CN103901009A - 一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统，其包括激光源、机械扫描单元、光电转换单元与多通道识别单元；所述多通道识别单元与所述机械扫描单元固定连接；所述激光源设置激发光纤，其与所述机械扫描单元固定连接；所述光电转换单元设置接收光纤，其与所述机械扫描单元固定连接。采用上述方案，本发明将多通道识别单元、激发光纤、接收光纤分别与机械扫描单元固定连接，同时跟随机械扫描单元运动，能够用于阵列毛细管电泳芯片，并且降低了电路设计的复杂度，提高了控制系统的性价比，该激光诱导荧光检测系统具有体积小、灵敏度高、功耗低等优点，能够满足阵列毛细管电泳芯片检测的需要，具有很高的应用价值。

Description

一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统

技术领域

本发明涉及激光诱导荧光检测领域，尤其涉及的是，一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统。

背景技术

集成毛细管电泳（Integrated Capillary Electrophoresis，ICE）芯片是微流控分析系统(Micro Fluidic Analysis System)的一个重要组成部分，被测样品经分离后的组分及含量要由检测系统来测定，因此，检测系统的性能将决定整个微流控分析系统的精度、灵敏度、速度及适用范围等。与传统分析仪器相比，微流控分析系统要求检测系统有更高的灵敏度、更快的响应速度和更小的尺寸。

激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)检测是集成毛细管电泳芯片检测方法中灵敏度和信噪比较高的一种，但是传统的共聚焦式LIF检测系统体积庞大，不利于毛细管电泳检测仪的微型化。

中国专利CN 1167946C公开了一种空间多通道激光诱导荧光同步检测的光纤耦合装置，激光器输出的激光束经光分束镜和聚焦透镜等功率地耦合入激发光纤，激发光纤的输出端周围均匀环绕等数量的荧光采集光纤组成激发采集探头并套以定位套筒，荧光采集光纤排列成线阵置于套筒光阑中并对准光谱仪狭缝，光谱仪出射光焦平面上放置光电传感器。该发明可以同时保证空间不同的激光诱导荧光测量点的测试条件相同，包括测量点的激发光能量密度相同、荧光采集空间立体角相同和在相同样本条件下的荧光光谱强度相同，可以解决生物、医学以及化学反应等动态过程中荧光物质的同步参照检测问题。

中国专利CN 100414288C公开了一种生物芯片使用的毫米级微型激光诱导荧光检测仪，属于生物学及医学检测仪器。它包括有光源、滤光系统和光电检测系统，其光源为峰值波长在470～495nm、其光谱在500nm处深度截止的半导体激光器，滤光系统为截止波长为500nm峰值波长在520nm干涉滤光膜，光电检测部分为微型半导体光电探测器件；半导体激光器、干涉滤光膜、光电探测器件集成于一体；荧光检测仪总体积在毫米级别，其长、宽、高在1mm～10mm范围内。光电探测器件可位于半导体激光器正下方，可将其包围，也可与之并列；该发明简化了检测技术的装置的结构，便于携带，消除了带来的误差与失真，使检测结果更接近真值。

但是，这两个专利未有涉及光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统具体结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统。

本发明的技术方案如下：一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统，其包括激光源、机械扫描单元、光电转换单元与多通道识别单元；所述多通道识别单元与所述机械扫描单元固定连接；所述激光源设置激发光纤，其与所述机械扫描单元固定连接；所述光电转换单元设置接收光纤，其与所述机械扫描单元固定连接。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述机械扫描单元设置电机、减速齿轮、转盘、曲柄与扫描轴；所述电机通过所述减速齿轮连接所述转盘，用于带动所述转盘转动；所述转盘通过所述曲柄连接所述扫描轴，用于带动所述扫描轴转动；所述多通道识别单元、所述激发光纤、所述接收光纤分别与所述扫描轴固定连接。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述多通道识别单元设置光调制板、发光二极管、光电接收器及信号处理电路；所述光调制板设置若干透光部与若干遮光部，各所述透光部的形状与面积相同，各所述遮光部的形状与面积相同；所述光调制板设置于所述发光二极管的发出光方向与所述光电接收器之间，所述光电接收器通过所述信号处理电路连接所述光电转换单元。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述信号处理电路设置干扰信号过滤模块，用于过滤干扰信号后再发送到所述光电转换单元。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述透光部、所述遮光部均为矩形；各所述透光部、各所述遮光部相间排列。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统还包括多通道毛细管电泳芯片，其设置于所述扫描轴及所述光调制板、所述激发光纤、所述接收光纤的下方。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述遮光部的宽度根据所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道之间的距离确定。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述光电转换单元顺序设置光电传感器、低噪声放大器、低通滤波器，其中，所述光电传感器连接所述接收光纤。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述光电传感器中设置雪崩二极管偏置电路。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述信号处理电路还设置通道计数器复位电路和识别脉冲产生电路。

