CN107255710B - 多通道微流控荧光检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道微流控荧光检测装置和方法。该荧光检测装置包括光源、微流控芯片及光电薄膜晶体管。光电薄膜晶体管具有多个检测阵列，每个所述检测阵列具有多个由顶栅极、漏极、底栅极和源极构成的双栅极光电薄膜晶体管，且每个检测阵列中的多个双栅极光电薄膜晶体管呈阵列分布。该荧光检测装置和方法采用双栅极光电薄膜晶体管，并将其和多通道微流控芯片集成，形成集成化和微型化的多通道的微流控荧光采集系统进行荧光信号收集和检测，具有较高的光灵敏度和光电导增益，非常适用于荧光检测，而且其制备难度和成本较低、功耗小、集成度高，适用于大面积制作，实现阵列化。

Description

多通道微流控荧光检测装置和方法

技术领域

本发明涉及微流控荧光检测技术领域，尤其是涉及一种多通道微流控荧光检测装置和方法。

背景技术

目前微流控芯片在生物研究、药物检测、食品安全和化学分析领域得到广泛应用。在微流控芯片平台上，诱导荧光检测法以其成熟的技术以及极高的灵敏度，成为主流的检测手段之一。传统的广泛用于微流控荧光检测的光电传感器，主要有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管等，然而，它们均各自在制备成本、功耗、光电增益、与微流控芯片集成难度、多通道检测适应度等方面具有一定的局限性。因此，微流控荧光检测技术的发展，亟需一种制备难度及成本较低、功耗小、光电增益较高、易于与微流控芯片集成、且具有发展成多通道荧光检测器之潜力的光电探测器，并以此为基础，设计及制备集成化及微型化的多通道微流控荧光检测系统，以在微流控系统上，同时对多种不同物质或者同种物质的不同浓度进行荧光检测，实现高通量和高效的荧光采集。

发明内容

基于此，有必要提供一种结构简单、集成度高的多通道微流控荧光检测装置和方法。

一种多通道微流控荧光检测装置，包括光源、微流控芯片及光电薄膜晶体管，所述光源与所述光电薄膜晶体管分别位于所述微流控芯片的两侧；其中，所述微流控芯片具有多个待测微流控通道；所述光源为光源阵列；所述光电薄膜晶体管具有多个检测阵列，每个所述检测阵列对应一个所述待测微流控通道，每个所述检测阵列具有多个由顶栅极、漏极、底栅极和源极构成的双栅极光电薄膜晶体管，且每个检测阵列中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管呈阵列分布。

在其中一个实施例中，整个所述光电薄膜晶体管中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管为并联结构。

在其中一个实施例中，每个所述检测阵列中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管的源极短接。

在其中一个实施例中，多个所述检测阵列中的顶栅极、漏极和底栅极分别短接。

在其中一个实施例中，相邻的所述检测阵列之间设有隔光板。

在其中一个实施例中，所述多通道微流控荧光检测装置还包括位于所述光源与所述微流控芯片之间的第一带通滤光片。

在其中一个实施例中，所述多通道微流控荧光检测装置还包括位于所述微流控芯片与所述光电薄膜晶体管之间的第二带通滤光片。

在其中一个实施例中，所述多通道微流控荧光检测装置还包括与所述源极电连接的信号处理电路。

一种多通道微流控荧光检测方法，使用上述任一实施例所述的多通道微流控荧光检测装置，所述多通道微流控荧光检测方法包括如下步骤：

打开所述双栅极光电薄膜晶体管的漏极、顶栅极和底栅极的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区，开启所述LED阵列光源，记录源极输出电流I_DS，进行数据处理，得到结果。

在其中一个实施例中，所述多通道微流控荧光检测方法还包括如下建立源极输出电流I_DS与不同的物质或者同种物质的不同浓度对应关系的步骤：

打开所述双栅极光电薄膜晶体管的漏极、顶栅极和底栅极的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区，开启所述LED阵列光源，记录没有注入待测溶液时的源极输出电流I_DS作为参考背景；

在使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区时，在不同的待测微流控通道中注入不同的物质或者同种物质的不同浓度的溶液，在LED阵列光源的激发下，产生荧光，与不同待测微流控通道对应的双栅极光电薄膜晶体管采集对应的荧光，记录各检测阵列的源极输出电流I_DS，用该数据减去参考背景的数据，得到数据即双栅极光电薄膜晶体管对微流控芯片上不同待测微流控通道中溶液的荧光采集的结果，根据该结果与不同物质或同种物质的不同浓度之间建立对应关系。

