CN106018403B - 阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，包括光源、单根光源入射光纤、入射光纤轴心固连件、凹面反射镜、转动电机与转动编码器、多根入射光纤组与光纤固定器、毛细管阵列、多根接收光纤组、阵列毛细管窗口对准器瞄准端、取样光电探测器、参考光纤、参考光电探测器、高速数据采集单元、总控制和数据处理及传输、电脑工作站。是一种快速旋转入射光依次进入到特定角度倾斜、园形分布的多根入射端光纤穿过阵列毛细管柱后，由多根接收端光纤传输到探头，周而复始地连续扫描每一根毛细管，从而达到测量所有毛细管光吸收的强弱。提供了一种对大批量样品进行高通量光吸收检测的手段，以较低的成本实现对多根毛细管电泳的光吸收检测。

Description

阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器及检测方法

技术领域

本发明涉及阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，具体地说是一种快速旋转入射光依次进入到特定角度倾斜、园形分布的多根入射端光纤穿过阵列毛细管柱后，由多根接收端光纤传输到探头，周而复始地连续扫描每一根毛细管，从而达到测量所有毛细管光吸收强弱的光吸收检测器。本发明还涉及该检测器的使用方法。

背景技术

毛细管电泳(CE)以其高效、快速的分离，成为一种令人瞩目的分析手段。为了便于热量散失和进行柱上检测，采用了极小内径的毛细管(≤100um，一般50um) ，这样允许极小的（<10^-9g）进样量，单根毛细管电泳仪已然取得了长足的发展，并逐步得到越来越广泛的应用。近些年，随着该技术不断地被接收和使用，在许多领域出现对使用多根或阵列毛细管系统的高通量的分析要求。比如在生物制药领域，随着组合化学的发展，每天有成百上千的新药物被合成出来，表征和分析这些药物就需要高通量的仪器和方法。

常规的毛细管电泳仪检测手段有紫外光吸收法、荧光检测法、间接检测法、电化学检测法、化学发光法、电导率检测法等等，其中紫外光吸收法仍占据主导地位，在电泳系统中配备率最高。阵列毛细管电泳仪目前的主要应用在DNA测序方面，多采用激光诱导荧光探测器进行检测。由于多种原因，几乎没有发现用于阵列毛细管系统的紫外光吸收探测器，在单根毛细管系统中占比最多的光吸收探测方法无法在高通量高效率分析系统中得到广泛应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，用于实现对大批量样品从几十根到上百根毛细管组成的阵列电泳分离后进行紫外光或可见光吸收率的精确探测，结构简单、实用性强、成本低。本发明还提供该阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器的使用方法。

本发明采用的技术方案是，阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，包括光源、单根光源入射光纤、单根光源入射光纤轴心固连件，取样光电探测器经过多根接收光纤组连接到阵列毛细管窗口对准器瞄准端，阵列毛细管窗口对准器固定端连接多根入射光纤组出口端，毛细管阵列被固定于阵列毛细管窗口对准器固定端和阵列毛细管窗口对准器瞄准端的中间，多根入射光纤组前部固定光纤特定角度分布固定器中，转动电机中轴上固定有凹面反射镜，凹面反射镜与光纤特定角度分布固定器相对，转动电机连接转动编码器；参考光纤一端连接参考光电探测器，另一端连接光纤特定角度分布固定器，电脑工作站与总控制与数据处理及传输连接再与光源相接，高速数据采集单元一端连接总控制和数据处理及传输单元，另一头分别连接取样光电探测器与参考光电探测器，转动电机和转动编码器连接解码器后与总控制与数据处理及传输连接；单根光源入射光纤的末端形成的点光源经凹面镜反射聚焦到多根入射光纤组的进口端，多根接收光纤组在末端捆绑在一起让经过毛细管吸收后的光全部进入取样光电探测器；光纤特定角度分布固定器上某指定位置的单根毛细管不通过毛细管阵列吸收而直接导入参考光电探测器。

所述的多根入射光纤组固定于光纤特定角度分布固定器成圆锥形分布，凹面反射镜主轴与中心轴成一定角度，保证能将沿轴的入射光反射并聚焦到多根入射光纤组的入口端。

所述的转动电机可以是直流或定频、变频电机，或是匀速转动的伺服电机或步进电机，转动电机的转速是毛细管总数的3倍以上；

转动编码器的分辨率是毛细管总数的3—10倍；所述的光电探测器可以是有效面积较大的光电二极管，或是光电倍增管。

所述的多根入射光纤组和多根接收光纤组的位置一一对应，阵列毛细管窗口对准器确保在特定时间里只有相对应的某一组入射光纤和接收光纤有光通过，邻近的光被完全隔离。

所述的所有光纤应与光源相匹配，当使用紫外光时应使用对紫外光传输衰减度低的光纤，此要求同样适用于凹面反射镜。

所述的每根通过毛细管吸收后的光强与未通过毛细管吸收而直接测到的光强进行对比而获得每根毛细管样品的光吸收率，以抵消由于光源不稳定性带来的误差及基线漂移。

本发明同现有技术相比具有以下积极效果，利用单个光源，两个普通的光电二极管或光电倍增管，以较低的成本实现对多根毛细管电泳的光吸收检测，弥补市场上只有荧光检测的不足，提供了一种对大批量样品进行高通量光吸收检测的手段。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明图1的局部放大图，显示96根毛细管对应的96根入射光纤的安装示意图；

