CN106596473A - 基于电控磁富集‑分离和全内反射磁成像的光学检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电控磁富集‑分离结构和全内反射磁成像结构的光学检测仪，涉及生物医学检测技术领域。目前，由于低浓度物质的检测仪器过于庞大、步骤繁琐、检测时间较长而且对专业技术的要求非常高，大大限制了其应用。因此，本发明结合了电控磁富集‑分离结构和全内反射磁成像结构，实现了一种高效、快捷、方便、精准且适用于非专业人员操作的低浓度生物医学样品检测设备，这对于生物医学检测技术领域而言意义重大。

Description

基于电控磁富集-分离和全内反射磁成像的光学检测仪

技术领域

本发明涉及生物医学检测技术领域，特别是一种基于电控磁富集-分离结构和全内反射磁成像光学检测结构的光学检测仪。

背景技术

样品中，尤其是血液样品中低浓度物质检测，通常采用免疫检测技术，为了减少干扰，首先需要对血液样品进行离心分离去除血细胞等前处理步骤，增加了检测时间和检测步骤；为了增加检测的准确性和灵敏性，很多免疫反应采用磁粒子分离技术将低浓度的待检测物从样品中分离出来，也需要将复合磁粒子通过离心分离出来并进行洗涤，检测灵敏度高，但是步骤繁琐。仪器庞大而昂贵，操作复杂，成本高，并且需要专业的检验人员来操作，限制了检测检测时间和检测场所，无法用于基层和现场检测。

例如，尿微量白蛋白(mAlb)的增高多见于糖尿病肾病、高血压、妊娠子痫前期，是肾损伤的早期敏感指标。如果在体检后发现尿中的微量白蛋白在20mg/L-200mg/L范围内，就属于微量白蛋白尿，如果患者能够经过规范的修复肾单位，逆转纤维化治疗，尚可彻底修复肾小球，消除蛋白尿。而当尿中微量白蛋白超过200mg/L时，此时证明肾病患者已有大量白蛋白漏出，肾病发展离不可逆期只有一步之遥，如果不及时进行医治，就会进入尿毒症期。所以，能够简单、快速、有效的检测出低浓度的尿微量白蛋白的异常增高，在生物医学检测技术领域具有至关重要的作用。

电控磁富集-分离结构是通过放置在检测芯片上下两侧的小型加强磁柱或者磁片，交替加电/断电产生交替的磁场，实现对芯片上磁粒子的双向驱动分离和富集。另外，采用恒温加热技术，通过温度传感器和加热片实现反应区域恒温环境，免疫反应在特定环境进行，消除温度造成的反应差异误差。全内反射磁成像光学检测结构包括入射光路和检测光路两部分，光学检测部分封闭在暗盒中，其中光源发射模块，包含光源控制电路板、光源，其中光源包括扩束镜、光阑等，光源的发散角、光斑等参数可通过光阑等方式来调节，形成一束均匀的平行单色光；检测光路部分包括相机、显微镜头和远心镜头、焦平面调节镜等；光学检测部分还包括图像识别软件，采用MATLAB或者嵌入式C软件实现对图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。最终通过检测装置中的CCD相机或CMOS相机、发光二极管或光电倍增管进行全内反射磁成像光学检测过程，对芯片上形成的磁粒子圆斑进行阵列图像获取和分析，并进行浓度校正计算，从而得到待测物质的浓度。

