CN103667012B - 一种基于ccd图像传感器的微流控pcr芯片荧光流体检测装置 - Google Patents

一种基于ccd图像传感器的微流控pcr芯片荧光流体检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，该装置由空间立体式微通道、CCD图像传感器、单色LED光源、微处理器和液晶显示装置组成，该装置主要对空间范围对PCR扩增反应进行荧光检测，将信号检测中的信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别这三个部分集成，实现微型微流控实时荧光PCR检测系统的集成、自动化检测及控制，从而避免了各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输，简化了检测结构，有利于系统的集成化。

Description

一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置
技术领域
本发明涉及一种用于生物PCR芯片中微流体试剂的荧光信号检测装置，属于CCD图像传感器技术领域，尤其涉及一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置。
背景技术
聚合酶链式反应（PCR）是一种在体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术，即无性细胞分子克隆技术，其原理类似于天然DNA的复制，是体外酶促反应选择性地合成特异性DNA的一种方法。PCR微流控生物芯片是将采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等功能集成于一个芯片里，其科学性和先进性体现在结构缩微和功能集成这两个方面。生物芯片技术有4个基本要点：芯片制备、样品制备、生化反应和信号检测。其原理是为PCR反应混合物在精密注射泵的作用下按设定的流速进入生物芯片上分别处于三个恒温区（94℃、55℃、72℃）的微通道，由高温热变性（94℃）、低温退火复性（55℃）和适温延伸（72℃）组成一个周期，循环进行，使DNA片段得以迅速扩增。在合适的条件下，这种循环不断重复，前一个循环的产物DNA可作为后一个循环的模板DNA参与DNA的合成，使产物DNA的量按2的n次方扩增。从理论上讲经过30次的循环反应，DNA扩增倍数为106～109。因此，可以用微量的样品获取目的基因。如果注入生物芯片的是生物PCR荧光试剂,其在生物芯片中进行聚合酶链式反应(PCR)后待若测液体经过激发光源照射则发出荧光，由光敏元件采集并经过光电转换后输出荧光值的电信号，这样生物信息情况就能通过人能够识别的荧光强度的变化反映出来,根据荧光强度以及强度相对变化的信息,可对PCR产物进行定性定量分析。该技术被广泛地应用于以获得特定基因或基因片段为目的的生命科学、医学工程、遗传工程、疾病诊断、质量检测、法医学和考古学等许多领域。
目前微流控PCR工作系统在进行PCR荧光检测工作方面主要存在如下缺点：
1、荧光微光谱检测器普遍直接使用传统的封装光电管，如光电倍增管(PMT)。由于元件自身的体积大，而且又是分体使用，需要有配套的光路装置，致使整个荧光检测装置的体积庞大；
2、由于在激发光传导和反射光采集时需要各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输，不仅结构复杂难以实现集成化，并且影响实时荧光检测的稳定性；
3、PCR微流控生物芯片的进样控制系统、温度控制系统、荧光检测系统一般采用各部分单独控制，无法对微通道内温度的变化、液体的流速及荧光检测之间的信号进行实时反馈与集成控制。
为解决上述问题，本发明提出一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，该装置避免了各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输过程，简化了检测结构并有利于系统的集成化。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，该装置由空间立体式微通道、CCD图像传感器、单色LED光源、微处理器和液晶显示装置组成，空间立体式微通道的两侧设置有单色LED光源，在两个单色LED光源的后面设置有CCD图像传感器，微处理器和液晶显示装置与两个单色LED光源和两个CCD图像传感器2连接；其中，空间立体式微通道由传统平面结构改为双层立体结构，上下两层微通道管之间用PMMA基板连接，PMMA基板内部刻有微通道。该装置主要对空间范围对PCR扩增反应进行荧光检测，将信号检测中的信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别这三个部分集成，实现微型微流控实时荧光PCR检测系统的集成、自动化检测及控制，从而避免了各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输，简化了检测结构，有利于系统的集成化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，首先在微通道管上层开口处注入一小段硅油，然后注入PCR试剂，之后再次注入一小段硅油，使两次注入的硅油封闭PCR试剂两端，试剂先流过微通道管上层的三个恒温区（94℃、55℃、72℃）之后会完成一次DNA扩增，试剂继续流动到上层与下层之间的PMMA基板微通道内时，微处理器控制单色LED光源点亮并照射PCR试剂，试剂被激发光所激发从而发出荧光，荧光经过滤光片进行选择性滤光，滤出的荧光被CCD图像传感器所接收，光信号变成电信号传输到微处理器；然后PCR试剂流入到下层微通道内进行下一次扩增，如此循环往复流动，在39个PCR扩增循环中，对每个PCR扩增循环(每一个PCR扩增循环是指，荧光PCR试剂按设定的时间沿微通道流过94℃、55℃、72℃温度区域)都进行一次微通道中的荧光信号检测，每次荧光强度就会被记录下来，最后微处理器对所有图像进行分析处理，拟合出荧光信号变化曲线，并在液晶显示器上显示，可以根据该曲线获得被检测对象的多种生物基因信息和诊断依据。
与现有装置相比，本装置具有如下有益效果。
1、本装置具有同时检测荧光信号强度和测量试剂流速的功能，同时可以使得PCR微流控生物芯片的进样控制系统、温度控制系统、荧光检测系统集成控制。
2、避免了各类光学器件和光纤组成的光路进行光路传输，简化了检测结构，有利于系统的集成化。
3、采用单色LED作为激发光源，能有效地保证激发光源的单一性和平滑度，减少了激发光源的不稳定对于样本的影响，且有效地降低了仪器成本，减小了荧光检测装置的体积，提高了仪器的性价比。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是空间立体式微通道一端的左右方向的径向截面图。
图中：1、空间立体式微通道，2、CCD图像传感器，3、单色LED光源，4、微处理器和液晶显示装置，5、微通道管，6、PMMA基板。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示为本发明装置的整体结构示意图，图2是空间立体式微通道一端的左右方向的径向截面图，该装置由空间立体式微通道1、CCD图像传感器2、单色LED光源3、微处理器和液晶显示装置4组成，空间立体式微通道1的两侧设置有单色LED光源3，在两个单色LED光源3的后面设置有CCD图像传感器2，微处理器和液晶显示装置4与两个单色LED光源3和两个CCD图像传感器2相连接；其中，空间立体式微通道1由传统平面结构改为双层立体结构，上下两层微通道管5之间用PMMA基板6连接，PMMA基板6内部刻有微通道。
首先在微通道管5上层开口处注入一小段硅油，然后注入PCR试剂，之后再次注入一小段硅油，使两次注入的硅油封闭PCR试剂两端，试剂先流过微通道管5上层的三个恒温区（94℃、55℃、72℃）之后会完成一次DNA扩增，试剂继续流动到上层与下层之间的PMMA基板6微通道内时，微处理器控制单色LED光源3点亮并照射PCR试剂，试剂被激发光所激发从而发出荧光，荧光经过滤光片进行选择性滤光，滤出的荧光被CCD图像传感器2所接收，光信号变成电信号传输到微处理器；然后PCR试剂流入到下层微通道内进行下一次扩增，如此循环往复流动，在39个PCR扩增循环中，对每个PCR扩增循环(每一个PCR扩增循环是指，荧光PCR试剂按设定的时间沿微通道流过94℃、55℃、72℃温度区域)都进行一次微通道中的荧光信号检测，每次荧光强度就会被记录下来，最后微处理器对所有图像进行分析处理，拟合出荧光信号变化曲线，并在液晶显示器上显示，可以根据该曲线获得被检测对象的多种生物基因信息和诊断依据。