图3是本发明的局部原理图，显示光纤端形成的近似点光源经过凹面反射镜汇聚到光纤组的进口端。

图中：１紫外或可见光光源 ，２单根光源入射光纤，３入射光纤轴心固连件，4光线，5凹面反射镜，6转动电机，7转动编码器，8反射光示意线，9光纤特定角度分布固定器，10多根入射光纤组，11阵列毛细管窗口对准器固定端，12毛细管阵列，13阵列毛细管窗口对准器瞄准端，14多根接收光纤组，15取样光电探测器，16参考光纤，17参考光电探测器，18高速数据采集单元，19总控制和数据处理及传输单元，20电机驱动和转动解码器，21电脑工作站。

具体实施方式

如图1,2,3所示，阵列毛细管电泳系统光吸收检测器主要由紫外或可见光光源 1、单根光源入射光纤 2、单根光源入射光纤轴心固连件3、凹面反射镜5、转动电机6、转动编码器7、多根入射光纤组10、光纤特定角度分布固定器9、阵列毛细管窗口对准器固定端 11、毛细管阵列12、阵列毛细管窗口对准器瞄准端13、多根接收光纤组14、取样光电探测器 15、参考光纤 16、参考光电探测器 17、高速数据采集单元 18、电机驱动和转动解码器20、总控制和数据处理及传输单元19、电脑工作站21组成。单根光源入射光纤2的末端形成的点光源经由安装在转动电机中轴4上的凹面反射镜5反射聚焦到多根入射光纤组10的进口端，多根入射光纤组10的出口端紧邻毛细管阵列12，毛细管阵列另外一边是多根接收光纤组14，多根接收光纤组14在末端捆绑在一起让经过毛细管阵列12吸收后的光全部进入取样光电探测器15；同时，光纤特定角度分布固定器9上某指定位置的单根毛细管16不通过毛细管阵列吸收而直接导入参考光电探测器17。

如图1和图2所示， 96根毛细管相对应的96根入射光纤的安装示意图，96根光纤均匀分布在圆周上。图1中的入射光纤分布省略了部分光纤未画出，是为了方便显示工作原理。

多根入射光纤组10形成圆形分布，固定在光纤特定角度分布固定器9上，每一根光纤与电机主轴中线都有相等的倾斜角，凹面反射镜主轴与中心轴成一定角度，目的是确保能将沿轴的入射光反射并聚焦到多根入射光纤组10的入口端，8是经过反射镜后的反射光示意线。

凹面反射镜5固定于电机6的转轴上，光纤特定角度分布固定器 9和转动电机必须位于同一中心轴4上，光纤接头3需要严格位于该中心轴4上，以确保反射镜的反射光有效的汇聚到多根入射光纤组10的进口端面尽量接近中心的位置。当电机6以可控速度转动并带动反射镜5转动时，光线依次进入到入射光纤组10的各进口端，由转动编码器7的信号经由电机驱动和转动解码器20来确认在某指定时间段是哪一根光纤被照射，进而确认相应的是哪一根毛细管正在被检测。

多根入射光纤组10和多根接收光纤组14的位置是一一对应的，多根入射光纤组10的数目等于多根接收光纤组14的数目，并等于毛细管阵列12的总数，阵列毛细管窗口对准器固定端11和阵列毛细管窗口对准器瞄准端13与毛细管阵列12的固定架一起调整好位置，确保在特定时间里只有相对应的某一组入射光纤和接收光纤有光通过，用于检测邻近毛细管的光被尽量完全隔离，从而杜绝或减少互相干扰。

转动电机6可以是任何直流或定频、变频电机，最好是匀速转动的伺服电机或步进电机，转动电机6每转动一周的时间分成里N等分，进行N次的数据采集，N最好是毛细管总数的五倍以上，因此也要求转动编码器7的分辨率最好是毛细管总数的五倍以上，以获得每周每次对每根毛细管光吸收足够的探测数据收集次数，该收集次数尽量保证在3以上，最后结果用该次数做平均。

