CN103743723B - 一种高灵敏度生物发光检测装置 - Google Patents

一种高灵敏度生物发光检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度生物发光检测装置。其包括前后运动驱动器（1）、运动压板（2）、分液聚光前端压板（3）、透明超薄弹性软管（4）、透光板（6）、在透光板（6）后端安装有反射聚光装置（7）、光学检测传感器（8）、电流转电压电路（9）、信号过滤运放电路（10）、CPU（11）、显示装置（12）。本发明利用光的反射折射原理，将微弱光最大程度上被光学检测传感器吸收并转换为电压信号，达到更高灵敏度，检测结果更加精确，更精确测量细菌总量，保障公共安全与食品及环境检测。

Description

一种高灵敏度生物发光检测装置
技术领域
本发明涉及生物发光检测系统，尤其涉及一种高灵敏度的生物微弱发光检测装置，该装置可用于食品、饮品及空气卫生检测中细菌总数的现场测定，通过试剂配合还可实现特定菌落数量的检测。
背景技术
生物发光技术在多年前已经被证实是一种有效的、多功能的生物学分析工具，适用于多种场合的应用。现在，在很多技术领域，生物发光技术已经作为一个优秀的基本检测原理得到应用。当然，生物发光技术还可以针对各种医学、制药、食品等各种微生物进行超灵敏检测。生物荧光是生物发光的一种，科学家已经将生物荧光应用到生命科学领域。与化学荧光（fluorescence）相比，生物荧光（bioluminescence）更灵敏、更可信、效果更好。各生长期的微生物均有较恒定水平的ATP含量，微生物死亡后，ATP将很快被分解掉，因此，提取细菌的ATP，利用生物发光法测试出ATP含量后，即可推算出样品中的含菌量，整个过程仅为几分钟。由于生物发光法无需培养微生物过程，操作简单，灵敏度高，在短时间内即可得到检测结果，具有其他微生物检测方法无可比拟的优势，是目前检测微生物最快的方法之一。
但是，伴随着这些显著的优点，生物发光技术在应用时也会有一些缺点。例如，本发明提到的如何能让光学检测传感器最大量的收集微弱光，避免光的散射和折射。我们在过去的一段时间里，一直依赖于光电二极管性能及电路优化、或靠软件来实现。上面所提到的优化方式，没有从根本上解决一个问题：在试剂与微生物反应过程中，产生微弱光，微弱光被光学检测传感器吸收并转换为电流信号，光学检测传感器对微弱光的吸收，也有一定的范围，所以，会存在部分微弱光的散射而导致检测灵敏度的降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，利用光的反射折射原理，将微弱光最大程度上被光学检测传感器吸收并转换为电压信号，再经过A/D转换，输出为数字结果。
为了实现对微弱光的收集，本发明采取如下技术方案：
一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：包括前后运动驱动器（1）、运动压板（2）、分液聚光前端压板（3）、透明超薄弹性软管（4）、透光板（6）、在透光板（6）后端安装有反射聚光装置（7）、光学检测传感器（8）、电流转电压电路（9）、信号过滤运放电路（10）、CPU（11）、显示装置（12）。
优选的，前后运动驱动器（1）、运动压板（2）、分液聚光前端压板（3）依次相连，透明超薄弹性软管（4）位于分液聚光前端压板（3）和透光板（6）之间，在透光板（6）后端依次安装有反射聚光装置（7）、光学检测传感器（8）、电流转电压电路（9）、信号过滤运放电路（10）、CPU（11）、显示装置（12）。
优选的，分液聚光前端压板（3）检测侧具有聚光透镜阵列（13），优选的，聚光透镜阵列（13）材质为反射材质，反射率达到99.5%以上。
优选的，透明超薄弹性试管（4）材质为软材质。
优选的，透光板（6）透光率达到99.5%以上。
优选的，反射聚光装置（7）内部采用反射涂层的非球形曲面设计，优选的，反射聚光装置（7）的非球形曲面采用抛物线设计，绕光轴旋转形成曲面，抛物线方程要符合公式y=4H*x2/(D2-d2),选择x=d/2至x=D/2之间的抛物线段，其中D为二次聚光入口直径，d为聚光出口直径，H为聚光入口和出口之间的距离，优选的，反射聚光装置（7）材质为反射材质，反射率达到99.5%以上。优选的，反射聚光装置（7）的反射材质为银。
本发明的另一个技术方案如下：
本发明的高灵敏度生物发光检测装置在检测细菌中的用途。
优选的，检测的样品为食品、饮品或空气。
本发明的高灵敏度生物发光检测装置检测细菌的过程如下：检测时驱动器（1）驱动运动压板（2）带动分液聚光前端压板（3）向前运动，对透明超薄弹性软管（4）进行压缩，使待测生物发光混合液（5）形成液体薄层的特定分布，增大光子搜集的比表面积，在压力作用下，液体薄层的分布与聚光透镜阵列（13）相贴合，从而实现一级聚光，一级聚光后的光子穿透透光板（6）后由反射聚光装置（7）进行二级聚光，最终使得光最大程度上被光学检测传感器（8）吸收并转换为电压信号，再经过A/D转换，输出为数字结果。
本装置在设计上，包括前后运动控制器、运动压板、分液聚光装置前端压板、透光板、反射聚光装置、光学检测与处理电路等；前端压板上制作了微型聚光透镜阵列，在运动控制器和运动压板的驱动下可压紧用于检测的透明超薄弹性试管，使得弹性软管与聚光透镜阵列贴合，试管内的待检测混合液形成聚光透镜阵列的分布形态，从而使待检测混合液中的微弱生物发光得以初步聚集；聚集后的光子折射后通过透光板，被反射聚光装置再次聚集到光学检测传感器的感光面上，通过后端的检测电路进行信号的检测、分析与显示。
