CN108489957A - 一种便携式荧光检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式荧光检测装置及其检测方法，包括主控板、滤镜轮模块、微流控模块、激发光模块和检测模块，在微流控模块中的微流控芯片上端面设置若干反应通道，微流控芯片圆心处为反应通道的进样槽，向外依次为反应槽、微通道和检测槽，将检测槽与窄带滤光片正对设置，在激发光源的照射下，检测物产生荧光，该荧光经过窄带滤光片后，由检测模块的光电倍增管进行光电转换，之后经过信号处理电路传至微处理器，实现检测功能。本发明可以突破现有检测技术存在样本消耗量大、效率低的缺点，提供一种便携式荧光检测装置及其检测方法，在检测领域具有广阔的应用前景。

Description

一种便携式荧光检测装置及方法

技术领域

本发明属于荧光检测领域，尤其涉及一种便携式荧光检测装置及方法。

背景技术

长期以来，农药、食品添加剂等对人体有害的化学药剂的大面积使用和滥用，使得我国蔬菜和水果等农产品残留想象严重，农药的超标使用和滥用不易控制，随着人们对安全要求的提高，急需开发价格适中、具有高检测灵敏度且适合在现场使用的果菜中农药残留的检测仪器。

近年来，国内学者先后利用近红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱、高光谱、荧光高光谱等光谱技术对检测化学残留等问题进行了探讨和研究，同时对农药、食品添加剂等化学药剂的检测都需要大型的检测仪器，且这些检测仪器价格昂贵，检测成本高，需要复杂的样品前处理，操作人员需要专业培训等不足，难以用于现场的检测，荧光检测仪器被不断的用于食品安全、生化分析、农残检测等领域，然而，现有的仪器装置体积庞大、价格昂贵、试剂消耗量大且前期预处理过程复杂，大多用于科学研究，不适合广泛推广。

同时采用微流控技术因其具有试剂消耗少、体积小易集成等优点，近年来成为研究的热点，然而，目前缺少有效的基于微流控芯片的检测平台。本发明的目的在于解决现有检测技术中的不足，设计一款便携，快速的即时检测装置与方法。

发明内容

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种便携式荧光检测装置及方法，目的在于改进传统荧光检测。

一种便携式荧光检测装置包括箱体、主控板、滤镜轮模块、微流控模块、激发光模块和检测模块，所述主控板包括电源模块、微处理器、伺服电机驱动模块、按键模块、显示驱动模块；所述电源模块分别连接主控板上其他模块，电源模块还要通过电源适配器连接外部电源。

所述滤镜轮模块通过滤镜轮和伺服电机一轴连接，伺服电机一尾部固定安装在支架上，伺服电机一连接伺服电机驱动模块；所述滤镜轮上均匀设置若干窄带滤光片。

所述微流控模块包括微流控芯片、连接结构和伺服电机二，在微流控芯片上设置一个扇形的芯片连接槽，芯片连接槽与连接结构配合，连接结构套装在伺服电机二轴上，实现微流控芯片与伺服电机二的连接，伺服电机二连接伺服电机驱动模块，伺服电机二下端安装在滑块二上，连接结构的设置可以确保每次装微流控芯片时，初始位置保持一致，起一个初始位置校正功能。所述微流控芯片上端面设置若干反应通道，每条反应通道在微流控芯片圆心处为进样槽，向外依次为反应槽、微通道和检测槽；所述检测槽分别正对滤镜轮上的窄带滤光片布置。

所述激发光模块包括激发光源及设置在激发光源上的窄带滤光片一，所述激发光源固定安装在支架下部，且光源朝向微流控芯片的检测槽照射，所述激发光源通过调制驱动电路连接微处理器，微处理器实现对激发光源发光频率的调节。

所述检测模块为光电倍增管通过信号处理电路连接微处理器，通过光电倍增管接收荧光信号并将荧光信号转换为电信号，通过信号处理电路最终传递给微处理器进行处理，光电倍增管通过高压模块连接电源模块，实现对光电倍增管的供电。

