CN107907521A - 微流控检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微流控检测系统，包括：光源模块、光束整形模块、多流道微流控芯片、进样模块、影像捕捉模块、荧光检测模块、信号处理模块和控制模块。所述光源模块发出的激光光源，经过光束整形模块，整形成能量分布均匀的线型光束，照射到多流道微流控芯片上，进样模块向多流道微流控芯片加载样品，当包含有荧光的样品经过多流道微流控芯片时，被激光光源激发出荧光，荧光经过影像捕捉模块，被荧光检测模块接收，并将光信号转换为电信号。多流道微流控芯片与进样模块结合使用，实现多流道同时检测，提高检测通量，响应速度快，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及检测领域，特别是涉及用于多流道的微流控检测系统。
背景技术
微流控芯片技术，结合诱导荧光技术，可广泛应用于微流控电泳、液滴式数字PCR、微流控流式检测等生物样品检测技术中，如何实现高通量检测也是微流控芯片生物应用追求的目标之一。
目前大部分微流道荧光检测系统只能检测一个流道，通量小，效率低。如果需要同时检测多个流道时，就需要多套荧光检测系统，成本高，结构复杂。如果采用荧光成像的方法，采集多个流道的荧光图像并分析处理，虽然可以同时检测多个流道，但是目前市场上荧光相机的灵敏度低，图像采集速率慢，高通量应用困难。
目前，微流道荧光检测系统，还未解决多流道检测且检测通量较高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对多流道检测且高通量应用困难问题，提供一种微流控检测系统。
一种微流控检测系统，能够获得待测样品的荧光信息，进而对样品进行检测、分析，包括：
光源模块，用于发射出激发光并照射在样品上，激发样品发出荧光；
光束整形模块，设置于所述光源模块的出光侧，用于对将所述光源模块发出光束整形为预定的形状、大小和能量分布状态；
多流道微流控芯片，设置于所述光束整形模块的出光侧，其包含多个流道，用于装载样品，并能够控制所述样品运动至检测位置；
进样模块，用于向所述多流道微控芯片加载样品；
影像捕捉模块，对应于所述多流道微流控芯片的检测位置设置，用于捕捉待测样品放大的影像；
荧光检测模块，用于检测所述影像捕捉模块捕捉的影像的荧光信息，并将光信号转换为电信号。
在其中一个实施例中，还包括信号处理模块，用于接收所述荧光检测模块经过光电转换得到的电信号，对电信号进行信号放大处理。
在其中一个实施例中，还包括控制模块，所述控制模块分别与所述光源模块、所述进样模块以及所述信号处理模块电连接，用于控制所述光源模块发出需要的检测光，控制所述进样模块向所述多流道微流控芯片加载样品，并用于对所述信号处理模块传输的电信号进行分析，进而分析样品。
在其中一个实施例中，所述光束整形模块包括柱面透镜、线型光束发生透镜、狭缝中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述多流道微流控芯片包括流道以及检测窗，所述检测窗位于所述多流道微流控芯片的检测位置朝向所述影像捕捉模块的一侧，并覆盖所述多流道微流控芯片的检测位置。
在其中一个实施例中，所述检测窗朝向所述多流道微流控芯片的侧面设有不透光层。
在其中一个实施例中，所述检测窗开设有对应于所述流道的第一透光孔，所述第一透光孔与对应的所述流道的检测位置对准，其允许样品的受激荧光透过照射至所述影像捕捉模块。
在其中一个实施例中，所述影像捕捉模块包括物镜和成像透镜，所述物镜位于所述多流道检测微流控芯片背离所述光束整形模块的一侧，其视野能够覆盖所述检测窗整体，所述成像透镜位于所述物镜背离所述检测窗的一侧，所述成像透镜能够将荧光的图像放大投射至所述荧光检测模块。
在其中一个实施例中，所述荧光检测模块包括滤光片和光电探测器阵列，滤光片置于光电探测器阵列和所述影像捕捉模块之间，用于滤除影像中除荧光以外的杂光。
在其中一个实施例中，荧光检测模块还具有第二透光孔，所述第二透光孔的数量与所述光电探测器阵列中的光电探测器的数量相同，所述第二透光孔位于成像透镜的像方焦平面处。
上述微流控检测系统，所述光源模块发出的激发光，经过所述光束整形模块，整形成能量分布均匀的线型光束，照射到多流道微流控芯片上，所述进样模块向所述多流道微流控芯片加载样品，当包含有荧光的样品经过所述多流道微流控芯片时，被激发光激发出荧光，荧光经过影像捕捉模块，被荧光检测模块接收，并将光信号转换为电信号。多流道微流控芯片与进样模块结合使用，实现多流道同时检测，提高检测通量，响应速度快，灵敏度高。
