CN110411997A - 一种实时超声微反应荧光检测装置及荧光检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实时超声微反应荧光检测装置及荧光检测方法，装置包括壳体，在壳体上设置有样品反应组件和光学检测机构，样品反应组件包括封装有惰性气体的反应器，反应器内设置有超声驻波悬浮单元以及超声反射单元、样品注射单元，样品注射单元的注射口与超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点正对；本发明利用超声驻波悬浮技术使荧光标记物与待检测物质能够充分混合，并且在超声场中荧光标记物激发的荧光信号损耗小，利用率高，大大提高了激发光与荧光的传递效率，同时提高荧光检测结果的精确性。

Description

一种实时超声微反应荧光检测装置及荧光检测方法
技术领域
本发明属于荧光检测技术领域，特别涉及一种实时超声微反应荧光检测装置及荧光检测方法。
背景技术
荧光检测装置是高压液相色谱常用的检测器，用紫外线照射色谱馏分，当试样组分具有荧光性能时，即可被检出。随着基因工程改造荧光素酶的成功，化学荧光探测生物信息日渐成熟。在相应的化学反应中，荧光的产生是来自于荧光素的氧化。通过荧光素酶和ATP进行反应，可以检测人体细胞、细菌、霉菌、食物残渣。荧光素酶在遇到目标底物时能够产生光子，底物浓度越高，产生的光子越多，通过探测光强度可以间接判断目标底物的浓度。
现有技术中的荧光检测装置大多是将检测样品的反应器21中混合反应后才进行荧光检测，因反应容器壁的接触而造成不确定吸附、记忆效应、样品损失、样品污染等的不利影响，而且由于反应容器壁的干扰存在潜在的荧光串扰，导致检测误差较大，检测准确率下降。
发明内容
为了克服现有技术中的超声化学反应技术所存在的问题以及技术需求，本发明提供了一种实时超声微反应荧光检测装置，能够实时反应，实时检测，，提高了激发光和荧光的传递效率，提高检测效果和检测精准度。
同时本发明还提供了利用上述实时超声微反应荧光检测装置实现物质的荧光检测方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种实时超声微反应荧光检测装置，包括壳体1，在壳体1上设置由样品反应组件2和光学检测机构3，所述光学检测机构3与样品反应组件2连接以接收所述样品反应组件2的样品荧光并将其转化为电信号；所述样品反应组件2包括封装有惰性气体的反应器21，所述反应器21内设置有超声驻波悬浮单元22以及超声反射单元23、样品注射单元24，超声驻波悬浮单元22的超声发射端与超声反射单元23一一对应且相对设置；所述样品注射单元24的注射口与超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点正对；所述超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点分别与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合。
进一步限定，所述反应器21内还设置有调节支架25和样品调节架26；所述超声驻波悬浮单元22设置在调节支架25上，并通过调节支架25调整超声驻波悬浮单元22与超声反射单元23之间的驻波悬浮点位置，使驻波悬浮点分别与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合；所述样品注射单元24设置在样品调节架26上并通过样品调节架26调节样品注射单元24的位置和角度。
进一步限定，所述超声驻波悬浮单元22包括依次设置的压电陶瓷堆22-1、振动输出杆22-2以及变截面变幅杆22-3，所述变截面变幅杆22-3包括至少2级子变幅杆，且一级子变幅杆的直径小于等于相邻上一级自变幅杆的直径，使子变幅杆之间连接成阶梯型变幅杆结构，最末一级子变幅杆的发射端截面呈球冠状。
进一步限定，所述振动输出杆22-2包括至少1节侧壁上开设有多条螺旋通槽的等截面直管构成的类弹簧管；多条螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布。
进一步限定，所述最末一级子变幅杆的球冠状发射端的圆心角为120～150°；高度h不超过对应子变幅杆直径的1/3。
进一步限定，所述超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点之间的距离为0.99～2.85cm。
进一步限定，所述光学检测机构3设置在样品反应组件2的上方，所述光学检测机构3包括激光器31、反射镜32、45°入射二向色镜33、荧光带通滤光片34、聚光透镜35以及光电传感器36，所述激光器31设置在反射镜32的上方且与反射镜32的镜面呈45°角入射；所述45°入射二向色镜33与反射镜32平行，所述荧光带通滤光片34、聚光透镜35以及光电传感器36依次设置在45°入射二向色镜33的出射光路上，光电传感器36与信号处理装置相连接；所述超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点位于45°入射二向色镜33的反射光光路上。
一种利用上述的实时超声微反应荧光检测装置实现物质的荧光检测方法，其包括以下步骤：