所述信号处理电路为一级放大电路、二级放大电路、带通滤波器和检波电路依次连接。

所述光电倍增管正对滤镜轮上的窄带滤光片，相距5mm。

所述滤镜轮与微流控芯片相距5mm；所述激发光源距离微流控芯片5mm。

所述主控板固定安装在箱体上端板的内侧。

所述滑块二固定连接在滑块一上，滑块一安装在滑轨内，滑块二侧边通过螺丝连接连接轴的一端，连接轴的另一端与箱盖相连，从而实现可以将微流控模块轻松拉出，方便添加样本。

所述箱体上设置显示屏、电源开关分别连接显示驱动模块、电源模块，向上向下按钮和检测按钮连接按键模块。

一种便携式荧光检测方法采用的技术方案如下：

步骤1，准备过程：接通电源，将检测样本滴入到微流控芯片的进样槽，激发光源开启，光线照射到微流控芯片的检测槽上；

步骤2,检测过程：按下检测按钮，微处理器发送信号控制伺服电机二工作，样本受离心力的作用经过反应槽、微通道进入检测槽；在激发光源的作用下发射荧光，荧光经过滤镜轮上对应的窄带滤光片的空间滤波后，由光电倍增管接收；

步骤3，信号处理：光电倍增管将接收到的荧光信号转换成电信号，并依次由一级放大电路、二级放大电路、带通滤波器和检波电路处理后，传至微处理器；

步骤4，伺服电机一与伺服电机二同步旋转120°，重复步骤3，对剩余两个检测槽中的样本进行检测；

步骤5，信息输出：微处理器将所获取的三个检测槽中的信息输出到显示屏上。

本发明的有益效果：

(1)试剂消耗少，检测效率高，本发明所采用的是微流控芯片，微流控芯片的微通道尺寸很小，待检测样品的需求量一般为微升，具有小剂量大通量的特点。同时，由于独特的芯片检测通道的设计，可实现单一样本的多项指标检测，与传统逐个项目检测相比，大大提高检测效率。

(2)自动反应，微流控芯片下装有一个伺服电机二，样本通过离心力向边缘扩散，通过反应槽和微通道进入检测槽。同时伺服电机二可控制旋转的角度，进而保证芯片的悬停位置。

(3)多波段光信息提取，滤镜轮可通过伺服电机一控制旋转，实现多波段光信息提取。

附图说明

图1为本发明一种便携式荧光检测装置的剖视图；

图2为本发明所述一种便携式荧光检测装置的外观；

图3为本发明所述一种便携式荧光检测装置打开时的示意图；

图4为本发明所述一种便携式荧光检测装置的内部结构示意图；

图5为本发明所述滤镜轮的俯视图；

图6为本发明所述微流控芯片的俯视图；

图7为本发明所述微流控模块爆炸视图；

图8为本发明所述一种便携式荧光检测装置的系统框图；

图9为本发明所述一种便携式荧光检测方法的流程图；

图中：1：箱体，2：电源端口，3：显示屏，4：电源开关，5：向上向下按钮，6：检测按钮，7：沉头孔，8：沉头孔，9：激发光源，10：窄带滤光片一，11：微流控芯片，12：滤镜轮，13：光电倍增管，14：伺服电机一，15：窄带滤光片二，16：伺服电机二，17：滑轨，18：滑块一，19：螺纹孔，20：箱盖，21：连接轴，22：螺丝，23：进样槽，24：反应槽，25：微通道，26：检测槽，27：芯片连接槽，28：连接结构，29：主控板，30：螺丝，31：螺母，32：窄带滤光片三，33：窄带滤光片四，34：固定孔，35：滑块二，36：检测模块，37：支架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明为一种便携式荧光检测装置，包括箱体1、主控板29、滤镜轮模块、微流控模块、激发光模块和检测模块，主控板29通过箱体上的沉头孔7、沉头孔8与螺丝30配合，将主控板29安装在箱体1的上盖板的内侧，主控板29上设有电源模块、微处理器、伺服电机驱动模块、按键模块、显示驱动模块；所述电源模块通过电源适配器从箱体上的电源端口2连接外部电源，再向主控板29的其他模块连接实现供电。微处理器连接主控板29上的各个模块用于接收和发送指令，控制各个模块之间的逻辑运作。伺服电机驱动模块通过排线与伺服电机一14、伺服电机二16连接，用于驱动伺服电机，按键模块和箱体上的按键连接。所述显示驱动模块和箱体上的显示屏连接。