上述多通道微流控荧光检测装置和方法采用双栅极光电薄膜晶体管进行荧光信号收集和检测，具有较高的光灵敏度和光电导增益，非常适用于荧光检测，而且其制备难度和成本较低、功耗小、集成度高，适用于大面积制作，实现阵列化。上述阵列式分布的双栅极光电薄膜晶体管作为荧光检测器，将其和多通道微流控芯片集成，形成集成化和微型化的多通道的微流控荧光采集系统，实用性强、应用范围广。

附图说明

图1为一实施方式的多通道微流控荧光检测装置的结构示意图；

图2为图1中光电薄膜晶体管的结构示意图；

图3为实施例部分使用光谱仪替代双栅极光电薄膜晶体管进行荧光检测得到的结果曲线；

图4为使用图1所示多通道微流控荧光检测装置检测得到的结果曲线。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。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，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请结合图1和图2，一实施方式的多通道微流控荧光检测装置10包括光源100、微流控芯片200及光电薄膜晶体管300。光源100与光电薄膜晶体管300分别位于微流控芯片200的两侧。

在本实施方式中，光源100具有LED阵列光源。LED阵列光源作为荧光诱导光源。

微流控芯片200具有多个待测微流控通道210。该多个待测微流控通道210可以形成微通道阵列。待测微流控通道210用于供待测溶液注入。LED阵列光源与多个待测微流控通道210对应，待测微流控通道210内的待测溶液会被荧光诱导光源的光激发，产生激发荧光。

光电薄膜晶体管300具有多个检测阵列302。每个检测阵列302对应一个待测微流控通道210，用于收集各待测微流控通道210产生的激光荧光。每个检测阵列302具有由顶栅极310、漏极320、底栅极330和源极340构成的双栅极光电薄膜晶体管350。由于激发荧光的光强度一般都比较弱，而且往往都是发散的，因而每个检测阵列302中具有多个双栅极光电薄膜晶体管350，且多个双栅极光电薄膜晶体管350呈阵列分布，以便增加感光面积，充分采集荧光信号。顶栅极310用于吸收光子，顶栅极310、漏极320和底栅极330的输入电压V_TG、V_D和V_BG作为驱动和调节器件工作的偏置电压。源极340作为输出端，输出电流I_DS。

双栅极光电薄膜晶体管350四种工作状态，分别是截止区、亚阈值区、线性区和饱和区，当在亚阈值区时光的灵敏度最强，可以通过调节偏置电压，使器件工作出于亚阈值区。分别给漏极320、顶栅极310和底栅极330加偏压V_D、V_TG和V_BG，可以通过调节三个偏压使所双栅极光电薄膜晶体管350阵列工作在亚阈值区，此时器件对光灵敏度最强。当检测阵列302中双栅极光电薄膜晶体管350采集到荧光时，源极340会输出电流信号。

在一个实施例中，整个光电薄膜晶体管300中的多个双栅极光电薄膜晶体管350为并联结构。进一步，在其中一个实施例中，每个检测阵列302中的多个双栅极光电薄膜晶体管350的源极340短接，因而每一个检测阵列302只有一个源极340输出，通过该源极汇总各双栅极光电薄膜晶体管350源极产生的电流信号。更进一步，在另一个实施例中，多个检测阵列302中的顶栅极310、漏极320和底栅极330分别短接。通过将多个双栅极光电薄膜晶体管350为并联结构，每个检测阵列302中的多个双栅极光电薄膜晶体管350的源极340短接，且多个检测阵列302中的顶栅极310、漏极320和底栅极330分别短接，可以简化光电薄膜晶体管300的电路结构，更易于大面积制作。

在一个实施例中，相邻的检测阵列302之间设有隔光板360。隔光板360由不透光的材料制作而成，以防止临近的检测阵列302之间发生荧光干扰。

在一个实施例中，多通道微流控荧光检测装置10还包括位于光源100与微流控芯片200之间的第一带通滤光片400。更进一步，在另一个实施例中，该多通道微流控荧光检测装置10还包括位于微流控芯片与200光电薄膜晶体管300之间的第二带通滤光片500。多通道微流控荧光检测装置10最顶层为LED阵列光源，作为荧光诱导光源，通过第一带通滤光片400滤除LED光源的杂光，保证LED光处于特定的波段，排除其他波段光的影响，下面微流控芯片200，用于供待测物质注入待测微流控通道210中，由滤除杂光后的LED光诱导激发产生荧光，经过第二带通滤光片500，滤除LED光源波段的光，最后荧光照射到底层的光电薄膜晶体管300上，被检测采集。