采用上述方案，本发明将多通道识别单元、激发光纤、接收光纤分别与机械扫描单元固定连接，同时跟随机械扫描单元运动，能够用于阵列毛细管电泳芯片，并且降低了电路设计的复杂度，提高了控制系统的性价比，该激光诱导荧光检测系统具有体积小、灵敏度高、功耗低等优点，能够满足阵列毛细管电泳芯片检测的需要，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的示意图；

图2为本发明的另一实施例的示意图；

图3为本发明的四通道毛细管电泳芯片结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

如图1所示，本发明的一个实施例是，一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统，其包括激光源、机械扫描单元、光电转换单元与多通道识别单元；所述多通道识别单元与所述机械扫描单元固定连接；所述激光源设置激发光纤，其与所述机械扫描单元固定连接；所述光电转换单元设置接收光纤，其与所述机械扫描单元固定连接；其中，所述多通道识别单元用于识别多通道毛细管电泳芯片的信号。本发明的激光诱导荧光检测系统，以光纤代替传统LIF系统中复杂庞大的共聚焦式检测光路，优选的，采用雪崩二极管作为荧光检测器件，从而构建起结构相对简单、灵敏度高、功耗小的多通道毛细管电泳芯片检测系统。优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述激光为绿光光源，例如，其波长为520至540纳米。实验证明，优选的，较好的效果是，所述激光光源波长为525至530纳米。例如，激光器发出的绿色激光束经激发光纤照射至多通道毛细管电泳芯片表面，当光束照至电泳芯片上的微通道时，微通道中的荧光染料在激光的激发下产生荧光信号，该荧光信号通过接收光纤传输至光电转换单元进行处理，从而实现了一种光纤扫描式多通道毛细管电泳芯片的激光诱导荧光检测系统。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述机械扫描单元设置电机、减速齿轮、转盘、曲柄与扫描轴；所述电机通过所述减速齿轮连接所述转盘，用于带动所述转盘转动；所述转盘通过所述曲柄连接所述扫描轴，用于带动所述扫描轴转动；所述多通道识别单元、所述激发光纤、所述接收光纤分别与所述扫描轴固定连接。例如，与减速齿轮、转盘相连的电动机以一定的速率做匀速圆周运动，从而使扫描轴在曲柄的带动下在待检测的毛细管电泳芯片上方在预设角度的扇形中进行扫描运动，进而固定在扫描轴上的激发光纤和接收光纤也随之在芯片上方做往复的扫描，从而实现了多通道扫描功能。优选的，所述曲柄设置类似于“Z”字的横折横结构的缓冲部，其中的“折”处设置缓冲弹性件，这样，所述扫描轴在所述曲柄带动下，受到一个滞后的施力作用，且力度有一定的缓冲，例如逐渐增强，从而能够在一定程度上保护固定在扫描轴上的激发光纤和接收光纤。优选的，所述缓冲弹性件为弹簧或者弹性块。优选的，所述曲柄设置柄部以及两个所述缓冲部，所述柄部的两端分别设置一所述缓冲部。优选的，所述电机与所述激光源共用一控制开关。

