CN111239097A - 一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：包括相互连接的微流控进样模块、检测模块和表面增强拉曼光谱模块；所述微流控进样模块用于以预设进样速度驱动待测样品、增强试剂和促凝剂进入所述检测模块；所述检测模块用于对进入的待测样品、增强试剂和促凝剂进行混合，使其混合均匀；所述表面增强拉曼光谱模块用于对混合均匀的试剂进行光谱检测，得到毒品检测结果。本发明可实现将微流控技术与表面增强拉曼光谱检测技术集成联用，用于毒品检测时实现连续进样快速检测，满足现场快检、多批次抽检的检测需求。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱快速检测技术领域，具体涉及一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统。
背景技术
微流控指的是使用微管道处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科，具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室和微全分析系统。微流控的早期概念可以追溯到19世纪70年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪，而后又发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。微流控的重要特征之一是微尺度环境下具有独特的流体性质，如层流和液滴等，借助这些独特的流体现象，微流控可以实现一系列常规方法所难以完成的微加工和微操作。除了有机合成、微反应器和化学分析等，微流控技术在生物医学领域发挥了越来越重要的作用。
光谱仪可将成分复杂的光分解为光谱线，通过光谱分析可用于颜色测量、紫外/可见吸收光谱测量、发射光谱测量、LED测量、薄膜厚度测量、真空室镀膜过程监控、氧浓度传感器、宝石成分检测、荧光测量、生物医学应用、拉曼光谱测量、颜色混合及匹配、材料(金属/非金属)成分检测、食品安全等。其中拉曼光谱测量方面，由于拉曼光谱仪系统集成度高、相对价格较低，广泛应用于反应过程监控，产品、物质识别，遥感，水溶液、凝胶体和其它介质中高散射粒子的判定，拉曼光谱仪配合相应的辅助技术后检测准确、应用广泛，可用于各种化学物的快速检测以及不同应用场景及领域的现场检测。
拉曼光谱因其指纹光谱特性，在毒品检测领域具有灵敏度高、特异性好、检测速度快、操作简便易掌握等特性，非常适合在现场毒品稽查、微痕量毒品检验领域应用。但传统的拉曼光谱仪受限于其单通量检测模式，无法做到在线、实时、多通道筛查。微流控芯片技术借助自身技术特点和优势，可很好弥补在线、实时、连续多通道检测场景需求，因此拉曼光谱技术结合微流控技术在毒品及微痕量毒品的检测领域具有巨大的潜在应用价值。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，可将微流控技术与表面增强拉曼光谱检测技术集成联用，用于毒品检测时实现连续进样快速检测，满足现场快检、多批次抽检的检测需求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其包括相互连接的微流控进样模块、检测模块和表面增强拉曼光谱模块；所述微流控进样模块用于以预设进样速度驱动待测样品、增强试剂和促凝剂进入所述检测模块；所述检测模块用于对进入的待测样品、增强试剂和促凝剂进行混合，使其混合均匀；所述表面增强拉曼光谱模块用于对混合均匀的试剂进行光谱检测，并根据检测得到的拉曼光谱得到毒品检测结果。
进一步的，所述微流控进样模块包括储存模块和多通道定时蠕动泵；所述储存模块内设分别用于存储增强试剂、待测样品和促凝剂的独立存储空间，各所述独立存储空间分别通过蠕动泵硅胶管与所述多通道定时蠕动泵的各个通道相连；所述多通道定时蠕动泵按照预设的进样速度将各试剂驱动到所述检测模块内。
进一步的，所述多通道定时蠕动泵的流量范围为0.00026-48ml/min；所述多通道定时蠕动泵为四通道；所述增强试剂为粒径为40-100nm的胶体金，所述促凝剂为浓度为0.01-1M的盐酸水溶液。
进一步的，所述检测模块包括底座和微流控芯片；所述微流控芯片设置在所述底座中部，并通过设置在所述底座表面的固定夹固定；位于所述微流控芯片进样端一侧的所述底座表面设置有进样管固定支架，用于将装载有各检测试剂的进样管出口设置在所述微流控芯片的进样端上方；位于所述微流控芯片检测端一侧的所述底座表面设置有拉曼光谱仪探头固定支架，用于将拉曼光谱仪探头固定设置在所述微流控芯片的检测端上方。