(1)调整超声驻波悬浮单元22的发射端与超声反射单元23正对、样品注射单元24的注射口与超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点正对，且超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合；
(2)在惰性气体条件下，样品注射单元24向超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点位置注射荧光标记物和被检测物质溶液，使荧光标记物溶液和被检测物质溶液在驻波悬浮点上混合；
(3)光学检测机构3发出激发光，使荧光标记物被激发发射出荧光信号，并进行荧光信号采集、分析，完成被检测物质的荧光检测。
进一步限定，步骤(2)具体是：超声驻波悬浮单元22将指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态和/或夹心式纵扭振动模态耦合，使荧光标记物和被检测物质溶液能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积。
进一步限定，所述步骤(3)具体是：光学检测机构3的激光器31发出激发光，经反射镜32反射后再经45°入射二向色镜33将激光分为50％的透射光和50％的反射光，反射光激发荧光标记物，发射出荧光信号，再经荧光带通滤光片34滤光、聚光透镜35增强信号后采集，分析，完成被检测物质的荧光检测。
本发明的实时超声微反应荧光检测方法与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明利用超声驻波悬浮技术使荧光标记物与待检测物质能够充分混合，并且在超声场中荧光标记物激发的荧光信号损耗小，利用率高，大大提高了激发光与荧光的传递效率，同时提高荧光检测结果的精确性。
(2)本发明还利用阶梯型变幅杆结构与类弹簧等截面变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加实现振幅放大，并指向性好的效果，使荧光标记物与待检测物质能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下混均，实现非接触式反应，避免了常见的化学反应容器壁由于清洗以及力学影响而造成不确定吸附、记忆效应、样品损失、样品污染等的误差或不利影响，排除了由于容器壁与样品间的相互作用对反应的干扰以及容器壁引起的光学干扰。
(3)本发明还可以根据检测的需要通过超声场控制以及注射液体速率适当调整荧光标记物的荧光激发速率，对于进一步荧光信号分析提供了便利。
(4)本发明无污染、少投资、低成本、安全、清洁、环保，为高效、快速、精准的物质荧光检测提供了基础。
附图说明
图1为实施例1的实时超声微反应荧光检测装置的结构示意图。
图2为图1中样品反应组件2的结构示意图。
图3为图2中的振动输出杆22-2的结构示意图。
图4为图1中光学检测机构3的结构示意图。
图5为实施例4的振动输出杆22-2的结构示意图。
图6为粒子在发射端和反射端之间悬浮状态示意图。
图7为发射端和反射端之间表面总声压场示意图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例1
参见图1，本实施例的实时超声微反应荧光检测装置包括壳体1，在壳体1上设置有样品反应组件2和光学检测机构3两个单元，光学检测机构3在样品反应组件2的上方，光学检测机构3与样品反应组件2连接以接收所述样品反应组件2的样品荧光并将其转化为电信号。
其中，参见图2，样品反应组件2包括封装有惰性气体的反应器21、超声驻波悬浮单元22、超声反射单元23、样品注射单元24、调节支架25以及样品调节架26；其中，反应器21是玻璃或钢质反应容器。超声驻波悬浮单元22通过调节支架25水平设置在反应器21内腔底部，对应超声反射单元23通过安装支座固定在超声驻波悬浮单元22的发射端正对面位置，超声驻波悬浮单元22与超声反射单元23的相互间距为10.7mm，不超过半波长的3倍。超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点之间的间距为2.85cm，且驻波悬浮点的中心轴与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合。样品注射单元24通过样品调节架26固定并通过样品调节架26可以调整注射角度使样品注射单元24的注射口与驻波悬浮点正对。样品注射单元24用于注射反应液，包括2个样品注射器，一个用于注射荧光标记物，另一个用于注射被检测物质。