附图说明
图1为本发明实施例的微流控检测系统组成框图；
图2为本发明实施例的微流控检测系统实施原理图；
图3a为本发明实施例的光束整形模块光学软件模拟图；
图3b为发明实施例的光束整形模块整形后的光强分布图；
图3c为本发明实施例的光束整形模块整形后的光线横截面积光强分布图；
图4为本发明实施例的多流道微流控芯片实施方案图；
图5为本发明实施例的影像捕捉模块光学模拟图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，一种微流控检测系统，用于检测、分析样品，具体地，所述微流控检测系统能够获得待测样品的荧光信息，进而对样品进行检测、分析等。所述微流控检测系统包括：光源模块100、光束整形模块200、多流道微流控芯片300、进样模块700、影像捕捉模块400、荧光检测模块500、信号处理模块600和控制模块800。
所述光源模块100、光束整形模块200与影像捕捉模块400、荧光检测模块500位于多流道微流控芯片300两侧。当然，也可以根据设计需要，将光源模块100、光束整形模块200与影像捕捉模块400、荧光检测模块500放置于多流道微流控芯片300同侧。
该光源模块100用于发射出激发光并照射在含有荧光物质的样品上，激发荧光物质发出荧光。光源模块100包括激发光源，根据设计需要激发光源可以选择合适类型的光源，例如所述激发光源可选用激光光源或单色LED光源，只要保证激发光源的中心波长与所测样品中所含荧光物质相匹配，即保证激发光能够激发样品内所包含的荧光物质发出的荧光。所述激发光源数量不限，可以用一个或用多个，只要保证光源的数量与所测样品中所含荧光种类相匹配，即保证一种光源激发一种样品内所含的荧光物质。
在本实施例中，所述激发光源数量为一个，其能够发出直径为0.8mm的激光光束，所述样品的荧光物质包含一种荧光物质。当然根据设计需要，激发光源可以为多个，只需进行合束处理，将多束光合成一束即可。
该光束整形模块200设置于所述光源模块100的出光侧，用于将所述光源模块100发出光束整形为预定的形状、大小和能量分布状态。光束整形模块200将光源模块100发出的光束，处理成横截面积为条形或者是线形的光束，所述光束整形后的光束能够覆盖在所述多流道微流控制芯片300的检测位置，同时保证照射到样品上的光斑能量分布均匀，光斑宽度与样品尺寸匹配。
所述光束整形模块200包括柱面透镜、线型光束发生透镜210、狭缝220中的至少一种。所述透镜或透镜与狭缝220之间的配合，能够实现照射到样品上的光斑能量分布均匀。
请参阅图2所示，在本实施例中，所述光束整形模块200包括线型光束发生透镜210，将截面为圆型的激光光束整形成截面为线型或者条形光束。在本实施例中，所述光束整形模块200还包括狭缝220，所述狭缝220设置于所述线型光束发生透镜210的出光侧，使照射至所述样品上的光斑的宽度与样品尺寸相匹配，为保证照射至所述多流道微流控制芯片300上的光斑成线型且能量分布均匀，所述狭缝220截取所述线型光束发生透镜210的整形后光束的中间具有均匀光强的部分照射多流道微流控制芯片300，保证照射到每一个流道310上的光强相等。当然，根据实际设计需要，狭缝220可以不添加，只要选取光斑能量分布均匀的光斑段照射到样品上即可。
为保证光束整形模块200所发出的照射到样品上的光斑能量分布均匀，光斑长度与所述多流道微流控制芯片300的检测位置的长度匹配，可以通过改变线型光束发生透镜210的扇形角或改变线型光束发生透镜210到所述多流道微流控芯片300的距离以及狭缝220长度。改变光斑中间段长度，进而保证能量分布均匀的中间段光斑覆盖所述多流道微流控芯片300上。例如，采用改变线型光束发生透镜210的扇形角，扇形角越大，光斑中间段长度越大，保证能量分布均匀的光斑覆盖多流道微流控芯片300上。
请参阅图3a所示，用光学软件Zemax进行光束整形模块200光学模拟，直径为0.8mm的激光光束，经过线型光束发生透镜210后，光束经过0.1mm的狭缝220，光斑成线型，即线型光斑230。如图3b、3c可知，整形后的光斑中间段强度分布均匀，由此进一步证实光束整形模块的有效性且线型中间段能量分布均匀。
请参阅图2和图1所示，该多流道微流控芯片300设置于所述光束整形模块200的出光侧，用于装载样品，并能够控制所述样品运动至检测位置。所述多流道微流控芯片300包括流道310以及检测窗320，所述检测窗320覆盖多流道微流控芯片300的检测位置。