进一步的，所述微流控芯片包括上片和下片，且所述上片和下片边缘对齐粘合固定；所述上片一端作为微流控芯片的进样端，其表面设置有一个以上进样孔；所述上片另一端作为微流控芯片的检测端，其表面设置有检测孔；各所述进样孔与所述检测孔经波浪型导流槽连通。
进一步的，所述上片上还设置有废液收集孔，所述废液收集孔一端通过所述导流槽与所述检测孔连通，另一端通过导管与所述废液收集模块相连。
进一步的，所述拉曼光谱仪探头固定支架包括固定设置在所述底座上的立柱，所述立柱顶部设置有向一侧延伸的横向固定架，所述横向固定架端部设置有贯穿所述横向固定架的通孔，位于所述横向固定架的另一侧，设置有与所述通孔连通的固定旋钮。
进一步的，所述进样管固定支架包括两并排设置的立杆，两所述立杆顶部通过横梁连接，所述横梁顶部开设有多个用于固定进样管的卡槽。
进一步的，所述表面增强拉曼光谱模块包括电性连接的检测操作模块和数据处理模块；所述检测操作模块包括拉曼光谱仪和检测参数设定模块，所述拉曼光谱仪集光栅光谱仪、激光器为一体，所述拉曼光谱仪的探头用于向所述混合均匀的试剂发射激光，同时采集所述混合均匀的试剂的拉曼光谱；所述检测参数设定模块与所述拉曼光谱仪和多通道定时蠕动泵串连，用于设置检测参数，包括拉曼光谱仪的激光功率、积分时间、采集窗口及时间、泵流速；所述数据处理模块用于对检测得到的拉曼光谱进行处理，得到毒品检测结果。
进一步的，所述数据处理模块包括背景荧光去除模块、去噪模块、峰位校正模块和特征提取模块；所述背景荧光去除模块用于对获得的拉曼光谱信号进行背景荧光去除；所述去噪模块用于对去除背景荧光后的拉曼光谱进行去噪；所述峰位校正模块用于将全波段范围内的拉曼位移频移重复性控制在2cm-1以内；所述特征提取模块用于对预处理后的拉曼光谱进行特征提取，进而得到样品检测结果。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可将微流控技术与表面增强拉曼光谱检测技术集成联用，用于毒品检测时实现连续进样快速检测，满足现场快检、多批次抽检的检测需求。2、本发明中增强试剂和促凝剂的使用，能够起到信号放大作用，特别适合用于微痕量毒品的快速检测，为结果辨识提供优质原始数据，进一步提高了检测结果的准确性。3、本发明通过设置进样管固定支架，且支架顶端设置有用于固定进样管的卡槽，通过不同卡槽位置调节蠕动泵硅胶管位置，使得各检测试剂能够更好地进入微流控芯片的各进样孔内，微流控芯片的设计，更适用于污水、水体中痕量毒品毒物的快速、连续、多通量检测。4、本发明在靠近微流控芯片的检测端的底座上设置有拉曼光谱仪探头定焦固定支架，便于固定拉曼光谱仪检测探头，确定拉曼光谱仪的最佳检测焦距后即可将其固定，在对微流控芯片的检测过程中，能够持续检测，提高了操作的便利性。因此，本发明可以广泛应用于毒品快检领域。
附图说明
图1是本发明集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统框图；
图2是本发明整体结构示意图；
图3是本发明检测模块侧视图；
图4是本发明中微流控芯片整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明提供的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，包括相互连接的微流控进样模块1、检测模块2和表面增强拉曼光谱模块3。其中，微流控进样模块1用于以预设进样速度驱动待测样品、增强试剂和促凝剂进入检测模块2；检测模块2用于对进入的待测样品、增强试剂和促凝剂进行充分混合，使其混合均匀；表面增强拉曼光谱模块3用于对混合均匀的试剂进行拉曼光谱检测，并根据检测得到的拉曼光谱得到毒品检测结果。
优选地，微流控进样模块1包括储存模块11和多通道微型流量定时蠕动泵12，储存模块11内设独立存储空间，用于分别存储增强试剂、待测样品和促凝剂，各独立存储空间分别通过蠕动泵硅胶管与多通道微型流量定时蠕动泵12的各个通道相连，由多通道微型流量定时蠕动泵12按照预设的进样速度将各试剂驱动到检测模块2内。
优选地，增强试剂为粒径约40-100nm的胶体金，促凝试剂为浓度为0.01-1M的盐酸水溶液，增强试剂和促凝试剂起到信号放大作用，特别适合用于微痕量毒品的快速检测，为结果辨识提供优质原始数据。
优选地，多通道微型流量定时蠕动泵12的流量范围为0.00026-48ml/min，最多可扩展为四通道。