进一步说明，参见图3，超声驻波悬浮单元22包括依次设置的压电陶瓷堆22-1、振动输出杆22-2以及变截面变幅杆22-3，压电陶瓷堆22-1是采用直径10.0mm、高18.0mm的锆钛酸铅材料制成，压电陶瓷堆22-1的横截面边界分别接地或终端电压。振动输出杆22-2采用直径10.0mm的铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有2条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，且螺旋通槽为左螺旋，也可以是右螺旋，其槽宽为1mm，螺旋升角为45°，螺距为32mm，螺旋圈数为2。变截面变幅杆22-3包括2级子变幅杆，且第一级子变幅杆的直径为10mm，长度为25.7mm，与振动输出杆22-2的振动输出端相连，第二级子变幅杆的直径为4.4mm，长度为24.5mm，第二级子变幅杆的发射端为球冠状，球冠状发射端的两圆心角为120°，高度h为1.2mm，不超过对应子变幅杆直径的1/3。超声驻波悬浮单元22是将变截面变幅杆22-3结构与类弹簧等截面变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，使多种反应液出射后能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积。
进一步说明，本实施例的样品调节架26是由轨道、支腿以及球形夹座构成，支腿设置在轨道上并可沿着轨道做直线运动，球形夹座通过支腿固定在反应器21的内腔，球形夹座与支腿顶端球形铰接，在球形夹座的顶端开设有凹槽用以卡放样品注射单元24，为了保证夹持的稳定性，在凹槽内铺设橡胶缓冲层。
进一步说明，本实施例的样品注射单元24卡放于球形夹座的凹槽内，夹持固定，样品注射单元24的注射口与驻波悬浮点正对且驻波悬浮点的距离不小于2mm。样品注射单元24的活塞端延伸至反应器21外侧，可以与传动机构连接，实现自动化注液。
本实施例的光学检测机构3包括激光器31、反射镜32、45°入射二向色镜33、荧光带通滤光片34、聚光透镜35以及光电传感器36，参见图4，激光器31设置在反射镜32的上方且激光器31的主光线与反射镜32的镜面呈45°角入射；45°入射二向色镜33安装在反射镜32的反射光路上，且与反射镜32平行设置，水平间距为10mm。在45°入射二向色镜33的另一透射光方向上自下而上依次安装荧光带通滤光片34、聚光透镜35以及光电传感器36，光电传感器36与信号处理装置相连接，信号处理装置可以连接显示器进行图谱显示。上述超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点位于45°入射二向色镜33的反射光路上，激发驻波悬浮点处的荧光标记物发出荧光信号。
用上述实时超声微反应荧光检测装置实现物质荧光检测方法，具体包括以下步骤：
(1)调整调节支架25使超声驻波悬浮单元22的发射端与超声反射单元23正对，直线距离为10.7mm，且产生的驻波悬浮点与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合；利用样品调节架26对样品注射单元24的水平以及倾斜角度进行调整使样品注射器的注射口与对应的超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点正对，使驻波悬浮点处的声悬浮力与反应液滴的重力满足：
其中：F表示声悬浮力，N
G表示反应液滴的重力，N；
F表示波数，为cm-1；
g表示重力加速度，为9.8N/kg；
ρ0表示声场中声压幅值；
ρa表示反应液滴的密度，g/cm3；
u0表示质点振动速度的幅值；
z表示质点在竖直方向上的位移，cm；
(2)在惰性气体条件下，样品注射单元24向超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点位置注射荧光标记物和被检测物质溶液，超声驻波悬浮单元22将变截面变幅杆22-3结构与类弹簧等截面变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，使荧光标记物溶液和被检测物质溶液能够快速在驻波悬浮点混合并在超声作用下增加接触面积，加快反应，实现非接触式反应；
(3)光学检测机构3的激光器31发出激发光，经反射镜32反射后再经45°入射二向色镜33将激光分为50％的透射光和50％的反射光，反射光向下激发荧光标记物，发射出荧光信号，再经荧光带通滤光片34滤光、聚光透镜35增强信号后采集，分析，完成被检测物质的荧光检测。
实施例2
本实施例的超声驻波悬浮单元22是两个，包括第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元，且分别通过调节支架25水平设置在反应器21内腔底部，在第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元的发射端正对面位置分别对应安装有超声反射单元23，样品注射单元24分别向第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点注射反应液。第一超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点和第二超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点间距均为0.99cm，也可以在0.99～2.85cm范围内通过超声频率或功率的调整而进行变化。第一超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点的中心轴与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合。
其他的部件结构及连接关系与实施例1相同。