如图2，箱体1上设置显示屏3、电源开关4、向上向下按钮5、检测按钮6分别连接显示驱动模块、电源模块、按键模块。

如图3、4所示，滤镜轮模块是将滤镜轮12和伺服电机一14轴连接，伺服电机一14尾部固定安装在支架37上，伺服电机一14连接伺服电机驱动模块；滤镜轮12上均匀分布三个窄带滤光片，分别是窄带滤光片二15、窄带滤光片三32、窄带滤光片四33，三者之间相隔120°分布，窄带滤光片二15为650nm、窄带滤光片三32为470nm，窄带滤光片四33为410nm，用于滤出三个波段的光学信息，未启动时，窄带滤光片二正对着光电倍增管13，伺服电机一14与滤镜轮直接相连，可以用于精确控制滤镜轮的旋转角度。

如图5、6、7，在与滤镜轮正对的下方设置微流控模块，微流控模块包括微流控芯片11、连接结构28和伺服电机二16，在微流控芯片11下端面上设置一个扇形的芯片连接槽27，伺服电机二16的电机轴套装有与芯片连接槽27配合的连接结构28，从而实现电机与微流控芯片11的连接，连接结构28起一个初始定位功能，保证每次装微流控芯片时，其初始的角度保持一致，伺服电机二16可以精确的控制其旋转速度和角度，进而保证离心后芯片的悬停位置。

伺服电机二16连接伺服电机驱动模块，且伺服电机二16固定安装在滑块二35上，在微流控芯片11上端面设置三条反应通道，三条反应通道也是按120°均匀分布，三条反应通道在微流控芯片11圆心处通过圆形的进样槽23连接三条反应通道，向外依次为圆形的反应槽24、微通道25和圆形的检测槽26；进样槽23与外界连通，其余结构均封闭，且反应槽24中可以预先放置试剂，三个检测槽26分别正对滤镜轮12上的三个窄带滤光片布置，滤镜轮12与微流控芯片11相距5mm。

如图3、4所示，伺服电机二16固定安装在滑块二35上端面，滑块二35的下端面与滑块一18固定连接，滑块一18的下端面置于滑轨17上，可以在滑轨上自由滑动，滑块二35上设置螺纹孔19，可以通过螺丝22与连接轴21与箱盖20连接，从而实现当侧面的箱盖20打开的时候将微流控芯片11拉出，以便添加样本。

如图4，所述激发光模块包括激发光源9及设置在激发光源9上的窄带滤光片一10，所述激发光源9固定安装在支架37下部，与平面呈45°，且激发光源9朝向微流控芯片11的检测槽26照射，距离微流控芯片5mm，所述激发光源9通过调制驱动电路连接微处理器，微处理器实现对激发光源9发光频率1KHZ的调节，所述激发光源9可以选用发光二极管。

如图8所示，所述检测模块为光电倍增管13通过信号处理电路连接微处理器，通过光电倍增管13接收荧光信号并将荧光信号转换为电信号，通过处理电路最终传递给微处理器进行处理，光电倍增管13通过高压模块连接电源模块，实现对光电倍增管13的供电。其中，光电倍增管13作为光电转换器件，将接收到的荧光信号转换为电信号，电信号通过依次连接的一级放大电路、二级放大电路、1KHZ带通滤波器和检波电路完成信号的处理，检波电路的另外一端通过排针与微处理器的A/D口连接，微处理器通过A/D读取信号进行处理。光电倍增管13正对滤镜轮12上的窄带滤光片，相距5mm。该检测模块可以有效放大微弱信号，同时1KHZ带通滤波器可以滤除大量电域噪声，调制的1KHZ的信号可以顺利通过，其次，检波电路为有效值检波，该检波方式可以消除外界光干扰，大大提升系统鲁棒性。

如图9所示，本发明还公开了一种便携式荧光检测方法，结合本发明的工作过程作进一步解释说明：

接通电源，打开箱盖20，将含西维因、克百威或敌敌畏的检测样本滴入到微流控芯片11的进样槽23，推上箱盖20，打开电源开关4，按下检测按钮6，微流控芯片11下的伺服电机16开始旋转，样本受到离心力作用进入反应槽24和微通道25，最后进入检测槽26，光线照射到微流控芯片11的检测槽26上。