在一个实施例中，多通道微流控荧光检测装置10还包括与源极340电连接的信号处理电路(图未示)。信号处理电路中设有信号放大器、滤波器及模数转换器等元件。由于源极340输出的电流信号一般比较微小，通过设置信号处理电路对输出的多路的电流信号分别进行放大、滤波和模数转换等处理，可以更为精确地得出最终的数据。

本实施方式还提供了一种多通道微流控荧光检测方法，其使用上述任一实施例的多通道微流控荧光检测装置10，该多通道微流控荧光检测方法包括如下步骤：打开双栅极光电薄膜晶体管350的漏极320、顶栅极310和底栅极330的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管350处于亚阈值区，开启LED阵列光源，记录源极输出电流I_DS，进行数据处理，得到结果。

在一个实施例中，改多通道微流控荧光检测方法还包括如下建立源极输出电流I_DS与物质或浓度对应关系的步骤：

打开双栅极光电薄膜晶体管350的漏极320、顶栅极310和底栅极320的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管350处于亚阈值区，开启LED阵列光源，记录没有注入待测溶液时的源极输出电流I_DS作为参考背景；

在使双栅极光电薄膜晶体管350处于亚阈值区时，在不同的待测微流控通道210中注入不同的物质或者同种物质的不同浓度的溶液，在LED阵列光源的激发下，产生荧光，与不同待测微流控通道210对应的双栅极光电薄膜晶体管350采集对应的荧光，记录各检测阵列的源极输出电流I_DS，用该数据减去参考背景的数据，得到数据即双栅极光电薄膜晶体管350对微流控芯片200上不同待测微流控通道210中溶液的荧光采集的结果，根据该结果与不同物质或同种物质的不同浓度之间建立对应关系。

上述多通道微流控荧光检测装置10和方法采用双栅极光电薄膜晶体管350进行荧光信号收集和检测，具有较高的光灵敏度和光电导增益，非常适用于荧光检测，而且其制备难度和成本较低、功耗小、集成度高，适用于大面积制作，实现阵列化。上述阵列式分布的双栅极光电薄膜晶体管350作为荧光检测器，将其和多通道微流控芯片200集成，形成集成化和微型化的多通道的微流控荧光采集系统，实用性强、应用范围广。

以下为具体实施例部分，其使用如图1和图2所示的多通道微流控荧光检测装置10。

多数物质可以吸收一定波长的光，并发射比吸收光波长更高的光(激发荧光)，且在其它条件一致情况下，所发出的激发荧光的照度与生物化学物质浓度成正相关关系。因此可以利用荧光现象，对这一类物质的浓度含量进行检测。

一、装置及待测溶液设计

光源波长为405nm的LED阵列光源。

第一带通滤光片：中心波长405nm，半波长5nm。

微流控芯片的待测微流控通道中注入含有荧光素的量子点溶液，浓度分别为0mg/mL、0.05mg/mL、0.1mg/mL、0.2mg/mL、0.3mg/mL以及0.5mg/mL，其中0mg/mL即微流控通道中不注入任何溶液测得数据，即参考背景。量子点溶液由于其激发的荧光具有稳定性高、寿命长等优点，常常被用于荧光标记的应用中，所以实验中选用的量子点溶液具有一定的实际意义，其在405nm的LED光的激发下，会产生470nm的荧光。

第二带通滤光片：中心波长470nm，半波长15nm。

光电薄膜晶体管中的每个检测阵列中双栅极光电薄膜晶体管为两个2×2的阵列。

信号处理电路：进行多路信号读出，可以对双栅极光电薄膜晶体管输出的多路微小电流同时进行放大、滤波、模数转化等处理，最终得到对应的数字信号。

二、实验数据和分析

(1).先用光谱仪替代图1和图2中的光电薄膜晶体管，在微流控芯片中注入浓度分别为0mg/mL、0.05mg/mL、0.1mg/mL、0.2mg/mL、0.3mg/mL以及0.5mg/mL的量子点溶液，用同样强度的LED光照射，测得在该系统下，量子点溶液激发产生的荧光辐照度随溶液浓度的变化曲线，如图3所示。