优选地，如图1、图3所示，检测模块2包括集成结构模块21和废液收集模块22。其中，集成结构模块21包括底座23和微流控芯片24。其中，微流控芯片24设置在底座23中部，并通过设置在底座23表面的固定夹(图中未示出)固定；靠近微流控芯片24进样端的底座23表面设置有进样管固定支架25，用于对装载有各检测试剂的进样管进行支撑和固定，使得各进样管出口设置在微流控芯片24的进样端上方，各进样管另一端与微流控进样模块1中的多通道微型流量定时蠕动泵12的各出口相连；靠近微流控芯片24检测端的底座23表面设置有拉曼光谱仪探头定焦固定支架26，用于与表面增强拉曼光谱模块3相连，并将拉曼光谱仪探头固定设置在微流控芯片24的检测端上方，使其处于最佳检测焦距。
优选地，底座23中部还设置有一固定凹槽27，该固定凹槽27用于在固定微流控芯片24时辅助确定位置，起到初步定位作用。
优选地，如图4所示，微流控芯片24包括上片241和下片242，上片241和下片242边缘对齐粘合固定。上片241一端作为微流控芯片24的进样端，其表面设置有一个以上进样孔243，本发明以三个进样孔为例进行介绍；上片241另一端作为微流控芯片24的检测端，其表面设置有检测孔244；各进样孔243与检测孔244经导流槽245连通。
优选地，微流控芯片24的导流槽245为波浪型导流槽，以使得进入该导流槽245的各种试剂能够充分混合。
优选地，微流控芯片24的上片241上还设置有废液收集孔246，该废液收集孔246通过导流槽245与检测孔244连通，废液收集孔246另一侧与废液收集模块22相连。
优选地，进样管固定支架25包括两并排设置的立杆251，两立杆251顶部通过横梁252连接，横梁252顶部开设有多个用于固定进样管的卡槽253。更为优选的，本发明中以横梁252上开有七个卡槽253为例进行介绍，通过卡槽253固定蠕动泵硅胶管，并通过不同卡槽位置调节蠕动泵硅胶管位置。
优选地，拉曼光谱仪探头定焦固定支架26包括固定设置在底座23上的立柱261，立柱261顶部设置有向一侧延伸的横向固定架262，横向固定架262端部设置有贯穿横向固定架的通孔263，该通孔263与拉曼光谱仪探头形状相匹配，位于横向固定架262的另一侧，设置有与通孔262连通的固定旋钮264，用于在拉曼光谱仪探头插入通孔263后旋紧固定拉曼光谱仪探头。
优选地，表面增强拉曼光谱模块3包括电性连接的检测操作模块31和数据处理模块32，检测操作模块31包括拉曼光谱仪和检测参数设定模块，拉曼光谱仪集光栅光谱仪、激光器为一体，拉曼光谱仪的探头用于向混合均匀的试剂发射激光，同时采集混合均匀的试剂的拉曼光谱并发送到数据处理模块32；检测参数设定模块与拉曼光谱仪和多通道微型流量定时蠕动泵12串连，用于设置检测参数，包括拉曼光谱仪的激光功率、积分时间、采集窗口及时间、泵流速；数据处理模块32用于对检测得到的结果进行处理，得到毒品检测结果。
优选地，数据处理模块包括背景荧光去除模块、去噪模块、峰位校正模块和特征提取模块，其中，背景荧光去除模块用于采用基底扣除算法对获得的拉曼光谱信号进行背景荧光去除，具体的，基底扣除算法主要通过最小二乘法拟合出原始的拉曼光谱，并通过调解平滑系数，使得拟合曲线尽可能的光滑，最后将原始曲线减去拟合的光滑曲线，得到扣除基底之后的曲线；去噪模块用于采用Savitzky Golay算法对去除背景荧光后的拉曼光谱进行去噪，具体的方法为设置一个加权窗口，将周围的信号与最大的峰位值加权平均，以抑制高频噪声；峰位校正模块用于通过标准物质采用三阶多项式拟合的方式，将去噪后的光谱信号的全波段范围内的拉曼位移频移重复性控制在2cm-1以内；特征提取模块用于对预处理后的拉曼光谱进行特征提取，进而得到样品检测结果。
本发明在使用时，首先分别将增强试剂、待测毒品样品、促凝剂放置在储存模块11内设的独立储存空间内，并将这三种液体经过三根蠕动泵硅胶管与多通道微型流量定时蠕动泵12相连；
将多通道微型流量定时蠕动泵12输出端的各蠕动泵硅胶管经检测模块2内的进样管固定支架25固定后，由多通道微型流量定时蠕动泵12按照设定的进样速度将三种试剂排出，并进入检测模块12中微流控芯片24上的进样孔243内，各试剂在微流控芯片24的导流槽245内混合均匀后，进入检测孔244；
表面增强拉曼光谱模块3中拉曼光谱仪的探头通过检测模块2内的拉曼光谱仪探头固定支架26固定设置在微流控芯片24的检测端，对微流控芯片24上检测孔244内的样品进行检测，检测参数设置及操作通过检测操作模块31完成，检测结果及数据处理通过电性连接的数据处理模块32完成并显示最终的检测结果；检测完成后产生的废液由与微流控芯片24通过导管相连的废液收集模块22进行收集后统一处理，整个单次的检测过程完成，通过对多通道微型流量定时蠕动泵进样速度的设置可实现连续进样快速检测，满足毒品检测的现场快检、多批次抽检的检测需求。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：包括相互连接的微流控进样模块、检测模块和表面增强拉曼光谱模块；
