CN105806812B - 一种光电式生物磁珠浓度快速检测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电式生物磁珠浓度快速检测系统与方法,包括:样品池,所述样品池为四面透光形式,一个发射单元与三个检测单元分别布置于样品池的四面;三个检测单元分别为透射检测单元、左散射检测单元和右散射检测单元;发射单元发出的激光束由样品池的一面射入样品池内的待测磁珠溶液之中;在与发射单元相对的样品池的另一面产生的透射光由透射检测单元接收;在样品池的其余两个侧面产生的散射光分别由左散射检测单元和右散射检测单元接收;三个检测单元得到的光强信号送入处理单元,通过数据处理得到被测溶液的磁珠浓度。本发明可以实现磁珠浓度的非接触快速实时检测,可以有效抑制激光器光强的波动和环境光对检测精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物磁珠浓度检测系统与方法,具体地,涉及的是一种光电式生物磁珠浓度快速检测系统与方法。
背景技术
生物磁珠是指具有细小粒径的超顺磁微球,一般具有超强的顺磁性,在磁场中能够迅速聚集,离开磁场后又能够有助于磁分离地均匀分散。其次,具有合适的且差别较小的粒径,保证了足够强的磁响应性又不会沉降。再次,具有丰富的表面活性基团,以便可以和生化物质偶联,并在外磁场的作用下实现与被待测样品的分离。
生物磁珠是一种新型纳米材料,目前已经广泛应用于细胞分选等多种生物医药领域。与传统的分离方法相比,把磁珠用于生化样品复杂组分的分离,能够实现分离和富集的同时进行,有效地提高了分离速度和富集效率,同时也使分析检测的灵敏度大大提升。
但是,如何定量地评价基于磁珠的磁分选效率一直是该领域的难题。常规的磁分选评价方法是直接检测溶液之中磁珠的浓度,准确检测经过磁分选前与后磁珠悬浮液的浓度,从而客观而定量地评估磁分选效率。由于待测溶液是磁珠悬浮液,经过长时间静置后会产生沉淀,所以可以采用浊度法来实现磁珠浓度的测量。
目前具有磁性材料的悬浮液浊度检测方法主要基于磁场检测方法。例如“一种基于低场NMR检测磁珠浓度的方法及其应用”(CN201410326418.1),采用核磁共振方法检测磁珠悬浮液的弛豫时间,以此实现磁珠浓度检测。
但是,目前的各种基于磁场的磁珠浓度检测方法均具有时间长、速度慢、成本高、操作繁琐等诸多弊端,特别是不能实现实时快速检测。
发明内容
本发明针对目前磁珠浓度检测普遍存在的时间长、速度慢的现状,提出一种光电式生物磁珠浓度快速检测系统与方法,可实现磁珠浓度的快速检测。
根据本发明的第一目的,提供一种光电式生物磁珠浓度快速检测系统,所述系统包括:一个发射单元、一个样品池、三个检测单元和一个处理单元,三个检测单元分别为透射检测单元、左散射检测单元和右散射检测单元;所述样品池为四面透光形式,一个发射单元与三个检测单元分别布置于样品池的四面;发射单元发出的激光束由样品池的一面射入样品池内的待测磁珠溶液之中;在与发射单元相对的样品池的另一面产生的透射光由透射检测单元接收;在样品池的其余两个侧面产生的散射光分别由左散射检测单元和右散射检测单元接收;三个检测单元得到的光强信号送入处理单元,通过数据处理得到被测溶液的磁珠浓度。
由于本发明的磁珠浓度检测系统采用激光束作为探测媒介,从而可以实现磁珠浓度的非接触快速实时检测。此外,本发明的发射单元优选采用半反半透镜,可以获得激光器的出射光强,从而可以有效抑制激光器光强的波动对检测精度的影响。另一方面,本发明的磁珠浓度检测系统可以同时获得一束透射光与两束散射光。
作为一个优选方式,本发明的样品池采用长方体的比色皿,样品池为四面正交,而且采用高品质光学玻璃,以保证足够高的透光率。样品池在两个正交方向的光程是完全相等的,样品池的高度主要取决于被测样品的多少。
作为一个优选方式,本发明的发射单元由激光器、半反半透镜、光强传感器、处理电路和发射遮光罩组成,半反半透镜置于激光器前端,光强传感器置于半反半透镜的一侧,处理电路置于光强传感器一旁,激光器、半反半透镜、光强传感器和处理电路全部置于带有出光孔的发射遮光罩内。由激光器发出的激光束首先投向半反半透镜;经过半反半透镜透射之后产生的透射激光束经过发射遮光罩的出光孔后投向样品池,并射入样品池内的被测溶液,进行浓度检测;而经过半反半透镜反射后产生的反射光束投向一侧的光强传感器,反射光束的光强信号经过光强传感器和处理电路后转换为电信号,通过电缆送入处理单元。
作为一个优选方式,本发明的发射单元的激光器采用由半导体激光二极管、驱动电路以及聚焦镜组构成的激光模组,可以直接产生准直激光束,便于磁珠浓度检测。