从图3可以看到，随着量子的浓度的变化，荧光的辐照度几乎成线性增长。

(2).在同(1)相同条件下，同样在微流控芯片中注入浓度分别为0mg/mL、0.05mg/mL、0.1mg/mL、0.2mg/mL、0.3mg/mL以及0.5mg/mL的量子点溶液，用两个通道双栅极光电薄膜晶体管阵列同时对它们的荧光进行采集，利用多路信号读出系统得到不同浓度下的输出数据，将输出数据进行处理，减去参考背景即0mg/mL时的输出数据，此时得到的数据输出数据，为多通道微流控荧光检测装置10采集荧光增加的数据，最终可以分别得到两个通道的输出增量随量子点浓度的变化曲线，如图4所示。

从图4可以看出，随着量子点溶度的不断增大，输出增量也就越来越大，也就意味着，阵列式的双栅极光电薄膜晶体管采集到的荧光光强也越来越大，这种变化趋势同之前用光谱仪测得变化趋势是一样的，但是由于双栅极光电薄膜晶体管的输出电流并不会随着光照的变化成线性变化，所以输出增量随量子点溶度变化也不会是线性的，所以数据结果符合预期，也就证明阵列式的双栅极光电薄膜晶体管可以实现对多通道微流控的荧光采集。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，包括光源、微流控芯片及光电薄膜晶体管，所述光源与所述光电薄膜晶体管分别位于所述微流控芯片的两侧；其中，所述微流控芯片具有多个待测微流控通道；所述光源为光源阵列；所述光电薄膜晶体管具有多个检测阵列，每个所述检测阵列对应一个所述待测微流控通道，每个所述检测阵列具有多个由顶栅极、漏极、底栅极和源极构成的双栅极光电薄膜晶体管，且每个检测阵列中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管呈阵列分布；整个所述光电薄膜晶体管中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管为并联结构，每个所述检测阵列中的多个所述双栅极光电薄膜晶体管的源极短接，多个所述检测阵列中的顶栅极、漏极和底栅极分别短接。

2.如权利要求1所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，所述光电薄膜晶体管中的每个所述检测阵列中双栅极光电薄膜晶体管为两个2×2的阵列。

3.如权利要求2所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，所述光源为波长为405nm的LED阵列光源。

4.如权利要求1所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，相邻的所述检测阵列之间设有隔光板。

5.如权利要求1～4中任一项所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，还包括位于所述光源与所述微流控芯片之间的第一带通滤光片。

6.如权利要求1～4中任一项所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，还包括位于所述微流控芯片与所述光电薄膜晶体管之间的第二带通滤光片。

7.如权利要求1～4中任一项所述的多通道微流控荧光检测装置，其特征在于，还包括与所述源极电连接的信号处理电路。

8.一种多通道微流控荧光检测方法，其特征在于，使用如权利要求1～7中任一项所述的多通道微流控荧光检测装置，所述多通道微流控荧光检测方法包括如下步骤：

打开所述双栅极光电薄膜晶体管的漏极、顶栅极和底栅极的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区，开启LED阵列光源，记录源极输出电流I_DS，进行数据处理，得到结果。

9.如权利要求8所述的多通道微流控荧光检测方法，其特征在于，还包括如下建立源极输出电流I_DS与不同的物质或者同种物质的不同浓度对应关系的步骤：

打开所述双栅极光电薄膜晶体管的漏极、顶栅极和底栅极的偏压V_D、V_TG和V_BG，使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区，开启所述LED阵列光源，记录没有注入待测溶液时的源极输出电流I_DS作为参考背景；

在使双栅极光电薄膜晶体管处于亚阈值区时，在不同的待测微流控通道中注入不同的物质或者同种物质的不同浓度的溶液，在LED阵列光源的激发下，产生荧光，与不同待测微流控通道对应的双栅极光电薄膜晶体管采集对应的荧光，记录各检测阵列的源极输出电流I_DS，用该数据减去参考背景的数据，得到数据即双栅极光电薄膜晶体管对微流控芯片上不同待测微流控通道中溶液的荧光采集的结果，根据该结果与不同物质或同种物质的不同浓度之间建立对应关系。