本实施例的物质荧光检测方法，具体包括以下步骤：
(1)调整调节支架25使第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元的发射端分别与超声反射单元23正对，直线距离均为10.7mm，第一超声驻波悬浮单元产生的驻波悬浮点与光学检测机构3的发射光光轴和出射光光轴重合；利用样品调节架26对样品注射单元24的水平以及倾斜角度进行调整使样品注射器的注射口与对应的超声驻波悬浮单元22的驻波悬浮点正对；
(2)在惰性气体条件下，样品注射单元24向第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点分别注射荧光标记物和被检测物质溶液，之后调整调节支架25使第二超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点向第一超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点移动至重合，即荧光标记物和被检测物质溶液在第一超声驻波悬浮单元的驻波悬浮点位置处混合，第一超声驻波悬浮单元和第二超声驻波悬浮单元将变截面变幅杆22-3结构与类弹簧等截面变幅杆结构耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态叠加，使荧光标记物溶液和被检测物质溶液能够快速在驻波悬浮点混合并在超声作用下增加接触面积，加快反应，实现非接触式反应；
(3)光学检测机构3的激光器31发出激发光，经反射镜32反射后再经45°入射二向色镜33将激光分为50％的透射光和50％的反射光，反射光向下激发荧光标记物，发射出荧光信号，再经荧光带通滤光片34滤光、聚光透镜35增强信号后采集，分析，完成被检测物质的荧光检测。
实施例3
与实施例1不同之处在于：本实施例的光学检测机构3中反射镜32采用熔融石英制成的平面全反射镜32，反射率为99％以上。45°入射二向色镜33是为长波通二向色镜33，45°入射二向色镜33安装在反射镜32的反射光路上，且与反射镜32平行设置，水平间距为15mm。
本实施例的超声驻波悬浮单元22均包括依次设置的压电陶瓷堆22-1、振动输出杆22-2以及变截面变幅杆22-3，压电陶瓷堆22-1是采用直径15.0mm、高23.0mm的锆钛酸铅材料制成，压电陶瓷堆22-1的横截面边界分别接地或终端电压。振动输出杆22-2采用直径15.0mm的铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有3条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，且螺旋通槽为左螺旋，也可以是右螺旋，其槽宽为2mm，螺旋升角为45°，螺距为32mm，螺旋圈数为3。变截面变幅杆22-3包括3级子变幅杆，且第一级子变幅杆的直径为15mm，与振动输出杆22-2的振动输出端相连，第二级子变幅杆的直径为10mm，第三级子变幅杆为圆锥形变幅杆结构，且发射端的直径为4.4mm，发射端为球冠状，球冠状发射端的两圆心角为150°；高度h为0.9mm，高度h不超过对应子变幅杆直径的1/3。
其他的部件及其连接关系与实施例1相同，物质的荧光检测方法与实施例1的步骤相同。
实施例4
与实施例1不同之处在于：参见图5，本实施例的超声驻波悬浮单元22包括依次设置的压电陶瓷堆22-1、振动输出杆22-2以及变截面变幅杆22-3，本实施例的振动输出杆22-2是夹心式结构，即其包括2组类弹簧管，且2组类弹簧管通过金属过度块22-4连接，该类弹簧管是采用铝制圆直管制成，在圆直管的侧壁上开设有3条并列的螺旋通槽构成类弹簧结构，螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布，对于螺旋通槽的开槽参数与实施例1相同。本实施例的超声驻波悬浮单元22将变截面变幅杆22-3结构与类弹簧等截面变幅杆结构以及夹心式变幅杆耦合使指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态以及夹心式的纵扭振动模态耦合，超声在主播驻波悬浮点附近形成混沌场，使多种反应液出射后能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积，加快反应，实现非接触式反应。
其他的部件及其连接关系与实施例1相同。
对本发明实施例1的实时超声微反应荧光检测装置的超声悬浮反应效果通过软件模拟，得到仿真图如图6、图7所示。
由图6可以看出，该图展示了粒子在发射端和反射端之间的悬浮状态，将样品从样品注射单元中注入，发射端发射声场并经反射端反射后，在发射端和反射端之间形成声场，注入的样品则可如图所示处于多层悬浮的状态之下。可以从图7看出发射端和反射端之间表面总声压场的强弱，样品都悬浮在表面总声压场最弱的地方，该仿真结果符合理论计算。