旋转离心后，微流控芯片11在伺服电机二16的精确控制下停留在初始位置，反应槽24中的样本受到激发光源9发出的320nm激发光的照射，产生荧光，荧光信号通过650nm窄带滤光片二15，滤出西维因的荧光波段，荧光经过滤镜轮12上对应的窄带滤光片的空间滤波后，由光电倍增管13接收；光电倍增管13将接收到的荧光信号转换成电信号，并依次由一级放大电路、二级放大电路、带通滤波器和检波电路处理后传至微处理器；检测完毕后，微流控芯片和滤镜轮同时旋转120°，此时荧光信号经过470nm窄带滤光片三32，滤出克百威的荧光波段，检测模块对该波段荧光进行接收并处理，传至微处理器。检测完毕后，微流控芯片和滤镜轮再同时旋转120°，荧光信号经过410nm窄带滤光片四33，滤出敌敌畏的荧光波段，检测模块对该波段荧光进行接收并处理，传至微处理器。微处理器计算后将样品中西维因、克百威和敌敌畏的浓度显示在显示屏上，芯片和滤镜轮最后旋转120°复位，检测结束。

本发明一种荧光检测装置中的微流控芯片和滤镜轮也可以包括四路、五路或者六路等检测通道，且还可具有多种改型，并不局限于上述具体实施方式。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式荧光检测装置,其特征在于，包括主控板(29)、滤镜轮模块、微流控模块、激发光模块和检测模块，所述主控板(29)包括电源模块、微处理器、伺服电机驱动模块、按键模块、显示驱动模块；电源模块分别连接主控板(29)上其他模块；

所述滤镜轮模块是将滤镜轮(12)和伺服电机一(14)轴连接，伺服电机一(14)尾部安装在支架(37)上，伺服电机一(14)连接伺服电机驱动模块；所述滤镜轮(12)上均匀设置若干个窄带滤光片；

所述微流控模块包括微流控芯片(11)、连接结构(28)和伺服电机二(16)，微流控芯片(11)上设置扇形的芯片连接槽(27)，芯片连接槽(27)与连接结构(28)配合，连接结构(28)套装在伺服电机二(16)轴上，实现微流控芯片(11)与伺服电机二(16)的连接，伺服电机二(16)连接伺服电机驱动模块，伺服电机二(16)下端安装在滑块二(35)上，所述微流控芯片(11)上端面设置若干条反应通道，微流控芯片(11)圆心处为反应通道的进样槽(23)，向外依次为反应槽(24)、微通道(25)和检测槽(26)；所述检测槽(26)正对窄带滤光片；

所述激发光模块包括激发光源(9)及设置在激发光源(9)上的窄带滤光片一(10)，所述光源(9)固定安装在支架(37)下部，且光源(9)朝向检测槽(26)照射，所述激发光源(9)通过调制驱动电路连接微处理器；

所述检测模块包括光电倍增管(13)及与光电倍增管(13)连接的信号处理电路，该信号处理电路连接微处理器。

2.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述反应通道的数量与滤镜轮(12)上所设置的窄带滤光片数量相同。

3.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述信号处理电路为一级放大电路、二级放大电路、带通滤波器和检波电路依次连接。

4.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述光电倍增管13正对滤镜轮12上的窄带滤光片，两者相距5mm。

5.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述滤镜轮(12)与微流控芯片(11)相距5mm；所述激发光源(9)距离微流控芯片(11)5mm。

6.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述滑块二(35)固定连接在滑块一(18)上，滑块一(18)安装在滑轨(17)上，滑块二(35)侧边与连接轴(21)的一端连接，连接轴(21)的另一端与箱盖(20)相连。

7.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述主控板(29)上的显示驱动模块、电源模块及按键模块分别连接箱体(1)上的显示屏(3)、电源开关(4)和按钮。

8.根据权利要求7所述的一种便携式荧光检测装置，其特征在于，所述电源模块通过电源适配器连接外部电源。

9.根据权利要求1所述的一种便携式荧光检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，准备过程：接通电源，将检测样本滴入到微流控芯片(11)的进样槽(23)，激发光源(9)开启，光线照射到微流控芯片(11)的检测槽(26)上；

步骤2,检测过程：按下检测按钮，微处理器发送信号控制伺服电机二(16)工作，样本受离心力的作用经过反应槽(24)、微通道(25)进入检测槽(26)；在激发光源(9)的作用下发射荧光，荧光经过滤镜轮(12)上的对应的窄带滤光片的空间滤波后，由光电倍增管(13)接收；

步骤3，信号处理：光电倍增管(13)将接收到的荧光信号转换成电信号，并依次由一级放大电路、二级放大电路、带通滤波器和检波电路处理后，传至微处理器；

步骤4，伺服电机一(14)与伺服电机二(16)同步旋转120°，重复步骤3，对剩余两个检测槽(26)中的样本进行检测；

步骤5，信息输出：微处理器将所获取的三个检测槽(26)中的信息输出到显示屏(3)上。