Claims (2)

1.一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，其特征在于：该装置由空间立体式微通道（1）、CCD图像传感器（2）、单色LED光源（3）、微处理器和液晶显示装置（4）组成；空间立体式微通道（1）的两侧设置有单色LED光源（3），在两个单色LED光源（3）的后面设置有CCD图像传感器（2），微处理器和液晶显示装置（4）与两个单色LED光源（3）和两个CCD图像传感器（2）相连接；其中，空间立体式微通道（1）由传统平面结构改为双层立体结构，上下两层微通道管（5）之间用PMMA基板（6）连接，PMMA基板（6）内部刻有微通道。
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD图像传感器的微流控PCR芯片荧光流体检测装置，其特征在于：首先在微通道管（5）上层开口处注入一小段硅油，然后注入PCR试剂，之后再次注入一小段硅油，使两次注入的硅油封闭PCR试剂两端，试剂先流过微通道管（5）上层的三个恒温区之后会完成一次DNA扩增，试剂继续流动到上层与下层之间的PMMA基板（6）微通道内时，微处理器控制单色LED光源（3）点亮并照射PCR试剂，试剂被激发光所激发从而发出荧光，荧光经过滤光片进行选择性滤光，滤出的荧光被CCD图像传感器（2）所接收，光信号变成电信号传输到微处理器；然后PCR试剂流入到下层微通道内进行下一次扩增，如此循环往复流动，在39个PCR扩增循环中，对每个PCR扩增循环都进行一次微通道中的荧光信号检测，每次荧光强度就会被记录下来，最后微处理器对所有图像进行分析处理，拟合出荧光信号变化曲线，并在液晶显示器上显示，可以根据该曲线获得被检测对象的多种生物基因信息和诊断依据。
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