CN107831205A - 微流控电泳装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控电泳装置，包括控制装置，控制装置包括：微处理器；与微处理器连接的低压控制模块；与低压控制模块连接的高压模块；与微处理器和高压模块连接的电压检测模块；微处理器发出电压控制信号用于控制低压控制模块输出低电压，高压模块根据低电压线性输出高电压；电压检测模块对高压模块的输出电压进行转换得到电压检测信号；微处理器根据电压检测信号计算高压模块的输出电压。上述的微流控电泳装置，以低压控制高压的方式实现高压控制，实现精确控制。通过微处理器、低压控制模块、高压模块和电压检测模块形成闭环系统增加系统的稳定性，高压输出的同时，电压检测开始工作，实时反馈即时电压，以保证输出稳定不受影响。

Description

微流控电泳装置

技术领域

本发明涉及电泳分析设备技术领域，特别是涉及一种微流控电泳装置。

背景技术

微流控技术可以通过精确控制微尺度的液体流动来完成一系列的检测、分析过程。微流控电泳设备正在逐步微型化，在生物医学、环境检测和保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂等方面有广大的应用前景。但是目前市面上的微流控电泳装置还有很多不足，例如，长时间工作输出不稳定。

发明内容

基于此，有必要针对输出不稳定的问题，提供一种输出稳定的微流控电泳装置。

一种微流控电泳装置，包括控制装置，所述控制装置包括：

微处理器；

与所述微处理器连接的低压控制模块；

与所述低压控制模块连接的高压模块；

与所述微处理器和所述高压模块连接的电压检测模块；

所述微处理器发出电压控制信号用于控制低压控制模块输出低电压，所述高压模块根据所述低电压线性输出高电压；所述电压检测模块对所述高压模块的输出电压进行转换得到电压检测信号；所述微处理器根据所述电压检测信号计算所述高压模块的输出电压。

在其中一个实施例中，所述低压控制模块包括依次连接的基准电源、数模转换器和滤波电路；所述数模转换器与所述微处理器连接；所述滤波电路与所述高压模块连接；

所述基准电源用于输出基准电压至所述数模转换器；所述数模转换器根据所述基准电压对所述微处理器发送的所述电压控制信号进行转换得到模拟输出电压，所述模拟输出电压经所述滤波电路处理后输出低电压至所述高压模块。

在其中一个实施例中，微流控电泳装置还包括：光学检测系统，

所述光学检测系统包括：

底座、

固定在所述底座上的对焦装置；

固定在所述对焦装置上实现光现光学检测的光机主体；

位于所述光机主体上方、用于待测样品固定的芯片平台；

所述控制装置与所述对焦装置和所述光机主体连接；

所述控制装置还用于控制所述对焦装置带动所述光机主体在第一方向移动，并采集发射光经待测样品的第一系列位移-光强光谱图，根据所述第一系列位移-光强光谱图在第一方向聚焦；还控制所述对焦装置带动所述光机主体在第二方向移动，并采集发射光经待测样品的第二系列位移-光强光谱图，并根据所述第二系列位移-光强光谱图在第二方向聚焦，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在其中一个实施例中，所述对焦装置包括设置在第一方向的第一导轨、设置第二方向的第二导轨、与所述第一导轨和所述第二导轨连接的移动平台、带动所述移动平台在所述第一导轨上移动的第一驱动装置和带动所述移动平台在所述第二导轨上移动的第二驱动装置，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置与所述控制装置连接，所述光机主体固定在所述移动平台上。

在其中一个实施例中，所述对焦装置还包括用于限位及复位的双光电门。

在其中一个实施例中，所述光机主体单通道采集或多通道采集的光机主体。

在其中一个实施例中，所述光机主体为采用双通道采集的光机主体，所述光机主体设置有用于安装物镜的物镜装配通道、用于安装二向色镜的二向色镜装配位、用于安装PD套筒装配体的PD套筒装配位，以及用于安装LD套筒装配体的LD套筒装配位。