这样做的优点在于：微弱光经过两次聚光，使生物发光能基本全被光学检测传感器（8）所吸收，且在设计过程中，有以下几方面优化：（a）分液聚光前端压板（3）一定要用反射材质，反射率达到99.5%以上；（b）透明超薄弹性试管（4）材质一定要软，以便完全贴合分液聚光前端压板（3）；（c）采购透光板（6）时，要注意透光率达到99.5%以上；（d）反射聚光装置（7）的非球形曲面采用抛物线设计，绕光轴旋转形成曲面，抛物线方程要符合公式y=4H*x2/(D2-d2),选择x=d/2至x=D/2之间的抛物线段，其中D为二次聚光入口直径，d为聚光出口直径，H为聚光入口和出口之间的距离，且需要使用反射材质。经实验发现，选用此公式设计成的非球形曲面，相比其它曲面聚光效果更好。
经过大量实验证明，使用二次聚光法，相对传统的生物发光检测装置，采用该检测装置，检测灵敏度提高了至少10倍，检测结果更加精确。
在相同发光二极管的情况下，本发明比没有经过这两次聚光处理装置来讲，测试结果至少会提高1个数量级，能达到更高灵敏度，能更精确测量细菌总量，保障公共安全与食品及环境检测。
附图说明：
图1为本发明未采用两级聚光的微弱光检测装置。
图2为本发明高灵敏度生物发光检测装置检测前结构示意图。
图3为本发明高灵敏度生物发光检测装置检测中结构示意图。
其中：1为前后运动驱动器；2为运动压板；3为分液聚光前端压板；4为透明超薄弹性试管；5为加入的待检测混合液；6为透光板；7为反射聚光装置；8为光学检测传感器；9为电流转电压电路；10为信号过滤、运放电路；11为CPU；12为显示装置；13为聚光透镜阵列。
图4为本发明高灵敏度生物发光检测装置中分液聚光前端压板结构示意图。
图5为本发明高灵敏度生物发光检测装置中反射聚光装置原理示意图。
图6为A、B两家产品的检测结果图。
图7为本发明的产品与前面A、B厂家产品检测结果的线性对比图。
图8为本发明反射聚光装置结构图。
其中：D为二次聚光入口直径，d为聚光出口直径，H为聚光入口和出口之间的距离。
具体实施方式：
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
实施例1现有技术中未采用两级的微弱光检测装置的微生物检测结果
图1是现有技术中未采用两级的微弱光检测装置，开始检测时，在圆柱状试管中的反应液会发出微弱光，微弱光会被光学检测传感器吸收，并转换为电流信号，然后经过电流转电压电路，再经过滤波电路，把高频信号过滤掉，最后经过A/D转换，输出数字量的测试结果。
表1和图6为改进前的两家产品的测试数据，两家产品均是图1所示的结构：
将10-13mol/ml标准ATP溶液3倍梯度稀释至10-16mol/ml，每只试剂加入50ul，即每只加入的ATP总量为5×10-14mol、5×10-15mol、5×10-16mol、5×10-17mol使用两台检测仪测试结果：单位RLU。
ATP含量（mol） 5×10-14mol 5×10-15mol 5×10-16mol 5×10-17mol
A厂家 733 77 13 0
B厂家 346 38 10 0
表1
实施例2本发明的高灵敏度生物发光检测装置的微生物检测结果
参见图2所示，本发明的高灵敏度生物发光检测装置包括前后运动驱动器（1）、运动压板（2）、分液聚光前端压板（3）、透明超薄弹性软管（4）、透光板（6）、在透光板（6）后端安装有反射聚光装置（7）、光学检测传感器（8）、电流转电压电路（9）、信号过滤运放电路（10）、CPU（11）、显示装置（12）进行结果显示。
与改进前相比，增加了驱动装置与两次反射光装置这两个部分。驱动装置前后运动驱动器（1），两次聚光装置是由分液聚光前端压板（3）、透明超薄弹性试管（4）、透光板（6）、反射聚光装置（7）组成。
本发明的高灵敏度生物发光检测装置使用过程如下：
当开始检测时，前后运动驱动器（1）会向试管方向水平运动，同时，驱动分液聚光前端压板（3）向透明超薄弹性试管（4）方向压缩，使透明超薄弹性试管（4）中的液体呈现阵列型分布，使待检测混合液（5）完全充满分液聚光前端压板（3）的弧形装置内，分液聚光前端压板（3）阵列中的弧形增大光子搜集的比表面积，所以，微弱光在第一级反射的时候，是不存在散射和折射的。当微弱光离开分液聚光前端压板（3）后，经过透光板（6）的折射后，直接到达反射聚光装置（7），反射聚光装置（7）的非球形曲面采用抛物线设计，绕光轴旋转形成曲面，抛物线方程要符合公式y=4H*x2/(D2-d2),选择x=d/2至x=D/2之间的抛物线段，其中D为二次聚光入口直径，d为聚光出口直径，H为聚光入口和出口之间的距离，且需要使用反射材质，反射材料为银。微弱光经过反射聚光装置（7）后，全部被光学检测传感器（8）所吸收，并转换为电流信号，然后经过电流转电压电路，再经过滤波电路，把高频信号过滤掉，最后经过A/D转换，输出数字量的测试结果。
第一次聚光：在检测开始时，主控CPU会驱动前后运动驱动器（1），使驱动运动压板（2）实现对透明超薄弹性试管的挤压，以便让发光液体进入分液聚光前端压板（3）中的微型聚光透镜阵列中，完成第一次聚光。
第二次聚光：在完成第一次聚光后，微弱光经过透光板（6），折射到反射聚光装置（7），经过光的反射原理，使微弱光到达终点：光学检测传感器（8）表面，完成二次聚光。然后进行检测。
经过大量实验证明，使用本发明的二次聚光法，相对传统的生物发光检测装置，采用该检测装置，检测灵敏度提高了至少10倍，检测结果更加精确。
表2及表2续是本发明的检测装置与前面A、B厂家的对比结果，实验内进行5次重复，实验间进行3次重复。表格中第一行均是ATP含量。
表2
表2续
图7为改进后的检测装置，与前面A、B厂家的线性对比结果，改进前后线性均能满足要求，但改进后的线性最佳，与标准浓度的相关性最好。
表3为本发明的检测装置与前面A、B厂家的装置实验数据斜率对比结果，结果显示改进后的斜率最大，说明测量系数最大，也可显示其灵敏度较A、B有较大提高。
线性分析： A B 改进
相关系数 0.9994 0.999 1
斜率 6*1016 7*1016 5*1017
表3