优选的，所述扫描轴设置固定架，其用于固定所述多通道识别单元；所述扫描轴还设置两个通孔，每一通孔上面设置一弹性夹，第一通孔用于通过所述激发光纤并通过第一弹性夹以夹持固定所述激发光纤，第二通孔用于通过所述接收光纤并通过第二弹性夹以夹持固定所述接收光纤。优选的，所述第一通孔与所述第二通孔分别设置于所述固定架的两侧部，这样，有利于放置所述多通道识别单元。优选的，还设置一塔部，其底端分别固定于所述固定架的两侧部，且位于所述通孔的上方，其顶端设置两个入线口，分别用于插入所述激发光纤、所述接收光纤，顶端与底端之间设置两个通道，分别用于通过所述激发光纤、所述接收光纤；这样，将塔部作为物理受力的主要承受方，避免了光纤受力，有利于保证系统的整体稳定性和延长无故障使用寿命。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述多通道识别单元设置光调制板、发光二极管、光电接收器及信号处理电路；所述光调制板设置若干透光部与若干遮光部，各所述透光部的形状与面积相同，各所述遮光部的形状与面积相同；所述光调制板设置于所述发光二极管的发出光方向与所述光电接收器之间，所述光电接收器通过所述信号处理电路连接所述光电转换单元。优选的，所述信号处理电路设置干扰信号过滤模块，用于过滤干扰信号后再发送到所述光电转换单元。优选的，如图2所示，所述激光诱导荧光检测系统中，所述透光部201、所述遮光部202均为矩形；各所述透光部、各所述遮光部相间排列；优选的，如图2所示，所述透光部的长度与所述遮光部的长度相同，所述透光部的宽度小于所述遮光部的宽度；优选的，所述透光部的宽度为所述遮光部宽度的10%至24%，例如，所述透光部的宽度为所述遮光部宽度的16%；优选的，所述透光部的宽度与所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道的间距成正比。优选的，所述激光诱导荧光检测系统还包括多通道毛细管电泳芯片，其设置于所述扫描轴及所述光调制板、所述激发光纤、所述接收光纤的下方。优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述遮光部的宽度根据所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道之间的距离确定。例如，微分离通道的间距越小，所述遮光部的宽度越小。又如，所述遮光部的宽度与所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道的间距成正比；并且，所述透光部的宽度与所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道的间距成正比。又如，所述透光部、所述遮光部均为方形，排列成矩阵，每一透光部不与其他透光部相邻，只与遮光部相邻。例如，所述多通道识别单元由光调制板、发光二极管（LED）、光电接收器及信号处理电路组成。其中，光调制板上白色的透光区域和黑色的遮光区域相间排列，透光区域间的距离与多通道毛细管电泳芯片微分离通道之间的距离具有相同的对应关系。

优选的，所述光调制板包括两个矩形板，所述矩形板设置框架部，所述框架部设有若干横条，类似于“目”字，所述矩形板在所述框架部上设置若干空置区以及若干遮盖区，两矩形板反向设置，使得一矩形板的各空置区完全被另一矩形板的各遮盖区所覆盖，并且，两矩形板之间通过两平行的滑轨滑动连接；优选的，一滑轨还设置控制齿轮，用于控制两矩形板的相对位移，这样，可以方便地调整两矩形板的相对位置，从而调整所述透光部的宽度。

当LED发出的光束照射至光调制板上的透光区域时，光电接收器检测到光信号，输出高电平；反之，当光束照射至遮光区域时，光电接收器检测不到光信号，输出低电平。这样，当光调制板在扫描轴的带动下在毛细管电泳芯片上方往返扫描时，光电接收器的输出端就得到一个脉冲序列。当扫描轴从左向右扫描时，第一脉冲1和第二脉冲2之间对应的是毛细管电泳芯片最左端的分离通道1，第二脉冲2和第三脉冲3之间对应分离通道2，依此类推；反之，当扫描轴从右向左扫描时，第五脉冲5和第四脉冲4之间对应分离通道4，第四脉冲4和第三脉冲3之间对应分离通道3，依此类推；当扫描轴往复扫描时即实现了多通道识别功能。

其中，所述多通道识别单元是扫描式LIF检测系统的一个非常重要的组成部分，例如，所述多通道识别单元中，所述信号处理电路包括通道计数器复位电路和识别脉冲产生电路，优选的，其还设置电压比较器电路，用以对光电转换单元输出的信号进行整形。在系统扫描检测的过程中，当光调制板的透光区与发光二极管、光敏三极管在垂直方向上重合时，二极管发出的光被光敏三极管接收，光电转换后的脉冲信号作为主处理器的外部中断信号，主处理器中的计数器对通道识别脉冲进行计数，最后根据计数值并结合其他因素实现通道识别。

例如，光纤扫描式LIF系统中使用的所述多通道毛细管电泳芯片，为四通道毛细管电泳芯片，其结构如图3所示。其中1、2、3、4分别为样品池、样品废液池、缓冲液池、缓冲废液池；进样通道长10mm，分离通道长40 mm，检测点与十字交叉点处的距离为30 mm；通道深60 μm，宽100μm，储液池直径为2 mm，容积约为5 μL；整个芯片尺寸为60 mm×50 mm。