转动电机6的转速（周/秒）最好是毛细管总数的3倍以上，以得到对所有毛细管的足够多的探测点，保障在时间上的分辨率，这在毛细管有效长度较短、样品分离时间较短的时候尤其重要。

光电探测器15和17可以是有效面积较大一些的光电二极管，也可以是光电倍增管，前者相对价格便宜，广泛的使用在目前单根毛细管紫外光吸收探测器中，后者价格较贵，电路也更复杂，目前一般用在荧光探测器上，但鉴于阵列毛细管光吸收装置中因为大量使用光纤等原因造成光的衰减较多，光电倍增管由于其高灵敏度，也不失为一种不错的选择。

本发明中使用的所有光纤应该与光源相匹配，当使用紫外光时，应使用对紫外光传输衰减度低的光纤。同样地，反射镜的反射面也应该有有相应的材料或镀层，以满足对不同波长光的反射的要求。

单根光源入射光纤2应该选择芯直径偏小的光纤，以提供直径较小的近似点光源，在经过凹面反射镜5反射后会得到更小的聚焦光斑到达多根入射光纤组10的进口端，相应的多根入射光纤组10可以适当选择芯直径较大一点的光纤，这种安排可以让光尽可能多的进入多根入射光纤组10。一般单根光源入射光纤2选用10um到50um芯子的光纤，而其余的选择200um到 600um芯子的光纤。

每根通过毛细管吸收后的光强与未通过毛细管吸收而直接测到的光强进行对比而获得每根毛细管样品的光吸收率，以抵消由于光源不稳定性带来的误差及基线漂移。

由于电机转速块，每周的采用速率高，所以对数据采集单元 18及总控制和数据处理及传输单元19有较高的要求。实际应用中可以放弃部分点的采样，利用转动编码器7和电机驱动和转动解码器20以及总控制和数据处理及传输单元19可以事先校准标定多根入射光纤组10的每根的进口端位置，任何相邻的两根光纤的中间间隔部分可以略去而不进行数据收集，这就大大的减少了总采样量，从而也会减少总计算量，在每段间隔的时间内可以进行对前面有效采集数据的处理和在工作站屏幕上的实时呈现。为了简化电路设计和固话软件的编程，入射光纤组的所有光纤应该均匀的分布在圆周上，这样是每一段间隔的时间相等，每一根光纤被照射的时间也相等，图2显示了96根光纤和参考光纤一起均匀分布安装的例子。

本发明的实施例用于说明技术方案，并不限定本专利申请保护的范围，凡依本申请技术构思所作出的等效改进或发明，均被本专利申请所涵盖。

Claims (3)

1.阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，包括光源 (1)、单根光源入射光纤(2)、单根光源入射光纤轴心固连件(3)，其特征在于：取样光电探测器(15)经过多根接收光纤组(14)连接到毛细管窗口对准器瞄准端(13)，阵列毛细管窗口对准器固定端(11)连接多根入射光纤组(10)出口端，毛细管阵列(12)被固定于阵列毛细管窗口对准器固定端(11)和阵列毛细管窗口对准器瞄准端（13）的中间，多根入射光纤组(10)前部固定在光纤特定角度分布固定器(9)中，转动电机(6)中轴上固定有凹面反射镜(5)，凹面反射镜(5)与光纤特定角度分布固定器(9)相对，转动电机(6)连接转动编码器(7)；参考光纤(16)一端连接参考光电探测器(17)，另一端连接光纤特定角度分布固定器(9)，电脑工作站(21)与总控制与数据处理及传输单元(19)连接再与光源(1)相接，高速数据采集单元(18)一端连接总控制与数据处理及传输单元(19)，另一头分别连接取样光电探测器(15)与参考光电探测器(17)，转动电机(6)和转动编码器(7)连接电机驱动和转动解码器(20)后与总控制与数据处理及传输单元(19)连接；单根光源入射光纤(2)的末端形成的点光源经凹面反射镜(5)反射聚焦到多根入射光纤组(10)的进口端，多根接收光纤组(14)在末端捆绑在一起让经过毛细管吸收后的光全部进入取样光电探测器(15)；光纤特定角度分布固定器(9)上某指定位置的单根毛细管不通过毛细管阵列吸收而直接导入参考光电探测器(17)。

2.根据权利要求1所述的阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，其特征是，所述的多根入射光纤组(10)固定于光纤特定角度分布固定器(9)成圆锥形分布，凹面反射镜(5)主轴与中心轴成一定角度，保证能将沿轴的光线(4)反射并聚焦到多根入射光纤组(10)的入口端。

3.根据权利要求1所述的阵列毛细管电泳仪的光吸收检测器，其特征是，所述的转动电机(6)是直流或定频、变频电机，或是匀速转动的伺服电机或步进电机，转动电机的转速是毛细管总数的3倍以上。