Claims (11)

1.一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：包括前后运动驱动器(1)、运动压板(2)、分液聚光前端压板(3)、透明超薄弹性软管(4)、透光板(6)、在透光板(6)后端安装有反射聚光装置(7)、光学检测传感器(8)、电流转电压电路(9)、信号过滤运放电路(10)、CPU(11)、显示装置(12)，其中前后运动驱动器(1)、运动压板(2)、分液聚光前端压板(3)依次相连，透明超薄弹性软管(4)位于分液聚光前端压板(3)和透光板(6)之间，在透光板(6)后端依次安装有反射聚光装置(7)、光学检测传感器(8)、电流转电压电路(9)、信号过滤运放电路(10)、CPU(11)、显示装置(12)，所述的分液聚光前端压板(3)检测侧具有聚光透镜阵列(13)。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：所述的聚光透镜阵列(13)材质为反射材质，反射率达到99.5％以上。
3.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：透明超薄弹性试管(4)材质为软材质。
4.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：透光板(6)透光率达到99.5％以上。
5.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：反射聚光装置(7)内部采用反射涂层的非球形曲面设计。
6.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：反射聚光装置(7)的非球形曲面采用抛物线设计，绕光轴旋转形成曲面，抛物线方程要符合公式y＝4H*x2/(D2-d2),选择x＝d/2至x＝D/2之间的抛物线段，其中D为二次聚光入口直径，d为聚光出口直径，H为聚光入口和出口之间的距离。
7.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：反射聚光装置(7)材质为反射材质，反射率达到99.5％以上。
8.如权利要求1所述的一种高灵敏度生物发光检测装置，其特征在于：反射聚光装置(7)的反射材质为银。
9.权利要求1所述的高灵敏度生物发光检测装置在检测细菌中的用途。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于：检测的样品为食品、饮品或空气。
11.如权利要求9-10任一项所述的用途，其特征在于：检测过程如下：检测时驱动器(1)驱动运动压板(2)带动分液聚光前端压板(3)向前运动，对透明超薄弹性软管(4)进行压缩，使待测生物发光混合液(5)形成液体薄层的特定分布，增大光子搜集的比表面积，在压力作用下，液体薄层的分布与聚光透镜阵列(13)相贴合，从而实现一级聚光，一级聚光后的光子穿透透光板(6)后由反射聚光装置(7)进行二级聚光，最终使得光最大程度上被光学检测传感器(8)吸收并转换为电压信号，再经过A/D转换，输出为数字结果。
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