在其中一个实施例中，所述LD套筒装配体或PD套筒装配体包括：筒体、设置在筒体一端的光源或信号采集模块、设置在筒体另一端的透镜装配位和滤光片装配位。

在其中一个实施例中，所述移动平台根据设置的参数进行移动，所述参数包括电流环、速度环和位移环。

在其中一个实施例中，所述控制装置还包括与所述高压模块和所述微处理器连接的继电器阵列模块，用于根据所述微处理器和所述高压模块进行输出。

上述的微流控电泳装置，以低压控制高压的方式实现高压控制，通过微处理器、低压控制模块、高压模块和电压检测模块形成闭环系统增加系统的稳定性。

附图说明

图1为一个实施例的微流控电泳装置的控制装置的结构示意图；

图2为另一个实施例的微流控电泳装置的控制装置的结构示意图；

图3为一个实施例的微流控电泳装置的光学检测系统的结构示意图；

图4为一个实施例的对焦装置和光机主体的装配示意图；

图5为一个实施实施例的对焦过程说明示意图；

图6为一个实施例的传统光路与共焦光路的比较示意图；

图7为一个实施例的光聚焦双通路的示意图；

图8为一个实施例的共聚焦多通路光路的示意图；

图9为一个实施例的光机主体的结构示意图；

图10为一个实施例的套筒装配体的结构示意图；

图11为另一个实施例的套筒装配体的结构示意图。

具体实施方式

图1为一个实施例的微流控电泳装置的控制装置的结构示意图。如图1所示，所述控制装置包括：微处理器101，与所述微处理器连接的低压控制模块102，与所述低压控制模块连接的高压模块103，与所述微处理器和所述高压模块连接的电压检测模块104。

所述微处理器101发出电压控制信号用于控制低压控制模块102输出低电压，所述高压模块103根据所述低电压线性输出高电压；所述电压检测模块104对所述高压模块103的输出电压进行转换得到电压检测信号；所述微处理器101根据所述电压检测信号计算所述高压模块的输出电压。

具体地，微处理器101控制低压控制模块102输出0～5V的电压控制高压模块103线性输出0～2000V的电压，例如低压控制模块102输出1V至高压模块，那么高压模块103输出400V。电压检测模块104将高压模块输出的高压(比如400V)转换成相应的电压检测信号送到微处理器101处理，微处理器101通过计算得出高压模块103实际的输出电压(例如400V，是理论上的400V，实际上高压模块103的输出没有电压检测模块检测输出值，则操作人员不知道高压模块实际输出多少)。电压检测模块104就是检测高压模块103实际输出电压值，并且微处理器101、低压控制模块102、高压模块103和电压检测模块104形成闭环系统增加系统的稳定性。

电压检测模块104的电压检测信号通过高精度高压电阻对高压分压得到的小电压信号得到。

上述的微流控电泳装置，以低压控制高压的方式实现高压控制，实现精确控制。通过微处理器、低压控制模块、高压模块和电压检测模块形成闭环系统增加系统的稳定性，高压输出的同时，电压检测开始工作，实时反馈即时电压。自带电压检测能保证电路即使长时间工作，也可以保证输出稳定不受影响。

另一个实施例的微流控电泳装置的控制装置的结构示意图如图2所示，在该实施例中，所述低压控制模块包括依次连接的基准电源1021、数模转换器1022和滤波电路1023。所述数模转换器1022与所述微处理器101连接，所述滤波电路1023与所述高压模块103连接。

所述基准电源1021用于输出基准电压至所述数模转换器1022，所述数模转换器1022根据所述基准电压对所述微处理器101发送的所述电压控制信号进行转换得到模拟输出电压，所述模拟输出电压经所述滤波电路1023处理后输出低电压至所述高压模块103。

具体地，数模转换器是16位高性能转换芯片。基准电压的不稳定会导致芯片输出电压不稳定，基准电压由高精度、低噪声的电压转换芯片低噪声的基准电压源ADR445提供，将接收的12V电压转换为5V电压后输出，为数模转换器提供稳定准确的基准电压。

本实施例中，所述的高压模块103，采用16位数模转换芯片，并为芯片提供独立电源，有效提高了低压转换的精度；高压模块分离开来可以独立形成设备，提供0～2000V高压。

在本实施例中，采用高精度高压电阻将高压输出采集下来后经过仪表放大器放大后送到模数转换器处理，有效的减少元器件对信号产生的误差；加入电压、电流反馈，可以有效的监控电压，以及断路故障排除；并以机械逻辑控制的方式避免高压短路危险。

在再一个实施例中，请继续参阅图2，控制装置还包括与所述微处理器101连接的输入单元105，用于接收用户输入信号。

在又一个实施例中，控制装置还包括与所述微处理器101连接的显示单元106，用于显示检测结果等。

在再一个实施例中，控制装置还包括与所述高压模块和所述微处理器连接的继电器阵列模块107，用于根据所述微处理器和所述高压模块进行输出。

在又一个实施例中，微流控电泳装置还包括能够自动对焦的光学检测系统。

如图3所示，以二维移动平台为例结合光机系统形成微流控电泳装置的光学检测系统包括底座10、固定在底座10上的对焦装置40，固定在对焦装置40上实现光现光学检测的光机主体30；位于光机主体30上方、用于待测样品固定的芯片平台20；以及与对焦装置40和光机主体30连接的控制装置(图未示)。