作为一个优选方式,本发明的发射单元的半反半透镜的透射/反射比例不是50%:50%的,其透射率远高于反射率,以便保证磁珠浓度检测的灵敏度,同时可以降低反射光束强度,以免光强传感器产生饱和现象。
作为一个优选方式,本发明的发射单元的发射遮光罩采用轻质材料制成,仅有一个出光孔,用于出射激光束。而且遮光罩内壁粘贴有漫反射材料,以便吸收杂光。
作为一个优选方式,本发明的3个检测单元是完全相同的。检测单元由滤光片、聚光镜、光强传感器、处理电路和接收遮光罩组成,滤光片、聚光镜、光强传感器布置在一条直线之上,处理电路置于光强传感器一旁,滤光片、聚光镜、光强传感器和处理电路全部置于带有入光孔的接收遮光罩内。由样品池产生的透射光或散射光通过接收遮光罩的入光孔进入检测单元内部;入射光首先经过滤光片后,经过聚光镜聚焦成为细小光束,并束投向后面的光强传感器,入射光的光强信号经过光强传感器和处理电路后转换为电信号,通过电缆送入处理单元。
作为一个优选方式,本发明的检测单元的滤光片可以采用常规窄带滤光片,其光谱中心波长应该与激光器的波长相一致,带宽尽可能窄,以便减小环境光的干扰和影响。
作为一个优选方式,本发明的检测单元的接收遮光罩采用轻质材料制成,且仅有一个入光孔,用于接收激光束摄入被测溶液后产生的透射光或者散射光。而且接收遮光罩内壁粘贴有漫反射材料,以便吸收杂光。
根据本发明的第二目的,提供一种采用上述系统的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,具体如下:对左散射检测单元和右散射检测单元得到的两个散射光强信号进行处理,得到两个散射浓度,这两个磁珠浓度的平均值作为最终磁珠的平均散射浓度。
进一步的,对透射检测单元得到的透射光强信号进行处理,得到透射浓度,计算该透射浓度与平均散射浓度的平均值,并将结果作为最终磁珠的磁珠浓度。
进一步的,对透射检测单元得到的透射光强信号进行处理,得到一个透射浓度,采用一个透射浓度与两个散射浓度的总平均值作为最终磁珠的磁珠浓度。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明可以实现磁珠浓度的非接触快速实时检测,本发明可以同时获得一束透射光与两束散射光,从而可以同时得到三个测量结果,通过对三个测量结果进一步融合,可以获得更高的测量精度,同时可显著降低环境光的影响。本发明采用上述系统可以有效抑制激光器光强的波动和环境光对检测精度的影响。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明一较优实施例中磁珠浓度快速检测系统组成示意图;
图2是本发明一较优实施例中的发射单元组成示意图;
图3是本发明一较优实施例中的检测单元组成示意图;
图中,1-发射单元,2-样品池,3-左散射检测单元,4-透射检测单元,5-处理单元,6-右散射检测单元,7-激光器、8-半反半透镜、9-光强传感器、10-处理电路、11-发射遮光罩,12-滤光片,13-聚光镜,14接收遮光罩。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示,作为本发明磁珠浓度检测系统的一个优选实施例,所述系统由发射单元1、样品池2、左散射检测单元3、透射检测单元4、处理单元5、右散射检测单元6共6个部分组成。其中:样品池2为四面透光形式,发射单元1与三个检测单元(左散射检测单元3、透射检测单元4、右散射检测单元6)分别布置于样品池2的四面方向,而处理单元5布置于一旁,所有单元之间均通过电缆相连。
所述系统中:发射单元1发出的激光束由样品池2的一面射入样品池2内的待测磁珠溶液之中;在与发射单元1相对的样品池2另一面产生的透射光由透射检测单元4接收;在样品池2的其余两个侧面产生的散射光由左右两个散射检测单元3和6接收;三个检测单元(左散射检测单元3、透射检测单元4、右散射检测单元6)得到的光强信号通过电缆送入处理单元5,通过数据处理可以得到被测溶液的磁珠浓度。
在另一优选实施例中,所述样品池2采用长方体的比色皿,样品池2为四面正交,而且采用高品质光学玻璃,以保证足够高的透光率,一般应该不低于95%。样品池2在两个正交方向的光程是完全相等的,例如均为10mm。样品池2的高度主要取决于被测样品的多少,例如可取40mm左右。