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述光电转换单元顺序设置光电传感器、低噪声放大器、低通滤波器，即光电传感器连接低噪声放大器，低噪声放大器连接低通滤波器。其中，所述光电传感器连接所述接收光纤。优选的，所述光电转换单元为包括光电转换单元的一控制系统，即所述光电转换单元为一控制系统，其中设置光电转换单元或称为光电转换模块，其中，所述光电转换单元顺序设置光电传感器、低噪声放大器、低通滤波器。例如，控制系统采用STM32F103微处理器为核心芯片，利用其内置的DMA、ADC、USB和UART控制器等实现数据的采集和上传等功能；例如，所述控制系统包括STM32F103微处理器以及分别与其连接的光电转换单元、电源及外围电路、RS232接口电路和USB接口电路等。优选的，

在扫描式毛细管电泳芯片LIF检测系统中，荧光信号的检测是通过对扫描得到的多通道脉冲信号采集来实现的。为了最大程度上抑制噪声信号对数据采集的影响，需要对输出脉冲的信号进行滤波，因此，优选的，所述低通滤波器设置低通滤波电路；其中，低通滤波电路采用的滤波器为二阶压控电压源（Voltage Controlled Voltage Source，VCVS）有源低通滤波器。由奈奎斯特采样定理可知，在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs大于信号中最高频率fmax的2倍时，即fs ≥ 2fmax，则采样之后的数字信号便可完整保留原始信号中的信息。由于本电路设计中的最低采样频率为7 KHz，因此截止频率小于3.5 KHz的滤波器都可以满足需要。 

优选的，所述激光诱导荧光检测系统中，所述光电传感器中设置雪崩二极管偏置电路。例如，采用体积小、灵敏度较高的雪崩二极管作为光电转换器件。雪崩二极管与光电倍增管相比具有偏置电压低的优点，与PIN光电二极管相比又具有较大的增益，非常适合微弱电泳荧光信号的测量。例如，选用雪崩二极管偏置电路，优选的，该电路采用的雪崩二极管为美国PerkinElmer公司生产的C30902E型雪崩二极管。它的击穿电压较高，增益对外加偏压变化敏感，因此需采用定制的专用高压模块作为偏置高压源，该电路通过改变高精度电位器R1的阻值来调节输出偏置电压。优选的，所述毛细管电泳芯片为玻璃材料的毛细管电泳芯片；由于毛细管电泳芯片采用的是玻璃材料，不可避免的在其表面会产生光的反射和折射现象，因此，接收光纤中传播的不仅仅有荧光染料受激发产生的荧光，同时芯片表面部分反射和散射的激发光也会通过接收光纤传输至信号处理单元。反射光及散射光是与被测荧光信号无关的干扰信号，需要在信号处理单元中将其滤除掉以提高系统的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。优选的，所述激光诱导荧光检测系统设置一固定架，其固定设置所述电机、所述毛细管电泳芯片；优选的，所述固定架还固定设置所述激光源、所述光电转换单元；优选的，所述固定架设置控制电路，所述电机、所述激光源、所述光电转换单元、所述多通道识别单元分别连接所述控制电路，这样，方便整体安装、使用、搬移所述固定架，从而对应地安装、使用、搬移所述激光诱导荧光检测系统。

针对雪崩二极管的特性，该电路还设置前置放大器，例如，采用低噪声、高输入阻抗的OPA337放大器作为前置放大器，在A/D转换前对前置放大器信号进行二次放大和二阶滤波。信号放大电路由两级放大电路组成。由于雪崩二极管输出信号为电流信号，为实现低噪声、高灵敏度放大，电路采用负反馈电流输入前置放大器。优选的，采用电位器用来调节运算放大器的参考端电压，用于对微弱被测信号进行无失真放大；优选的，还设置负反馈电流输入放大器，用于对雪崩二极管输出的微弱电流信号进行放大；所述负反馈电流输入放大器设置运算放大器与相位补偿电容；优选的，还设置反向比例放大电路，用于对第一级放大器的输出信号进行二次放大，例如，所述反向比例放大电路设置运算放大器及其电阻。