其中，光机主体是微流控电泳装置的光学信号检测结构，光学检测系统在进行检测之前会通过自动对焦系统进行对焦定位。控制装置是与对焦装置40和光机主体30连接的电路板，该控制装置集成了驱动控制功能和信号采集功能，与对焦装置40和光机主体连接。待测样品放置于芯片平台20上。

具体地，控制装置控制对焦装置40带动光机主体30在第一方向移动，并采集发射光经待测样品的第一系列位移-光强光谱图，根据第一系列位移-光强光谱图在第一方向聚焦；还控制对焦装置40带动光机主体30在第二方向移动，并采集发射光经待测样品的第二系列位移-光强光谱图，并根据第二系列位移-光强光谱图在第二方向聚焦，第一方向与第二方向垂直，从而实现自动对焦。具体地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向。

上述的微流控电泳装置的光学检测系统，利用控制装装置控制对焦装置和光机主体实现自动对焦，无需人工操作中，不受操作人员经验的限制，可操作性强。

图4为一个实施例的对焦装置和光机主体的装配示意图。如图4所示，对焦装置包括设置在第一方向的第一导轨404、设置第二方向的第二导轨403、与第一导轨和第二导轨连接的移动平台405、带动移动平台在第一导轨404上移动的第一驱动装置401和带动移动平台405在第二导轨403上移动的第二驱动装置402，第一驱动装置401和第二驱动装置404与控制装置连接，光机主体30固定在移动平台405上。

具体地，第一驱动装置401和第二驱动装置402为步进电机，第一导轨404和第二导轨403为丝杆导轨，在水平方向和竖直方向分别与光机主机30连接，在控制装置的控制作用下，驱动移动平台405在第一方向和第二方向移动，移动平台405带动光机主体30在第一方向和第二方向移动。

在一个实施例中，对焦装置40还包括用于限位及复位的双光电门。具体地，包括位于第一方向的第一光电门(图未示)和位于第二方向的第二光电门(图未示)。通过导轨以及光电门实现自动对焦控制。具体地，第一驱动装置401和第二驱动装置402带动光机主体30沿第一导轨403和第二导轨404移动。对焦装置上还设置有第一方向的第一光电门以及第二方向的第二光电门。对焦开始时，系统会自动检查是否复位返回光第一光电门，然后通过电机带动光机系统行进，在导轨中移动，采集第一系列的位移-光强光谱图，如图5所示，然后自动寻峰，返回到峰值对应的位移处，实现水平方向的对焦。然后，通过第二步进电机402驱动光机系统由第一光电门行进到第二光电门，采集第二系列的位移-光强光谱图，再次进行寻峰，并返回峰值对应的位移处，实现竖直方向的对焦。至此，即可开始实施光学检测过程。实现高度自动化，具有非常高的精确度，展示案例精度高达2μm，该精度与电机选型、丝杆精度，以及电路细分设置有关，可以根据要求设置更高或较低的精度。在本实施例中，换样品之后需要复位并重新开始自动对焦定位，保证每次检测结果的准确率。并且，通过导轨和双光电门，实现自动对焦的同时保证每次复位不会偏离检测区域。

在另一个实施例中，光机主体单通道采集或多通道采集的光机主体。具体地，光机主体是微流控电泳装置的光学检测结构，可根据需求由单通道、双通道拓展为多通道采集系统。

图6充分的展示了共焦光路相对于传统光路的优点。在共聚焦光路中，激发光聚焦在样品点表面，而荧光信号(发射光)聚焦在针孔上。这一针孔限制激发光在样品表面的聚焦深度，有效防止杂质信号(如灰尘荧光、样品背面的污染、玻璃的荧光信号、空气中常见的灰尘颗粒和来自设备的光学组件的荧光污染)产生的背景噪音干扰，从而降低背景信号的强度。

在一个实施例中，单通道采集系统，激发光源通过光学整形后经过滤光片获得单色性更好的激发光源，然后通过二向色镜反射，经过物镜会聚到样品上。样品有足够大的斯托克斯(stokes)位移，荧光信号会直接通过二向色镜后经过滤波片过滤并由自行设计的PD采集模块采集获得荧光信号。由此图4所示的共焦单通路拓展到图7的光聚焦双通路，乃至图8的共聚焦多通路光路，以满足不同情形下的检测需求。

