CN107907582B

CN107907582B - 微流控电泳装置的光学检测系统

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Publication number: CN107907582B
Application number: CN201711023803.9A
Authority: CN
Inventors: 林晓明; 胡艳; 刘玉县; 林俊宇; 徐秀莉
Original assignee: Guangdong Shunde Industrial Design Institute
Current assignee: Guangdong Shunde Industrial Design Institute
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN107907582A

Abstract

本发明涉及一种微流控电泳装置的光学检测系统，其特征在于，包括：底座、固定在底座上的对焦调节装置；固定在对焦调节装置上实现光现光学检测的光机主体；位于光机主体上方、用于待测样品固定的芯片平台；以及与对焦调节装置和光机主体连接的控制装置；控制装置控制对焦调节装置带动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，根据第一系列位移‑光强光谱图在第一方向聚焦；还控制对焦调节装置带动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，并根据第二系列位移‑光强光谱图在第二方向聚焦。该光学检测系统实现自动对焦，无需人工操作中，可操作性强。

Description

微流控电泳装置的光学检测系统

技术领域

本发明涉及医学和生物检测技术领域，特别是涉及一种微流控电泳装置的光学检测系统。

背景技术

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阔的应用前景。微流控分析的最基本特征就是将反应、进样、分离、检测、分析集于一体。其中，微流控管道内的样品都是处于皮升、纳升级别的量，与传统的检测手段相比，用于微流控电泳装置的光学检测系统需要有更高的灵敏度，更好的信噪比，以及更快的响应度。

现有的光学检测系统存在的问题：手动调焦，需要配合价格高昂的可视化系统；如果没有，则需要通过对焦于微流控管道产生的衍射条纹来作为定量标准，全凭经验判断，可操作性低。

发明内容

基于此，本发提供一种可操作性高的微流控电泳装置的光学检测系统。

一种微流控电泳装置的光学检测系统，包括：

底座、

固定在所述底座上的对焦调节装置；

固定在所述对焦调节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；以及

与所述对焦调节装置和所述光机主体连接的控制装置；

所述控制装置控制所述对焦调节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；还控制所述对焦调节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，所述对焦调节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，所述对焦调节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。

在其中一个实施例中，所述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。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块包括光敏二极管。

在其中一个实施例中，所述光源为激光二极管。

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调节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。

附图说明

图1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2为一个实施例的对焦调节装置和光机主体的装配示意图；

图3为一个实施实施例的对焦过程说明示意图；

图4为一个实施例的传统光路与共焦光路的比较示意图；

图5为一个实施例的光聚焦双通路的示意图；

图6为一个实施例的共聚焦多通路光路的示意图；

图7为一个实施例的光机主体的结构示意图；

图8为一个实施例的套筒装配体的结构示意图；

图9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为以二维移动平台为例结合光机主体形成的微流控电泳装置的光学检测系统的结构示意图。如图1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上的对焦调节装置40，固定在对焦调节装置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；以及与对焦调节装置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。控制装置是与对焦调节装置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，与对焦调节装置40和光机主体连接。待测样品放置于芯片平台20上。

具体地，控制装置控制对焦调节装置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；还控制对焦调节装置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，利用控制装置控制对焦调节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2为一个实施例的对焦调节装置和光机主体的装配示意图。如图2所示，对焦调节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402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，对焦调节装置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。对焦调节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3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，通过第二驱动装置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4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5的光聚焦双通路，乃至图6的共聚焦多通路光路，以满足不同情形下的检测需求。

图7为一个实施例的光机主体的结构示意图。如图所示，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8和图9为一个实施例的套筒装配体的结构示意图，如图8和图9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，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。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。

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

1.一种微流控电泳装置的光学检测系统，其特征在于，包括：

底座、固定在所述底座上的对焦调节装置；

固定在所述对焦调节装置上实现光学检测的光机主体；

与所述对焦调节装置和所述光机主体连接的控制装置，所述控制装置为集成了驱动控制功能和信号采集功能的电路板；

所述控制装置控制所述对焦调节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，根据第一系列的位移-光强光谱图自动寻峰，返回到峰值对应的位移处，实现水平方向的对焦；还控制所述对焦调节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，根据第二系列的位移-光强光谱图进行寻峰，并返回峰值对应的位移处，实现竖直方向的对焦；

所述对焦调节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，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置为步进电机，所述第一导轨和所述第二导轨为丝杆导轨；

所述对焦调节装置设置有位于第一方向的第一光电门和位于第二方向的第二光电门；

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、用于安装信号采集模块PD套筒装配体的PD套筒装配位，以及用于安装光源LD套筒装配体的LD套筒装配位；

所述LD套筒装配体包括：筒体、设置在筒体一端的光源、设置在筒体另一端的透镜装配位和滤光片装配位；

所述PD套筒装配体包括：筒体、设置在筒体一端的信号采集模块、设置在筒体另一端的透镜装配位和滤光片装配位；

所述LD套筒装配体或PD套筒装配体嵌合了半圆的针孔结构，当LD管装入时，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，通过扩束整形获得平行光，经过滤光片后获得单色性的激光光源；当PD管装入时，无像差透镜反向安装。

2.根据权利要求1所述的微流控电泳装置的光学检测系统，其特征在于，所述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。

3.根据权利要求1所述的微流控电泳装置的光学检测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括光敏二极管。

4.根据权利要求1所述的微流控电泳装置的光学检测系统，其特征在于，所述光源为激光二极管。