其中，电控磁富集-分离结合全内反射磁成像光学检测原理为：首先将两种反应物(例如抗体1结合磁粒子形成复合磁微粒子固定在芯片内的上方；抗体2固定在芯片内的下方)分别固定在芯片内表面膜上，然后加入待测样品，样品中的抗原与芯片上的复合磁微粒子发生结合反应；通过电控双磁场按照一定频率分别给上下两个磁线圈加电，产生上下变换的磁场，下磁场作用时，结合抗原的复合磁微粒子加速向芯片下方移动，与抗体2结合，形成牢固的结合物，附着在芯片下方。上磁场作用时，将未结合的复合磁微粒子吸引至芯片上方。上下磁场分别反复施加，加速抗原-复合磁微粒子与下方抗体的结合和分离，抗体-磁粒子在反应池中上下运动，增加了与样品中待测物质的接触，提高了反应结合速度，大大减少了反应时间。反应充分后再施加上磁场作用，将未结合的多余的复合磁微粒子吸引至芯片上方，反应的抗原-复合磁微粒子则通过抗体2结合作用留在芯片下方，形成磁微粒子聚集，由于抗原浓度不同，由磁微粒子形成聚集区的灰度值会随之变化，待测物的浓度与最终被固定在反应池底侧的纳米磁粒子密度成正比。光源发出的会聚平行光通过芯片的大于临界角的光学角度面进入芯片后，从高折射率芯片材料进入低折射率样品液体膜后，发生全反射，但在芯片液体反应界面逐渐聚集的磁粒子阵列引起表面膜的折射率变化，全反射受到干扰，反应区全反射后光线照射到CCD面阵或者其它光学元件接收器上，实时地记录整个反应过程的信号变化，就可以用采集到的不同灰度的磁粒子阵列的CCD图像或者其它光学图像，采用相应的软件处理，模数转化为得出光强数据曲线，经过标定后，获得被测物的浓度等参数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对血样等微量样品中低浓度物质的检测，现有检测仪器具有所需检测仪器过于庞大、检测步骤繁多的局限性问题；尤其是针对微量白蛋白及其更低浓度的蛋白类物质和细胞等时，需要操作步骤繁杂，不适于快速检测，适用范围非常小；而其中涉及到的多步检测步骤中对专业水平需要较高，大大限制了非专业人员的使用。所以，本发明针对于此，非常有必要发明一种适用于低浓度物质的检测、检测快速灵敏、适用范围广泛、对专业水平需求较低的小型光学检测仪。

(二)技术方案

因此，为实现低浓度样品简单快速的即时检验POCT(Point-of-care Testing)检测，本发明采用电控磁富集-分离结构，结合全内反射磁成像光学检测结构，提出了一种光学检测仪，包括：电控磁富集-分离结构、全内反射磁成像光学检测结构，所述的电控磁富集-分离结构包括：检测芯片、两个电磁线圈，所述的全内反射磁成像光学检测结构包括：光源、检测装置。

其中，两个电磁线圈位于检测芯片的上下两侧，并且两电磁线圈之间的中轴线与检测芯片所在水平面相互垂直；光源发射的入射光线以一定的入射角度入射到检测芯片和上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处，即检测区域；并以相同的角度反射到检测装置，以实现电控双磁场富集-分离功能和全内反射磁成像检测功能的结合。

入射光线的入射角度和检测装置接收反射光线的反射角度随检测芯片材料变化而不同，材料确定，角度固定；入射角度和反射角度范围为：40～75度，其优选角度为：45～66度，用于实现全内反射磁成像。

检测芯片具备微流控结构，微流控结构的中心位置与检测芯片和上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处相互重合，且检测芯片的中心位置优选厚度为：2～8mm，用于实现样品的自驱动进样、流动、停滞。

检测芯片上固定有多种抗体，用于与待测样品的结合和分离。

检测芯片制备材料是透明材料。

两个电磁线圈为小型加强磁柱或磁片，用于加电产生磁场或去电消除磁场。为了实现最小的磁体产生最大的的磁场，小型加强磁柱或磁片具有加强磁性的铁芯或钴镍铁芯，其中优选DT4C铁芯；所述的铁芯或钴镍铁芯的直径2～10mm，优选3～6mm。两个电磁线圈的线圈数为50～800匝，优选150～400匝。

电控磁富集-分离结构还包括：电磁控制电路，所述的电磁控制电路结构用于按照一定的频率给所述两个电磁线圈分别交替加电或断电从而在其之间产生交替磁场。电磁控制电路的加电时间、循环周期、加电强度以及磁粒子分离的最后次停留时间与检测芯片的结构和材料相关。

恒温加热结构，采用恒温加热技术，通过温度传感器和加热片实现反应区域恒温环境，保证检测过程在特定环境进行，消除温度造成的反应差异误差。温度传感器实时获取反应区域温度数据，然后采用PID算法计算出加热片电压输出变化量，并由加热片驱动电路输出调整后的加热电压，实现对区域温度的精确控制。

全内反射磁成像光学检测结构还包括一个封闭的暗盒，所述的暗盒内壁进行涂黑处理，用于排除外界光线干扰。

全内反射磁成像光学检测结构包括：光源控制电路板，所述的光源控制电路板用以控制光源产生入射光线。

光源为LED或激光光源，包括扩束镜和光阑，光源的发散角、光斑等参数可通过准直、光阑等方式来调节，用于形成一束均匀的平行单色光。

检测装置包括：显微镜头或远心镜头、CCD相机或CMOS相机、发光二极管或光电倍增管，用于实现检测成像功能。CCD相机或CMOS相机与所述的显微镜头或远心镜头配合使用，可采用焦平面调节镜进行光程差校正，并且能够用于检测微米尺寸的图像，其中，远心镜头的景深和检测区域的表面积相匹配，用于获取清晰的面阵图像。