图9为一个实施例的光机主体的结构示意图。如图9所示，光机主体为采用双通道采集的光机主体，光机主体设置有用于安装物镜的物镜装配通道31、用于安装二向色镜的二向色镜装配位32、用于安装PD套筒装配体的PD套筒装配位33，以及用于安装LD套筒装配体的LD套筒装配位34。LD/PD管是在套筒中实现光学整形扩束以及聚焦功能的。

相比较于普通光路，在本实施例中，物镜采用无穷共轭比透镜。这样透镜其中一边焦点处的信号光可以在透镜的另一边的无穷远处汇聚，也就是焦点处的光线在透镜的另一边形成平行光。此时信号采集的一端于理论上可以设置在光通道中传播方向的任意位置，不受限制。此时，在平行光路中可以对光信号进行必要的分光、滤波等处理，而不会影响最终检测接收光的位置。即使多通道联用过程中，不必因为采用不同波段荧光样品而重新对焦。光机主体一体化固定，不必改动。对于不同波段荧光样品而言，只需更换对应波段的套筒光源即可。

光机主体内部多通道之间会有对应的二向色镜对光信号进行选择，物镜采集到的主要信号也会反向进行筛选。LD(激光二极管)光源，光源提供单色性良好的激光，PD(信号采集模块)，采集模块通过偏置电压提高电流，对微弱信号进行放大。

图10和图11为一个实施例的套筒装配体的结构示意图，如图10和图11所示，LD套筒装配体或PD套筒装配体包括：筒体41、设置在筒体41一端的光源(LD)或信号采集模块(PD)、设置在筒体另一端的透镜装配位43和滤光片装配位44。其中，信号采集模块包括光敏二极管，述光源为激光二极管,信号采集模块的偏置电压将信号放大，消除背景噪声、环境光、暗电流对弱信号的“淹没”现象，提高检测精度，提高采集信号的动态范围。

在另一个实施例中，LD套筒装配体或PD套筒装配体还包括设置在筒体中部的半圆片45。二向色镜装配位安装有长波段二向色镜，短波段二向色镜和用于区分前两种光信号的绿光二向色镜。

套筒装配体嵌合了半圆的针孔结构，针孔以插销式安装入套筒，无缝结合，消除光斑旁瓣。对于LD/PD管通用的套筒，当LD管装入的时候，无像差透镜正装，发出的激光通过半圆针孔片消除光斑旁瓣，模拟点光源，然后通过扩束整形获得良好的平行光，经过滤光片后获得单色性更良好的激光光源；当PD管装入的时候，无像差透镜反向安装，。的套筒与光路相结合的通道之间预留滤波片安装孔，根据样品特异性再选择滤波效果不同的滤光片。

在双通道采集系统中，三种二向色镜的功能分别为长波段二向色镜，短波段二向色镜，用于区分前两种光信号的绿光二向色镜。对于低反高通的绿光二向色镜，经过短波段二向色镜的光信号会通过绿光二向色镜反射并入射到样品中，激发样品荧光，样品荧光会通过原路返回；而经过长波段二向色镜的光信号会直接通过绿光二向色镜后激发样品荧光，样品荧光会通过原路返回并被采集。类似的，对于高反低通的绿光二向色镜，长短波段的样品组件可以相互调转安转即可。

本实施例中，对光源，信号采集模块、半圆针孔采用套筒结构设计成独立模块，易于修改、拆装。

在本实施例中，采用共聚焦荧光系统，该系统可以准确对焦，并能有效采集目标信号，滤除环境光的影响。为了提高系统准确性，采用了无穷共轭比镜头设计。采集到信号之后，通过小波算法去噪消基底，并通过高斯拟合方法寻峰、求出峰宽、峰占比，找到目标蛋白的主要成分。

所述光学检测系统还包括高压电极。仪器在运作之前开始准备工作，备样过程中，清洗电极。所述电极使用的是电极使用的材料是Pt950制备成的、长6mm的惰性金属电极。所述的清洗电极的容器为对应干净的玻璃芯片，内含去离子水，通过浸泡10min以保证电极清洁，不影响实验效果。长时间未使用仪器的情况下应该适当的加长清洗时间。