所述微流控进样模块用于以预设进样速度驱动待测样品、增强试剂和促凝剂进入所述检测模块；
所述检测模块用于对进入的待测样品、增强试剂和促凝剂进行混合，使其混合均匀；
所述表面增强拉曼光谱模块用于对混合均匀的试剂进行光谱检测，并根据检测得到的拉曼光谱得到毒品检测结果。
2.如权利要求1所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述微流控进样模块包括储存模块和多通道定时蠕动泵；
所述储存模块内设分别用于存储增强试剂、待测样品和促凝剂的独立存储空间，各所述独立存储空间分别通过蠕动泵硅胶管与所述多通道定时蠕动泵的各个通道相连；
所述多通道定时蠕动泵按照预设的进样速度将各试剂驱动到所述检测模块内。
3.如权利要求2所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述多通道定时蠕动泵的流量范围为0.00026-48ml/min；
所述多通道定时蠕动泵为四通道；
所述增强试剂为粒径为40-100nm的胶体金，所述促凝剂为浓度为0.01-1M的盐酸水溶液。
4.如权利要求1所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述检测模块包括底座和微流控芯片；
所述微流控芯片设置在所述底座中部，并通过设置在所述底座表面的固定夹固定；
位于所述微流控芯片进样端一侧的所述底座表面设置有进样管固定支架，用于将装载有各检测试剂的进样管出口设置在所述微流控芯片的进样端上方；
位于所述微流控芯片检测端一侧的所述底座表面设置有拉曼光谱仪探头固定支架，用于将拉曼光谱仪探头固定设置在所述微流控芯片的检测端上方。
5.如权利要求4所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述微流控芯片包括上片和下片，且所述上片和下片边缘对齐粘合固定；
所述上片一端作为微流控芯片的进样端，其表面设置有一个以上进样孔；所述上片另一端作为微流控芯片的检测端，其表面设置有检测孔；
各所述进样孔与所述检测孔经波浪型导流槽连通。
6.如权利要求5所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述上片上还设置有废液收集孔，所述废液收集孔一端通过所述导流槽与所述检测孔连通，另一端通过导管与所述废液收集模块相连。
7.如权利要求4所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述拉曼光谱仪探头固定支架包括固定设置在所述底座上的立柱，所述立柱顶部设置有向一侧延伸的横向固定架，所述横向固定架端部设置有贯穿所述横向固定架的通孔，位于所述横向固定架的另一侧，设置有与所述通孔连通的固定旋钮。
8.如权利要求4所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述进样管固定支架包括两并排设置的立杆，两所述立杆顶部通过横梁连接，所述横梁顶部开设有多个用于固定进样管的卡槽。
9.如权利要求2所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述表面增强拉曼光谱模块包括电性连接的检测操作模块和数据处理模块；
所述检测操作模块包括拉曼光谱仪和检测参数设定模块；
所述拉曼光谱仪集光栅光谱仪、激光器为一体，所述拉曼光谱仪的探头用于向所述混合均匀的试剂发射激光，同时采集所述混合均匀的试剂的拉曼光谱；
所述检测参数设定模块与所述拉曼光谱仪和多通道定时蠕动泵串连，用于设置检测参数，包括拉曼光谱仪的激光功率、积分时间、采集窗口及时间、泵流速；
所述数据处理模块用于对检测得到的拉曼光谱进行处理，得到毒品检测结果。
10.如权利要求9所述的一种集成表面增强拉曼与微流控的毒品快检系统，其特征在于：所述数据处理模块包括背景荧光去除模块、去噪模块、峰位校正模块和特征提取模块；
所述背景荧光去除模块用于对获得的拉曼光谱信号进行背景荧光去除；
所述去噪模块用于对去除背景荧光后的拉曼光谱进行去噪；
所述峰位校正模块用于将全波段范围内的拉曼位移频移重复性控制在2cm-1以内；
所述特征提取模块用于对预处理后的拉曼光谱进行特征提取，进而得到样品检测结果。
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