如图4所示，所述流道310包括主进样流道311、副进样流道312以及检测流道313。本实施例中，所述副进样流道312的数量为两个，两个所述副进样流道312均连通至所述主进样流道311流出端，能够将所述主进样流道311流出的样品分流为沿两个所述副进样流道312流动；所述检测流道313的数量为四个，其中两个所述检测流道313均连通至一个所述副进样流道312的流出端，另外两个所述检测流道313均连通至另外一个所述副进样流道312的流出端，所述检测流道313能够将所述副进样流道312流出的样品分流为沿四个检测流道流动。本实施例中，所述主进样流道311、所述副进样流道312以及所述检测流道313内的样品流向相互平行，换言之，所述主进样流道311、副进样流道312以及检测流道313的长度方向相互平行。另外，所述检测流道313的长度方向与所述检测窗320的长度方向相互垂直。
请参阅图2和图4所示，所述检测窗320位于所述多流道微流控芯片300的检测位置朝向所述影像捕捉模400的一侧，并覆盖所述多流道微流控芯片300的检测位置。所述检测窗320开设有对应于所述检测流道313的第一透光孔330，所述第一透光孔330与对应的所述检测流道313的检测位置对准，其允许所述线型光斑230照射在所述多流道微流控芯片300的检测位置的样品上，进而激发样品的荧光，使得受激荧光透过所述第一透光孔330照射至所述影像捕捉模块400。本实施例中，所述第一透光孔330的直径与检测流道313的宽度保持一致。所述检测窗320朝向所述多流道微流控芯片300的侧面设有不透光层。所述不透光层的设置能够保证进入所述第一透光孔330的荧光为对应的所述检测流道313上的样品的受激荧光，而减少其他杂散光对检测结果的影响。
请参阅图2所示，该影像捕捉模块400对应于所述多流道微流控芯片300的检测位置设置，用于捕捉待测样品的影像。影像捕捉模块400包括物镜410和成像透镜420。所述物镜410位于所述多流道检测微流控芯片300背离所述光束整形模块200的一侧，其视野能够覆盖所述检测窗320整体，优选地，所述物镜410的物方焦平面位于所述多流道微流控芯片300上，所述成像透镜420位于所述物镜410背离所述检测窗320的一侧，所述成像透镜420能够将样品的图像放大投射至所述荧光检测模块500。
如图5所示，应用光学软件Zemax对影像捕捉模块进行光学模拟，物镜410的视场范围足够大，能够完全覆盖检测窗320。多流道微流控芯片300上第一透光孔330透过的荧光，经过成像透镜420，在成像透镜420的像方焦平面处汇聚，进而被光电探测器阵列530接收。
请参阅图2所示，该荧光检测模块500用于检测所述影像捕捉模块捕捉的影像的荧光信息，并将光信号转换为相应的电信号。荧光检测模块500包括滤光片510和光电探测器阵列530，所述滤光片510置于光电探测器阵列530和所述影像捕捉模块400之间。所述滤光片510为选取所需辐射波段的光学器件，滤光片510与所要检测的荧光发光波长相匹配，用于去除荧光图像中除荧光波长以外的杂光。所述滤光片510数量与所要检测的荧光数量保持一致，可根据检测需求进行替换。所述光电探测器阵列530中的光电探测的数量与所述流道310的数量相同，每一个所述光电探测器对应一个流道310，具体地，每一个光电探测器对应一个图4中所示的检测流道313，保证每个光电探测器能够探测对应的检测流道313的样品。
所述荧光检测模块500还具有第二透光孔520，本实施例中，所述第二透光孔520的数量与所述光电探测器阵列530中的光电探测器的数量相同，每一个所述第二透光孔520位于对应的所述光电探测器的入光侧。所述第二透光孔520位于成像透镜420的像方焦平面处，所述第二透光孔520与第一透光孔330之间的所有光学器件共同组成共聚焦系统，能够有效避免杂散光影响，使得荧光汇聚于对应光电探测器上。
当然，实际使用中也可以根据实际需要选择不设置第二透光孔520，所述光电探测器阵列530直接设置于成像透镜420的像方焦平面处，第一透光孔330与光电探测器阵列530之间所包含所有光学器件共同组成共聚焦系统。采用共聚焦系统，有效避免干扰，提高信噪比。同时，在本实施例中，光电探测器为光电倍增管。当然，在实际使用中，可以根据实际需要，使用其他光电探测设备，只要能够实现将光信号转换为电信号的功能即可。另外，采用光电探测器阵列530代替传统相机，能够提高检测效率和信噪比。
对于光电探测器阵列530，为保证光电探测器之间不重叠，需保证影像捕捉模块400的放大倍率β与流道310宽度d的乘积小于光电探测器接收面直径D，β*d<D，影像捕捉模块400的放大倍率β与相邻流道310中心间距Δ乘积大于光电探测器接收面直径D，即β*Δ>D。