采用MATLAB或C等软件实现对图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。

另外，针对上述的光学检测仪，提出了一种光学检测方法，包括：

光源发射入射光线以一定入射角度至检测芯片上的待测样品；同时，电磁控制电路控制检测芯片上下两个电磁线圈在待测样品上产生交替磁场；检测装置接收经过全内反射磁成像的反射光线进行图像拍摄。

(三)有益效果

针对所需要解决的技术问题，本发明采用电控磁富集-分离结构和全内反射磁成像光学检测结构的结合，有效提高了检测仪的反应速度，实现了一步式检测，极大地简化了检测步骤，缩短了检测时间；对专业技术水平的要求也大大降低，扩大了适用范围。

附图说明

图1是本发明的光学检测仪的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的光学检测仪的一个实施例的结合电控磁富集-分离和全内反射磁成像光学检测的关键结构关系示意图；

图3是本发明所述的光学检测方法流程示意简图。

其中，

图1：1-1是检测芯片，1-2是样品池，1-3是检测芯片上的中心通道，1-4是反应池，1-5是上电磁线圈，1-6是下电磁线圈，1-7是光源，1-8是检测装置，1-9是光源控制电路，1-10是电磁控制电路，1-11是恒温加热电路，1-12是主控电路，1-13是指示装置，1-14是上位计算机；

图2：2-1是复合磁微粒子，2-2抗体-复合磁微粒子。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的光学检测仪的一个实施例的结构示意图，如图1所示，该实施例的光学检测仪主要包括以下结构：电控磁富集-分离结构、全内反射磁成像光学检测结构、恒温加热电路1-11、主控电路1-12、指示装置1-13、上位计算机1-14等。

其中，电控磁富集-分离结构包括：检测芯片1-1、上电磁线圈1-5、下电磁线圈1-6、电磁控制电路1-10等，其中检测芯片1-1上具备微流控结构，即样品池1-2、中心通道1-3、反应池1-4(即检测区域)等；全内反射磁成像光学检测结构包括：光源1-7、检测装置1-8、光源控制电路1-9。

图2是本发明的光学检测仪的上述实施例的结合电控磁富集-分离和全内反射磁成像光学检测的关键结构关系示意图，如图2所示，上电磁线圈1-5和下电磁线圈1-6分别位于检测芯片1-1的上下两侧，并且两电磁线圈之间的中轴线与检测芯片1-1所在水平面相互垂直；光源1-7发射的入射光线以一定的入射角度入射到检测芯片1-1和上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处，并以与入射角相等的反射角反射到检测装置1-8，从而实现电控双磁场富集-分离功能和全内反射磁成像检测功能的结合。

检测芯片1-1内部固定有多种抗体，用于与待测样品的结合和分离；另外其制备材料是高透明的塑料材料、玻璃、水晶材料等，入射到检测芯片1-1上的入射光线入射角度和相应反射角度在40～75度之间，过大的角度会使得阵列严重变形。另外，检测芯片具备微流控结构，微流控结构的中心位置与检测芯片和上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处相互重合，且检测芯片的中心位置优选厚度为：2～8mm，用于实现样品的自驱动进样、流动、停滞。

所述的电控磁富集-分离结构是通过电磁控制电路1-10按照一定的频率分别给放置在检测芯片1-1上下两侧的上电磁线圈1-5、下电磁线圈1-6交替加电/断电产生交替的磁场，实现对检测芯片1-1上磁粒子的双向分离和富集。

其中上电磁线圈1-5和下电磁线圈1-6为两个小型的加强磁柱或磁片，为了实现最小的磁体产生最大的的磁场，具有加强磁性的铁芯或者钴镍铁芯，铁芯或钴镍铁芯的直径2～10mm，优选3～6mm，优选DT4C铁芯。上电磁线圈1-5、下电磁线圈1-6的线圈数均为50～800匝，优选150～400匝。

电磁控制电路1-10加电时间范围：0.1～30秒；循环周期为；0～100个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间：0.5-100s。电磁控制电路1-10加电的强度可以调整：0.1～50V。其中优选：加电时间范围：2～10秒；循环周期为；5～20个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间：5-20s。