例如，一个毛细管电泳分离实验的例子是，其包括以下步骤：配置缓冲液和罗丹明B样品溶液；清洗芯片通道，然后置于恒温箱中烘干；将缓冲液注入电泳通道，用光学显微镜观察通道中有无气泡和微小颗粒，确定没有后准备进入下一阶段；设置进样电压和分离电压（进样电压：样品池600 V，样品废液池0 V，缓冲液池400 V，缓冲废液池600 V；分离电压：缓冲液池800 V，样品池、样品废液池均为600 V，缓冲废液池0 V）；芯片置于检测平台之上，调整扫描探头与芯片间的垂直和水平方向上的距离，以达到最佳检测位置；将样品溶液注入样品池，插入电极；起动高压电源和检测系统的扫描检测，绘制检测结果；待检测曲线绘制完毕后，如果二次进样则重复上述过程，否则关闭系统；取出芯片后用无水乙醇进行清洗；待实验结束后检查系统。

此时，四通道毛细管电泳芯片的第1、2通道注入纯净水，第3、4通道分别注入1.0×10^-5M、1.0 ×10^-4M的罗丹明B样品溶液并施加分离电压，由检测系统对四通道扫描得到的电泳谱图。由于第1、2通道中注入纯净水，它们的理论检测信号幅值为零，其检测曲线相互交叠，并与横轴相重叠。另外的两条曲线则反映了毛细管电泳分离的过程：开始进样时，样品还没有进入分离通道，放置在检测部位的光电探测器没有检测到激光激发出的荧光信号，故曲线前一部分值为零；当样品被切换到分离通道，并在分离电压的作用下移动到光电探测器检测部位时，激光激发出的荧光信号立即被光电探测器接收，对应的检测曲线出现峰值；当样品全部通过检测点后，没有荧光信号，检测曲线值重新降为零。此外，由于通道4中样品的浓度较大，因此，其对应的电泳谱图峰值也较大。

进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统，其主要利用LIF检测原理，采用光纤搭建激发及检测光路，设计出光纤扫描式多通道毛细管电泳芯片的激光诱导荧光检测系统，该系统采用曲轴完成了电机的匀速旋转到扫描轴的扫描这一转变，实现了对多通道毛细管电泳芯片的扫描式检测。系统对不同浓度的罗丹明B样品溶液进行了电泳分离实验，检测结果表明搭建的光纤扫描式LIF检测系统可以实现对多通道毛细管电泳芯片的实时并行检测。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光纤扫描式的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，包括激光源、机械扫描单元、光电转换单元与多通道识别单元；

所述多通道识别单元与所述机械扫描单元固定连接；

所述激光源设置激发光纤，其与所述机械扫描单元固定连接；

所述光电转换单元设置接收光纤，其与所述机械扫描单元固定连接。

2.根据权利要求1所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述机械扫描单元设置电机、减速齿轮、转盘、曲柄与扫描轴；

所述电机通过所述减速齿轮连接所述转盘，用于带动所述转盘转动；

所述转盘通过所述曲柄连接所述扫描轴，用于带动所述扫描轴转动；

所述多通道识别单元、所述激发光纤、所述接收光纤分别与所述扫描轴固定连接。

3.根据权利要求2所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述多通道识别单元设置光调制板、发光二极管、光电接收器及信号处理电路；

所述光调制板设置若干透光部与若干遮光部；

所述光调制板设置于所述发光二极管的发出光方向与所述光电接收器之间，所述光电接收器通过所述信号处理电路连接所述光电转换单元。

4.根据权利要求3所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述信号处理电路设置干扰信号过滤模块，用于过滤干扰信号后再发送到所述光电转换单元。

5.根据权利要求4所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述透光部、所述遮光部均为矩形；

各所述透光部、各所述遮光部相间排列。

6.根据权利要求5所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，还包括多通道毛细管电泳芯片，其设置于所述扫描轴及所述光调制板、所述激发光纤、所述接收光纤的下方。

7.根据权利要求6所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述遮光部的宽度根据所述多通道毛细管电泳芯片的微分离通道之间的距离确定。

8.根据权利要求7所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述光电转换单元顺序设置光电传感器、低噪声放大器、低通滤波器，其中，所述光电传感器连接所述接收光纤。

9.根据权利要求8所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述光电传感器中设置雪崩二极管偏置电路。

10.根据权利要求9所述激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述信号处理电路还设置通道计数器复位电路和识别脉冲产生电路。

Images