请参阅图1所示，该进样模块700用于向所述多流道微流控芯片300加载样品，进样模块700与所述控制模块800相连接，其能够在所述控制模块800的控制下实现样品的自动、精准加载。
请参阅图1所示，所述信号处理模块600与所述荧光检测模块500以及所述控制模块800电连接，其能够接收所述荧光检测模块500经过光电转换得到的电信号，对电信号进行信号放大处理，并将放大的电信号传输至控制模块800。
请参阅图1所示，该控制模块800分别与所述光源模块100、所述进样模块700以及所述信号处理模块600电连接，用于控制所述光源模块100发出需要的检测光，控制所述进样模块700向所述多流道微流控芯片300加载样品，并用于所述信号处理模块600传输的电信号进行分析，进而分析样品。
光源模块100发出的激光光源，经过光束整形模块200，整形成能量分布均匀的线型光束，照射到多流道微流控芯片300的检测窗320，进样模块700向多流道微流控芯片300加载样品，当包含有荧光的样品经过检测窗320时，被激光光源激发出荧光，荧光经过影像捕捉模块400，被荧光检测模块500接收，并将光信号转换为电信号，经由信号处理模块600进行信号放大，传递给控制模块800，进行相应存储和分析。
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)
1.一种微流控检测系统，能够获得待测样品的荧光信息，进而对样品进行检测、分析，其特征在于，包括：
光源模块，用于发射出激发光并照射在样品上，激发样品发出荧光；
光束整形模块，设置于所述光源模块的出光侧，用于将所述光源模块发出光束整形为预定的形状、大小和能量分布状态；
多流道微流控芯片，设置于所述光束整形模块的出光侧，其包含多个流道，用于装载样品，并能够控制所述样品运动至检测位置；
进样模块，用于向所述多流道微控芯片加载样品；
影像捕捉模块，对应于所述多流道微流控芯片的检测位置设置，用于捕捉待测样品放大的影像；
荧光检测模块，用于检测所述影像捕捉模块捕捉的影像的荧光信息，并将光信号转换为电信号。
2.根据权利要求1所述的一种微流控检测系统，其特征在于，还包括信号处理模块，用于接收所述荧光检测模块经过光电转换得到的电信号，对电信号进行信号放大处理。
3.根据权利要求2所述的一种微流控检测系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块分别与所述光源模块、所述进样模块以及所述信号处理模块电连接，用于控制所述光源模块发出需要的检测光，控制所述进样模块向所述多流道微流控芯片加载样品，并用于对所述信号处理模块传输的电信号进行分析，进而分析样品。
4.根据权利要求1所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述光束整形模块包括柱面透镜、线型光束发生透镜、狭缝中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述多流道微流控芯片包括流道以及检测窗，所述检测窗位于所述多流道微流控芯片的检测位置朝向所述影像捕捉模块的一侧，并覆盖所述多流道微流控芯片的检测位置。
6.根据权利要求5所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述检测窗朝向所述多流道微流控芯片的侧面设有不透光层。
7.根据权利要求5所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述检测窗开设有对应于所述流道的第一透光孔，所述第一透光孔与对应的所述流道的检测位置对准，其允许样品的受激荧光透过照射至所述影像捕捉模块。
8.根据权利要求5所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述影像捕捉模块包括物镜和成像透镜，所述物镜位于所述多流道微流控芯片背离所述光束整形模块的一侧，其视野能够覆盖所述检测窗整体，所述成像透镜位于所述物镜背离所述检测窗的一侧，所述成像透镜能够将样品的图像放大投射至所述荧光检测模块。
9.根据权利要求6所述的一种微流控检测系统，其特征在于，所述荧光检测模块包括滤光片和光电探测器阵列，滤光片置于光电探测器阵列和所述影像捕捉模块之间，用于滤除影像中除荧光以外的杂光。
10.根据权利要求9所述的一种微流控检测系统，其特征在于，荧光检测模块还具有第二透光孔，所述第二透光孔的数量与所述光电探测器阵列中的光电探测器的数量相同，所述第二透光孔位于成像透镜的像方焦平面处。
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