恒温加热系统包括：恒温加热电路1-11，采用恒温加热技术，通过温度传感器和加热片实现反应区域37℃恒温环境，保证检测过程在特定温度环境下进行，消除温度造成的反应差异误差。温度传感器实时获取反应区域温度数据，然后采用PID算法计算出加热片电压输出变化量，并由加热片驱动电路输出调整后的加热电压，实现对区域温度的精确控制。

全内反射磁成像光学检测结构采用暗盒进行封闭，暗盒进行内壁发黑处理，以消除杂散光干扰，入射角度和接受光路的角度随芯片材料变化而不同，材料确定，角度固定。

另外，该实施例整体采用全内反射磁成像检测技术，其中包括光源控制电路1-9、光源1-7，其中光源控制电路1-9可以对入射光线的强度进行设定，其中电流调整范围0～1mA。通过按键输入或上位计算机1-14由RS485接口修改光源电流数值，进而改变光源的入射光亮度。

光源1-7为LED或者激光光源，包括扩束镜、光阑等，光源的发散角、光斑等参数可通过准直、光阑等方式来调节，形成一束均匀的红色平行光，波长优选600～650nm。

检测装置1-8包括：CCD相机或CMOS相机、发光二极管或光电倍增管、以及和显微镜头或远心镜头等进行光学图像检测。其中优选CCD相机和CMOS相机，CCD相机和CMOS相机的像素在100万像素以上；可采用焦平面调节镜进行光程差校正，需要配合远心镜头等进行图像的拍摄，光学采集速率和分辨率达到可检测微米尺寸的图像。

最后，检测装置1-8利用上位计算机1-14的MATLAB等图像识别软件实现对检测图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。

以上为本发明所提出的电控磁富集-分离结构和全内反射磁成像光学检测结构结合的光学检测仪具体实施例。另外，本发明基于上述的光学检测仪提出了一种结合了电控磁富集-分离技术和全内反射磁成像光学检测技术的光学检测方法，包括：

步骤1：检测时，加入芯片，预热仪器，设置磁场和光源的合适数值；

步骤2：加入样品，仪器自动开始进入检测模式，检测完毕；

步骤3：图像拍摄，软件识别图像，并根据预标定值，计算出样品中的待测物浓度，显示数值。

为作进一步的详细说明，以检测尿微量白蛋白(mAlb)浓度为例，结合图3，对本发明所述的检测方法的具体实施例做更详尽地说明，包括：

S1：打开光学检测仪开机接通电源，通过按键输入仪器选项值，预热自启动，完成光学检测仪自检工作，包括电磁控制电路1-10控制两个电磁线圈进行磁场驱动扫描、光源控制电路1-9控制光源1-7进行亮度校准、恒温加热电路1-11控制检测区域恒温自检、指示装置1-13显示、主控电路1-12、上位计算机1-14以及检测装置1-8完成参数设定等准备工作；

S2：将检测芯片1-1放置到光学检测仪的芯片托架上，恒温加热电路1-11控制加热片将检测芯片1-1升温至37℃，滴加尿微量白蛋样品(mAlb)1滴至检测芯片1-1样品池，在虹吸和亲水效应作用下样品经微流控结构的中心通道1-3进入反应池，实现微流控自动进样；

S3：反应池1-4中的样品与抗mAlb纳米磁粒子发生结合反应，形成mAlb-抗mAlb纳米复合磁粒子，即复合磁微粒子2-1。检测芯片中心通道下具备光学探测器，样品通过时捕捉光信号变化并触发检测，实现自动检测；

S4：启动检测后，电磁控制电路1-10控制上下两个电磁线圈交替加电或去电，在检测区域上形成方向垂直上下、交替变换的磁场；在变换磁场的作用下，抗mAlb纳米磁粒子在反应池1-4中上下运动，增加了与样品中mAlb的接触率，提高了反应结合速度，进而缩短了反应时间。

S5：复合磁微粒子2-1受到交替的磁场作用，会碰撞到反应池1-4底部，与固定在反应池1-4底部的配对抗体相结合，形成抗体-mAlb-抗mAlb-纳米复合磁粒子，即抗体-复合磁微粒子2-2，从而使其固定在反应池1-4底部的内表面上。反应三分钟后，抗体-复合磁微粒子2-2被固定在反应池底部，数量趋于稳定，停止变换磁场方向，上电磁线圈1-5保持加电，使得磁场方向维持相上。在向上的磁场作用下，多余的未被固定的抗mAlb-纳米磁粒子将被吸至反应池上侧；与待测物结合的抗体-复合磁微粒子2-2通过双抗结合作用固定在反应池1-4下侧，其密度与待测物的浓度成正比。