上述实施例属于本发明的较佳实施例，其中未详细说明的支架结构、轨道结构以及调节结构的具体组成部件及结构以及连接方式均属于常规技术，可以参考常用技术手段实施并满足本发明的调节需求即可。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种实时超声微反应荧光检测装置，包括壳体(1)，在壳体(1)上设置有样品反应组件(2)和光学检测机构(3)，所述光学检测机构(3)与样品反应组件(2)连接以接收所述样品反应组件(2)的样品荧光并将其转化为电信号；其特征在于：所述样品反应组件(2)包括封装有惰性气体的反应器(21)，所述反应器(21)内设置有超声驻波悬浮单元(22)、超声反射单元(23)以及样品注射单元(24)，超声驻波悬浮单元(22)的超声发射端与超声反射单元(23)一一对应且相对设置；所述样品注射单元(24)的注射口与超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点正对；所述超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点分别与光学检测机构(3)的发射光光轴和出射光光轴重合。
2.根据权利要求1所述的实时超声微反应荧光检测装置，其特征在于：所述反应器(21)内还设置有调节支架(25)和样品调节架(26)；所述超声驻波悬浮单元(22)设置在调节支架(25)上，并通过调节支架(25)调整超声驻波悬浮单元(22)与超声反射单元(23)之间的驻波悬浮点位置，使驻波悬浮点分别与光学检测机构(3)的发射光光轴和出射光光轴重合；所述样品注射单元(24)设置在样品调节架(26)上并通过样品调节架(26)调节样品注射单元(24)的位置和角度。
3.根据权利要求1或2所述的实时超声微反应荧光检测装置，其特征在于：所述超声驻波悬浮单元(22)包括依次设置的压电陶瓷堆(22-1)、振动输出杆(22-2)以及变截面变幅杆(22-3)，所述变截面变幅杆(22-3)包括至少2级子变幅杆，且一级子变幅杆的直径小于等于相邻上一级自变幅杆的直径，使子变幅杆之间连接成阶梯型变幅杆结构，最末一级子变幅杆的发射端截面呈球冠状。
4.根据权利要求3所述的实时超声微反应荧光检测装置，其特征在于：所述振动输出杆(22-2)包括至少1节侧壁上开设有多条螺旋通槽的等截面直管构成的类弹簧管；多条螺旋通槽的起点在同一圆周线上均匀分布。
5.根据权利要求4所述的实时超声微反应荧光检测装置，，其特征在于：所述最末一级子变幅杆的球冠状发射端的圆心角为120～150°；高度h不超过对应子变幅杆直径的1/3。
6.根据权利要求5所述的实时超声微反应荧光检测装置，其特征在于：所述超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点之间的距离为0.99～2.85cm。
7.根据权利要求6所述的实时超声微反应荧光检测装置，其特征在于：所述光学检测机构(3)设置在样品反应组件(2)的上方，所述光学检测机构(3)包括激光器(31)、反射镜(32)、45°入射二向色镜(33)、荧光带通滤光片(34)、聚光透镜(35)以及光电传感器(36)，所述激光器(31)设置在反射镜(32)的上方且与反射镜(32)的镜面呈45°角入射；所述45°入射二向色镜(33)与反射镜(32)平行，所述荧光带通滤光片(34)、聚光透镜(35)以及光电传感器(36)依次设置在45°入射二向色镜(33)的出射光路上，光电传感器(36)与信号处理装置相连接；所述超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点位于45°入射二向色镜(33)的反射光光路上。
8.一种利用权利要求1所述的实时超声微反应荧光检测装置实现物质的荧光检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)调整超声驻波悬浮单元(22)的发射端与超声反射单元(23)正对、样品注射单元(24)的注射口与超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点正对，且超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点与光学检测机构(3)的发射光光轴和出射光光轴重合；
(2)在惰性气体条件下，样品注射单元(24)向超声驻波悬浮单元(22)的驻波悬浮点位置注射荧光标记物和被检测物质溶液，使荧光标记物溶液和被检测物质溶液在驻波悬浮点上混合；
(3)光学检测机构(3)发出激发光，使荧光标记物被激发发射出荧光信号，并进行荧光信号采集、分析，完成被检测物质的荧光检测。
9.根据权利要求8所述的利用实时超声微反应荧光检测装置实现物质的荧光检测方法，其特征在于：步骤(2)具体是：超声驻波悬浮单元(22)将指数型振动模态与螺旋型类弹簧纵振动模态和/或夹心式纵扭振动模态耦合，使荧光标记物和被检测物质溶液能够快速在驻波悬浮点聚集并在超声作用下增加接触面积。
10.根据权利要求8所述的利用实时超声微反应荧光检测装置实现物质的荧光检测方法，其特征在于：所述步骤(3)具体是：光学检测机构(3)的激光器(31)发出激发光，经反射镜(32)反射后再经45°入射二向色镜(33)将激光分为50％的透射光和50％的反射光，反射光激发荧光标记物，发射出荧光信号，再经荧光带通滤光片(34)滤光、聚光透镜(35)增强信号后采集，分析，完成被检测物质的荧光检测。
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