ducree，J.，Lab on a Chip，2006，6：1040)，此类技术最长光程能达1厘米，但该技术对微加工要求高，部件制作难度大，且对光线的入射角度要求非常严格；另一较为有优势的技术是液芯波导技术，原理是用折射率低的材料构建检测池，被测溶液和检测池材料间的不同，由此利用全反射原理使得进入液体的光线束缚在液体里沿着波导管轴向传播，从而获得长光程(Du，W.B.Qun，F.Fang，Z.L.Chemical Journal of Chinese Universities-Chinese，2004，25：610)(Du，W.B.，Fang，Q.，He，Q.H.，Fang，Z.L.，Analytical Chemistry，2005，77：1330)，此法能获得超过常规方法的灵敏度，但这类技术要求入射光必须从波导管的端口耦合才能满足液芯波导条件，这使得所有见诸报道的系统都借助波导管端连接的三通或类三通接口来耦合检测光，三通接口不可避免地带来了棘手的液体泄露、接口死体积、气泡滞留、清洗困难等问题。

目前已报道的用于微流控光度检测的方法，虽然已有效解决了以往存在的光程短，灵敏度低的问题，但在加工工艺，成本控制，接口耦合等方面仍存在较大问题，限制了其推广应用。并且，在多波长的吸收光度测定中，之前的方案一般运用连续光源(氙灯、氘灯、钨灯)加分光系统(光栅、棱镜、滤光片)来获得不同波长的单色光，存在系统结构复杂，成本高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微量液体紫外双波长吸收光度分析检测装置，可用于微量液体试样(10纳升-10微升)分析的紫外双波长高灵敏吸收光度检测装置。

本发明提供的用于微量液体紫外双波长吸收光度分析检测装置，采用液芯波导技术和双发光二极管光源管道侧壁光耦合技术，由发光二极管光源、液芯波导试样检测池、光电检测器、控制检测电路四部分通过光路和线路连接构成；所述光源由两个不同发射波长的紫外发光二极管构成，两个紫外发光二极管安装在拐弯光耦合器的入射光耦合器的前方，发光二极管的光束射在入射光耦合器上；所述液芯波导试样检测池由一根透明的液芯波导管构成，液芯波导管的两个管口开放，用于被分析溶液的引入和引出；所述的液芯波导管设有两个用于光束引入和出射的拐弯区域作为拐弯光耦合器，拐弯光耦合器分别用做液芯波导试样检测池的入射光耦合器和出射光耦合器；所述控制检测电路分别与紫外发光二极管光源、光电检测器连接，用于控制光源的两个紫外发光二极管点亮时透过光强度的分时检测。

本发明所述光源由两个不波长的紫外发光二极管构成，每个紫外发光二极管对应一个特定的检测波长，波长在200～400纳米的紫外波段范围内。

本发明所述光电检测器可采用光电二极管、或光电倍增管、或雪崩二极管等。

本发明所述试样检测池由一根透明且折射率低于被测试样液体折射率的波导管构成。管内有待分析试样溶液流过，管壁和溶液折射率差异使得检测光在管内壁连续全反射而沿着波导管轴向传播，从而拓展光程，增加吸收光度的灵敏度。液芯波导管内径在5微米-1000微米范围内，波导管外径在50微米-2000微米范围内，波导管长度在1厘米-100厘米范围内。

本发明所述波导管设有两个用于光束引入和出射的拐弯区域作为拐弯光耦合器。拐弯光耦合器的拐弯半径为0.1毫米-2.0毫米，拐弯部分的弧度为10°-180°，两耦合器之间的间距为1毫米-100毫米。这两个拐弯光耦合器分别用做检测池的入射光耦合器和出射光耦合器，实现检测光从波导管侧壁到波导管液芯的光耦合。增加两光耦合器的间距，有利于增加光线在波导管内的全反射次数，有利于提高有效光程，增加检测灵敏度。减小入射和出射拐弯光耦合器的拐弯半径有利于更多的光线射入波导管腔，增加了光通量，同时尽量减小出射拐弯光耦合器的拐弯半径有利于让进入试样检测池的光尽可能由出射拐弯光耦合器射出而被检测。故减小出射和入射拐弯光耦合器的拐弯半径有利于提高光通量，降低对检测器的要求，提高检测器对光强度检测的信噪比。

本发明所述两个紫外发光二极管的发光光谱具有不同的中心波长，两个发光二极管安装在入射光耦合器的前方，发光二极管的光束射在入射光耦合器上。两个紫外发光二极管的入射夹角范围为10°-120°。选择合适的入射角度有利于获得更高的检测光通量，降低对检测器的要求，提高检测器对光强度检测的信噪比。