S6：由于抗体-复合磁微粒子2-2固定在反应池1-4底部内表面，将破坏检测芯片1-1的反应池底部全内反射界面；此时，通过激光光源1-7的发射单色平行红色入射光线以62度角度入射到反应池1-4底部的界面发生全反射，此时由于反应池底部吸附了抗体-复合磁微粒子2-2，反射光将被削弱，反射光强与固定复合物的数量存在反比关系。

S7：通过主控电路1-12控制检测装置1-8采用CCD相机开启图像采集，捕捉拍摄反应池1-4底部的检测区域中全内反射图像，并发送至上位计算机1-14进行软件识别和分析，获得反射光强信息，通过进一步计算得出样品中mAlb的浓度，并显示检测结果。

以上为本发明针对前述的光线检测仪所提出的检测方法具体实施例，其中，优选实施例只是为了说明的目的，而不是对本发明的限制。因此，在所附权利要求书的范围内，本发明可以有不是上述的其它实现方式。在上述说明的基础上可以对本发明作许多改进和改变：

1)检测芯片的材料、磁线圈的外观种类、光学器件的种类、不同的光路制备方式等；

2)待测的样品可以使全血、血浆、血清、尿液、唾液、体液等等；

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种光学检测仪，包括光学检测结构，其用于对待测样品进行光学检测，其特征在于，

还包括电控磁富集-分离结构，其用于对待测样品中的复合磁微粒子进行富集和分离。

2.如权利要求1所述的光学检测仪，其特征在于，

所述的电控磁富集-分离结构包括检测芯片和两个电磁线圈，所述的两个电磁线圈位于所述检测芯片的上下两侧，并且所述两电磁线圈之间的中轴线与所述检测芯片所在水平面相互垂直；

所述光学检测结构包括光源和检测装置，光源发射的入射光线以一定的入射角度入射到所述检测芯片和所述上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处，即检测区域，并反射到所述检测装置。

3.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的入射光线的入射角度和检测装置接收反射光线的反射角度为40～75度。

4.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的检测芯片具备微流控结构，所述微流控结构的中心位置与所述检测芯片和所述上下两个电磁线圈之间中轴线的交汇处相互重合。

5.根据权利要求4所述的光学检测仪，其特征在于，所述的检测芯片制备材料是透明材料。

6.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的两个电磁线圈为小型加强磁柱或磁片。

7.根据权利要求6所述的光学检测仪，其特征在于，所述的小型加强磁柱或磁片具有加强磁性的铁芯或钴镍铁芯。

8.根据权利要求6所述的光学检测仪，其特征在于，所述的两个电磁线圈的线圈数为50～800匝。

9.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的电控磁富集-分离结构还包括：电磁控制电路，所述的电磁控制电路结构用于按照一定的频率给所述两个电磁线圈分别交替加电或断电从而在其之间产生交替磁场。

10.根据权利要求1所述的光学检测仪，其特征在于，还包括恒温加热结构，用于实现检测区域的恒温环境。

11.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的光学检测结构还包括一个封闭的暗盒，所述的暗盒内壁进行涂黑处理，用于排除外界光线干扰。

12.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的光学检测结构还包括光源控制电路板，用于控制光源产生入射光线。

13.根据权利要求12所述的光学检测仪，其特征在于，所述的光源为LED或激光光源。

14.根据权利要求2所述的光学检测仪，其特征在于，所述的检测装置为显微镜头、远心镜头、CCD相机或CMOS相机、发光二极管或光电倍增管。

15.根据权利要求14所述的光学检测仪，其特征在于，所述的CCD相机或CMOS相机与所述的显微镜头或远心镜头配合使用，并且用于检测微米尺寸的图像。

16.根据权利要求15所述的光学检测仪，其特征在于，所述的远心镜头的景深和检测区域的表面积相匹配，用于获取清晰的面阵图像。

17.一种光学检测方法，基于权利要求1-16中任一项所述的光学检测仪，所述方法包括：

所述的光源发射入射光线以一定入射角度至检测芯片上的待测样品；

电磁控制电路控制检测芯片上下两个电磁线圈在待测样品上产生交替磁场；

检测装置接收经过反射的反射光线进行图像拍摄。