在另一优选实施例中,所述发射单元1由激光器7、半反半透镜8、光强传感器9、处理电路10和发射遮光罩11组成。半反半透镜8置于激光器7的前端,光强传感器9置于半反半透镜8的一侧,处理电路10置于光强传感器9的一旁,激光器7、半反半透镜8、光强传感器9和处理电路10全部置于带有出光孔的发射遮光罩11内。由激光器7发出的激光束首先投向半反半透镜8;经过半反半透镜8透射之后产生的透射激光束经过发射遮光罩11的出光孔后投向样品池2,并射入样品池2内的被测溶液,进行浓度检测;而经过半反半透镜8反射后产生的反射光束投向一侧的光强传感器9,反射光束的光强信号经过光强传感器9和处理电路10后转换为电信号,通过电缆送入处理单元5。
进一步优选地,所述激光器7采用由半导体激光二极管、驱动电路以及聚焦镜组构成的激光模组,可以直接产生准直激光束,便于磁珠浓度检测。
进一步优选地,所述半反半透镜8的透射/反射比例不是50%:50%的,其透射率远高于反射率,以便保证磁珠浓度检测的灵敏度,同时可以降低反射光束强度,以免光强传感器9产生饱和现象。
进一步优选地,所述发射遮光罩11采用轻质材料制成,例如可以采用铝合金、有机玻璃等材质制成。该遮光罩11仅有一个出光孔,用于出射激光束。而且遮光罩11内壁粘贴有漫反射材料,例如黑色磨砂有机玻璃、黑色绒布等,以便吸收杂光。
在本发明部分实施例中:发射单元1的光强传感器9可以采用常规光电位置传感器,例如位置敏感器件(PSD)、四象限光电池(APD)等。光强传感器9的光谱应该与激光器7的光谱相配合。
在另一优选实施例中,3个检测单元的结构3、4和6是完全相同的。所述检测单元由滤光片12、聚光镜13、光强传感器9、处理电路10和接收遮光罩14组成。其中,滤光片12、聚光镜13、光强传感器9布置在一条直线之上,处理电路10置于光强传感器9的一旁,滤光片12、聚光镜13、光强传感器9和处理电路10全部置于带有入光孔的接收遮光罩14内。由样品池2产生的透射光或散射光通过接收遮光罩14的入光孔进入检测单元4内部;入射光首先经过滤光片12后,经过聚光镜13聚焦成为细小光束,并束投向后面的光强传感器9,入射光的光强信号经过光强传感器9和处理电路10后转换为电信号,通过电缆送入处理单元5。
进一步优选地,所述14接收遮光罩采用轻质材料制成,例如可以采用铝合金、有机玻璃等材质制成。该接收遮光罩14仅有一个入光孔,用于接收激光束摄入被测溶液后产生的透射光或者散射光。而且接收遮光罩14内壁粘贴有漫反射材料,例如黑色磨砂有机玻璃、黑色绒布等,以便吸收杂光。
在本发明部分实施例中:检测单元4的滤光片12可以采用常规窄带滤光片,其光谱中心波长应该与激光器的波长相一致,例如为650nm。滤光片12的带宽尽可能窄,例如取80nm,以便减小环境光的干扰和影响。
在本发明部分实施例中:检测单元4的光强传感器9与发射单元1的光强传感器9相同,可以采用常规光电位置传感器,例如位置敏感器件(PSD)、四象限光电池(APD)等。光强传感器9的光谱应该与激光器的光谱相配合。
在本发明部分实施例中:处理单元5可以采用常规处理系统进行数据处理,例如台式PC机或者笔记本电脑,或者采用微处理器构成的专业处理电路系统。
基于上述的系统,进一步说明采用上述系统进行的磁珠浓度检测方法,所述方法具体如下:
(1)设发射单元光强传感器得到的光源光强信号为J0,透射检测单元光强传感器得到的透射光光强信号JT,样品池的光程长度为l,比例系数为k,则被测溶液的投射浓度可以采用单位体积液体中所含颗粒的数量N(即颗粒浓度)表示为:
(2)设发射单元光强传感器得到的光源光强信号为J0,左右散射检测单元光强传感器得到的散射光光强信号为JSL与JSR,磁珠微粒的体积为V,入射光的波长为λ,比例系数为k,则被测溶液的散射浓度用单位体积液体中所含颗粒的数量N(即颗粒浓度)表示为:
(3)本发明可以采用左右两个散射光强信号计算得到的两个磁珠浓度的平均值作为最终的平均散射浓度,即:
(4)本发明可以采用透射信号计算得到的透射浓度与平均散射浓度的平均值作为最终的磁珠浓度,即:
(5)本发明可以采用1个透射浓度与2个散射浓度的总平均值作为最终的磁珠浓度,即:
由于本发明的磁珠浓度检测系统采用激光束作为探测媒介,从而可以实现磁珠浓度的非接触快速实时检测。此外,本发明的发射单元采用了半反半透镜,可以获得激光器的出射光强,从而可以有效抑制激光器光强的波动对检测精度的影响。另一方面,本发明的磁珠浓度检测系统可以同时获得一束透射光与两束散射光,从而可以同时得到三个测量结果。通过对上述三个测量结果的进一步融合,可以获得更高的测量精度,同时可显著降低环境光的影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述方法采用光电式生物磁珠浓度快速检测系统进行,所述系统包括:一个发射单元、一个样品池、三个检测单元和一个处理单元,三个检测单元分别为透射检测单元、左散射检测单元和右散射检测单元;所述样品池为四面透光形式,一个发射单元与三个检测单元分别布置于样品池的四面;发射单元发出的激光束由样品池的一面射入样品池内的待测磁珠溶液之中;在与发射单元相对的样品池的另一面产生的透射光由透射检测单元接收;在样品池的其余两个侧面产生的散射光分别由左散射检测单元和右散射检测单元接收;三个检测单元得到的光强信号送入处理单元,通过数据处理得到被测溶液的磁珠浓度;