本发明所述的典型光路结构在于：两紫外发光二极管光源发射的光束经波导管的入射拐弯光耦合器的透明侧壁进入管内的试样溶液中，在检测池内被波导的同时并被池中试样溶液部分吸收，经由出射拐弯光耦合器射出到检测器进行检测。

本发明所述的控制检测电路，由负责控制发光二极管分时点亮的开关和在点亮时采集对应波长光强度的数据采集模块构成，主要实现两个发光二极管的分时点亮以及在点亮时刻分别采集光电检测器输出的光强度信号，以获得对应波长下的吸光度信息。

本发明所述的检测装置的检测方法，通过控制检测电路分时点亮光源，使具有不同发射波长的两个紫外发光二极管交替点亮，通过光电检测器在各点亮时刻分别检测透过液芯波导试样检测池的光强度，由此获得被测液体在两个不同波长下的吸光度。

本发明的主要优点在于：

本发明实现了微量试样的紫外双波长吸收光度检测，在消耗试样体积在低于1微升的数量级时实现了长光程和高灵敏度的吸收光度检测。同时拐弯光耦合器的设计消除了液芯波导吸收光度检测系统中常见的由三通光耦合接口带来的溶液泄漏，死体积，耦合接口处气泡滞留，试样区带扩散等不利因素。并且双发光二极管设计实现双波长吸收光分析，取代了传统氙灯、氘灯等连续光源加光栅、棱镜、滤光片等分光装置的结构，显著简化仪器结构，提高仪器的工作可靠性，降低了加工难度和制造成本。

本发明的另一个优点是可方便连接各分析系统，可以实现多试样连续进样检测。检测试样可依次连续通过检测池，而分时得到各试样的吸光度信号，可广泛应用于微型流动注射分析和顺序注射分析，也可用于在线监测。

本发明的另一突出优点在于，得益于仪器结构的简化和可靠性的提高，光源和检测器体积的缩小，本发明非常适合集成化和微型化，故特别适用于现场检测、床边检验等检验场合。

附图说明

图1是根据本发明一个优选实施例的双波长紫外吸收光度检测装置构造侧视图。

图2是根据本发明的优选实施例1光路部分的俯视图。

图3是本发明的装置对系列浓度标准DNA溶液测定得到的两标准曲线。

具体实施方式

实施例1

参见附图1、双波长紫外吸收光度检测装置，由第一紫外发光二极管光源1和第二紫外发光二极管光源2、液芯波导试样检测池3，光电检测器4，控制检测电路5四部分通过光路和线路连接构成。液芯波导试样检测池3由一根透明液芯波导管构成，管内有被测试样溶液10，在液芯波导管上有两个拐弯区域作为入射光耦合器8和出射光耦合器9。控制检测电路5通过控制线6连接光源，分时点亮第一紫外发光二极管光源1和第二紫外发光二极管光源2。第一紫外发光二极管光源1和第二紫外发光二极管光源2发出的光束11由入射光耦合器8耦合进入试样检测池3，在检测池3内被波导的同时并被池中试样溶液10部分吸收，最后由出射耦合器9处射出进入光电检测器4进行检测。控制检测电路5通过光电检测器4输出的光强度信号7，分时获得两光源发光二极管的吸光度信息。

图2是本发明的光路部分的俯视图。两紫外发光二极管光源的入射夹角范围为10-120°。两紫外发光二极管光源的检测光束经波导管的入射拐弯光耦合器的透明侧壁进入管内的试样溶液中，在检测池内被波导的同时并被池中试样溶液10部分吸收，由出射拐弯光耦合器射出到检测器进行检测。控制检测电路5实现第一紫外发光二极管光源1和第二紫外发光二极管光源2的分时点亮和两发光二极管点亮时透过光强度的分时检测。

实施例2

采用本发明装置对系列脱氧核糖核酸(DNA)溶液进行吸光度分析的实例。

参见图1和图2，装置中两紫外发光二极管为光源的中心波长分别为260纳米和280纳米。两发光二极管入射夹角为35°。采用光电二极管为检测器。拐弯光耦合器拐弯半径0.3毫米，拐弯部分弧度90°，两耦合器之间的间距，即试样检测池的长度为10毫米。检测步骤是：将被测试样溶液10引入试样检测池3，控制检测电路5点亮第一发光二极管1，熄灭第二发光二极管2，数据采集模块采集此时的光电检测器4输出的透过光强度信号7，该信号包含液芯波导试样检测池3中被测试样10在第一发光二极管1对应波长下的吸光度信息；然后控制检测电路5熄灭第一发光二极管1，点亮第二发光二极管2，数据采集模块再采集此时的检测器4输出的透过光强度信号7，该信号包含试样池中被测试样10在第二发光二极管2对应波长下的吸光度信息；重复循环进行以上两个步骤，控制检测电路5通过光电检测器4输出的信号7实时交替获得液芯波导试样检测池3中的试样10在两个不同波长下的吸光度信息。