微流控电泳装置还包括用于清洗所述高压电极的玻璃芯片。所述玻璃芯片的键合与制备工艺异于常用的塑料材质、PDMS杂合芯片。所述玻璃芯片可以简化表面处理过程，流道表面在高压电场的情况下形成双电层。所述双电层在电场作用力下带动样品在微流控管道中移动，产生电泳、电渗的现象。所述装置能够抑制电渗作用，通过电泳使得分离过程更加充分。玻璃芯片极大的减少了吸附性对样品产生的负面影响，获得准确的分析效果。

所述移动平台根据设置的参数进行移动，所述参数包括电流环、速度环和位移环。所述移动平台在设置电流环、速度环、位移环的相关参数设置后，可以精密控制移动平台的运动状态，当使用环境改变时，只需要对驱动器的相关参数进行调节即可完成对平台的精确控制。所述移动平台可通过单片机指令控制驱动器的位置和速度，其控制环工作模式可以人为设定。

在本实施例中，所述移动平台不仅可以在光学平台上应用，同时也很方便其他需要精密定位的机械平台上使用。

上述的微流控电泳装置，在长时间工作的情况下自带反馈调节，维持输出恒定，以电场力为主导，推动样品在玻璃芯片介质双电层的作用下进行电泳电渗过程，达到样品分离检测的过程。

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 (10)

1.一种微流控电泳装置，其特征在于，包括控制装置，所述控制装置包括：

微处理器；

与所述微处理器连接的低压控制模块；

与所述低压控制模块连接的高压模块；

与所述微处理器和所述高压模块连接的电压检测模块；

所述微处理器发出电压控制信号用于控制低压控制模块输出低电压，所述高压模块根据所述低电压线性输出高电压；所述电压检测模块对所述高压模块的输出电压进行转换得到电压检测信号；所述微处理器根据所述电压检测信号计算所述高压模块的输出电压。

2.根据权利要求1所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述低压控制模块包括依次连接的基准电源、数模转换器和滤波电路；所述数模转换器与所述微处理器连接；所述滤波电路与所述高压模块连接；

所述基准电源用于输出基准电压至所述数模转换器；所述数模转换器根据所述基准电压对所述微处理器发送的所述电压控制信号进行转换得到模拟输出电压，所述模拟输出电压经所述滤波电路处理后输出低电压至所述高压模块。

3.根据权利要求1所述的微流控电泳装置，其特征在于，还包括：光学检测系统，所述光学检测系统包括：

底座、

固定在所述底座上的对焦装置；

固定在所述对焦装置上实现光现光学检测的光机主体；

位于所述光机主体上方、用于待测样品固定的芯片平台；

所述控制装置与所述对焦装置和所述光机主体连接；

所述控制装置还用于控制所述对焦装置带动所述光机主体在第一方向移动，并采集发射光经待测样品的第一系列位移-光强光谱图，根据所述第一系列位移-光强光谱图在第一方向聚焦；还控制所述对焦装置带动所述光机主体在第二方向移动，并采集发射光经待测样品的第二系列位移-光强光谱图，并根据所述第二系列位移-光强光谱图在第二方向聚焦，所述第一方向与所述第二方向垂直。

4.根据权利要求3所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述对焦装置包括设置在第一方向的第一导轨、设置第二方向的第二导轨、与所述第一导轨和所述第二导轨连接的移动平台、带动所述移动平台在所述第一导轨上移动的第一驱动装置和带动所述移动平台在所述第二导轨上移动的第二驱动装置，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置与所述控制装置连接，所述光机主体固定在所述移动平台上。

5.根据权利要求4所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述对焦装置还包括用于限位及复位的双光电门。

6.根据权利要求3所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述光机主体单通道采集或多通道采集的光机主体。

7.根据权利要求6所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述光机主体为采用双通道采集的光机主体，所述光机主体设置有用于安装物镜的物镜装配通道、用于安装二向色镜的二向色镜装配位、用于安装PD套筒装配体的PD套筒装配位，以及用于安装LD套筒装配体的LD套筒装配位。

8.根据权利要求7所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述LD套筒装配体或PD套筒装配体包括：筒体、设置在筒体一端的光源或信号采集模块、设置在筒体另一端的透镜装配位和滤光片装配位。

9.根据权利要求3所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述移动平台根据设置的参数进行移动，所述参数包括电流环、速度环和位移环。

10.根据权利要求1所述的微流控电泳装置，其特征在于，所述控制装置还包括与所述高压模块和所述微处理器连接的继电器阵列模块，用于根据所述微处理器和所述高压模块进行输出。