所述发射单元由激光器、半反半透镜、第一光强传感器、第一处理电路和发射遮光罩组成,半反半透镜置于激光器前端,第一光强传感器置于半反半透镜的一侧,激光器、半反半透镜、第一光强传感器和第一处理电路全部置于带有出光孔的发射遮光罩内;激光器发出的激光束首先投向半反半透镜,经过半反半透镜透射之后产生的透射激光束经过发射遮光罩的出光孔后投向样品池,并射入样品池内的被测溶液,进行浓度检测;而经过半反半透镜反射后产生的反射光束投向一侧的第一光强传感器,反射光束的光强信号经过第一光强传感器和第一处理电路后转换为电信号,送入处理单元;
所述的三个检测单元的结构是完全相同的;所述的检测单元由滤光片、聚光镜、第二光强传感器、第二处理电路和接收遮光罩组成,滤光片、聚光镜、第二光强传感器布置在一条直线之上,滤光片、聚光镜、第二光强传感器和处理电路全部置于带有入光孔的接收遮光罩内;由样品池产生的透射光或散射光通过接收遮光罩的入光孔进入检测单元内部;入射光首先经过滤光片后,经过聚光镜聚焦成为细小光束,并投向后面的第二光强传感器,入射光的光强信号经过第二光强传感器和第二处理电路后转换为电信号,送入处理单元;
对左散射检测单元和右散射检测单元得到的两个散射光强信号进行处理,得到两个散射浓度,这两个磁珠浓度的平均值作为最终磁珠的平均散射浓度;
对透射检测单元得到的透射光强信号进行处理,得到透射浓度,计算该透射浓度与平均散射浓度的平均值,并将结果作为最终磁珠的磁珠浓度;
对透射检测单元得到的透射光强信号进行处理,得到一个透射浓度,采用一个透射浓度与两个散射浓度的总平均值作为最终磁珠的磁珠浓度;
具体的,设发射单元光强传感器得到的光源光强信号为J0,透射检测单元光强传感器得到的透射光光强信号JT,样品池的光程长度为l,比例系数为k,则被测溶液的投射浓度采用单位体积液体中所含颗粒的数量N即颗粒浓度表示为:
上式中:NT为被测溶液的投射浓度;
设发射单元光强传感器得到的光源光强信号为J0,左右散射检测单元光强传感器得到的散射光光强信号为JSL与JSR,磁珠微粒的体积为V,入射光的波长为λ,比例系数为k,则被测溶液的散射浓度用单位体积液体中所含颗粒的数量N即颗粒浓度表示为:
上式中:
NSL为左侧散射单元得到的被测溶液的散射浓度;
NSR为右侧散射单元得到的被测溶液的散射浓度;
采用左右两个散射光强信号计算得到的两个磁珠浓度的平均值作为最终的平均散射浓度,即:
上式中:NS为被测溶液的平均散射浓度;
采用透射信号计算得到的透射浓度与平均散射浓度的平均值作为最终的磁珠浓度,即:
采用1个透射浓度与2个散射浓度的总平均值作为最终的磁珠浓度,即:
2.根据权利要求1所述的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述的样品池四面均采用高品质光学玻璃。
3.根据权利要求1所述的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述的样品池为长方体比色皿,四面正交,在两个正交方向的光程是完全相等的。
4.根据权利要求1所述的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述激光器采用由半导体激光二极管、驱动电路以及聚焦镜组构成的激光模组,能直接产生准直激光束,便于磁珠浓度检测。
5.根据权利要求1所述的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述的半反半透镜,其透射率高于反射率。
6.根据权利要求1所述的光电式生物磁珠浓度快速检测方法,其特征在于:所述的发射遮光罩采用轻质材料制成,且仅有一个出光孔,用于出射激光束;而且遮光罩内壁粘贴有漫反射材料,以便吸收杂光。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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