依次将浓度为1.0，2.5，5.0，10.0，20.0微克/毫升的5个不同浓度标准脱氧核糖核酸溶液引入试样检测池，记录各溶液在260纳米和280纳米下的吸光度信号。得到吸光度对浓度的线性方程分别为A_260nm＝2.11×10^-2C-9.1×10^-5，R²＝0.998和A_280nm＝1.10×10^-2C-5.5×10^-5，R²＝0.998。经对比普通分光光度计的平行测定结果，发现本装置两波长下获得的有效光程约为15毫米，对DNA的检测限达0.1微克/毫升。用图1和2实施例中的吸收光度检测装置对系列脱氧核糖核酸(DNA)溶液进行吸光度分析的线性响应工作曲线见附图3。。

Claims

1.一种用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于由发光二极管光源、液芯波导试样检测池、光电检测器、控制检测电路四部分通过光路和线路连接构成；所述光源由两个不同发射波长的紫外发光二极管构成，两个紫外发光二极管安装在拐弯光耦合器的入射光耦合器的前方，发光二极管的光束射在入射光耦合器上；所述液芯波导试样检测池由一根透明的液芯波导管构成，液芯波导管的两管口开放，用于被分析溶液的引入和引出；所述的液芯波导管设有两个用于光引入和出射的拐弯区域作为拐弯光耦合器，拐弯光耦合器分别用做液芯波导试样检测池的入射光耦合器和出射光耦合器，出射光耦合器的光束射出到检测器进行检测；所述控制检测电路分别与紫外发光二极管光源、光电检测器连接，用于控制光源的两个紫外发光二极管点亮时透过光强度的分时检测。

2.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于光源的每个紫外发光二极管对应一个特定的检测波长，所述的波长在200～400纳米的紫外波段范围内。

3.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于光电检测器采用光电二极管、光电倍增管、或雪崩二极管。

4.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于液芯波导管材料折射率小于腔内被测试样液体的折射率，液芯波导管的内径在5～1000微米范围内，外径在50～2000微米范围内，长度在1～100厘米范围内。

5.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于拐弯光耦合器的拐弯半径在0.1～2.0毫米，拐弯部分的弧度在10～180°，两耦合器之间的间距为1～100毫米。

6.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于两个紫外发光二极管的入射夹角范围为10～120°。

7.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于控制检测电路由负责控制发光二极管分时点亮的开关和在点亮时采集对应波长光强度的数据采集模块构成。

8.根据权利要求1用于微量液体分析的紫外双波长吸收光度检测装置，其特征在于光路为紫外发光二极管的发射光束，经液芯波导管中的入射光耦合器的透明侧壁进入管内的试样溶液中，在检测池内被波导的同时并被池中试样溶液部分吸收，最后由液芯波导管中的出射光耦合器射出到检测器进行检测。

9.权利要求1所述的检测装置的检测方法，其特征在于通过控制检测电路(5)分时点亮光源，使具有不同发射波长的两个紫外发光二极管交替点亮，通过光电检测器(4)在各点亮时刻分别检测透过液芯波导试样检测池(3)的光强度信号(7)，由此获得被测试样溶液(10)在两个不同波长下的吸光度；检测步骤是：将被测试样溶液(10)引入试样检测池(3)，控制检测电路(5)点亮第一发光二极管(1)，熄灭第二发光二极管(2)，数据采集模块采集此时的光电检测器(4)输出的透过光强度信号(7)，该信号包含液芯波导试样检测池(3)中被测试样(10)在第一发光二极管(1)对应波长下的吸光度信息；然后控制检测电路(5)熄灭第一发光二极管(1)，点亮第二发光二极管(2)，数据采集模块再采集此时的检测器(4)输出的透过光强度信号(7)，该信号包含试样池中被测试样(10)在第二发光二极管(2)对应波长下的吸光度信息；重复循环进行以上两个步骤，控制检测电路(5)通过光电检测器(4)输出的信号(7)实时交替获得液芯波导试样检测池(3)中的试样(10)在两个不同波长下的吸光度信息。