CN113340441A - 发光检测系统 - Google Patents

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于艳楠
李娅宁
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Abstract

本申请公开了一种发光检测系统，所述发光检测系统包括：MPPC模块，所述MPPC模块包括光子计数阵列，所述光子计数阵列具有多个像素单元；光纤模块，所述光纤模块具有多条光纤，所述光纤的一端与所述像素单元接触，另一端与待测芯片中的探测区域接触；样品台，所述样品台用于承载所述待测芯片；其中，所述光纤模块的一端与所述MPPC模块固定连接，另一端与所述样品台固定连接；当所述MPPC模块中的任意一个所述像素单元检测到所述待测芯片发出的一个光子时，输出一个脉冲信号。应用本发明提供的技术方案，灵敏度较高，可以提高光子的收集效率，实现NA的大幅度提高。

Description

发光检测系统
技术领域
本发明涉及生物医学和显微技术领域，尤其是涉及一种发光检测系统。
背景技术
光子计数器是一种基于直接探测量子限理论的极微弱光脉冲检测设备。它利用光电倍增管的单光子检测技术，通过对电子计数器鉴别并测量单位时间内的光子数，从而检测离散微弱光脉冲信号功率。
MPPC(多像素光子计数器)是一种用于光子计数和其他超低光应用的固态光电探测器。MPPC由高密度雪崩光电二极管(APD)组成，当在盖革模式下工作时，产生高内部增益，可实现单光子探测。
现有技术中，受限于MPPC规则的多通道方形阵列排布以及容易损坏的阵列表面，MPPC芯片表面无法直接与化学发光免疫分析芯片和电化学发光免疫分析装置直接接触测量，如若采用透镜将发光信号聚焦在APD像素上，较低的NA(光纤的数值孔径)会导致该光学系统收集光的效率变差，无法提供足够高的灵敏度以描绘发光的峰值或检测极低浓度下的化学发光和电化学发光反应。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种发光检测系统，灵敏度较高，可以提高光子的收集效率，并实现NA的大幅度提高。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种发光检测系统，所述发光检测系统包括：
MPPC模块，所述MPPC模块包括光子计数阵列，所述光子计数阵列具有多个像素单元；
光纤模块，所述光纤模块具有多条光纤，所述光纤的一端与所述像素单元接触，另一端与待测芯片中的探测区域接触；
样品台，所述样品台用于承载所述待测芯片；
其中，所述光纤模块的一端与所述MPPC模块固定连接，另一端与所述样品台固定连接；当所述MPPC模块中的任意一个所述像素单元检测到所述待测芯片发出的一个光子时，输出一个脉冲信号。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述光子计数阵列为M×N的矩形阵列，其中M、N均为大于1的正整数。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述像素单元的形状为矩形或圆形；
两个所述像素单元之间的间隔为0.1μm-0.5μm。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述光纤模块还具有铝合金外壳，所述光纤位于所述铝合金外壳内。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述光纤模块具有Y条所述光纤，所述光纤与所述像素单元相对设置，一条所述光纤对应连接一个所述像素单元，其中Y＝M×N。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述光纤为圆柱形塑料光纤、或正方形束玻璃纤维、或二氧化硅光纤、或特种光纤。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述光纤与所述像素单元接触的一端为M×N的矩阵排列，其中M、N均为大于1的正整数；
所述光纤与所述待测芯片接触的一端为圆形排列或多边形排列。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述样品台为工程塑料POM。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述MPPC模块还包括：电流电压转换电路、比较器电路、高压电源电路以及温度补偿电路；
其中，所述温度补偿电路与所述高压电源电路、所述光子计数阵列、所述电流电压转换电路以及所述比较器电路依次连接。
优选的，在上述的发光检测系统中，所述待测芯片为化学发光芯片或电化学发光芯片。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的发光检测系统中，结合了MPPC高灵敏度和光纤光收集效率高等特点，对发光强度较低的化学发光和电化学发光免疫分析，可进一步降低免疫分析的检测限，并且样品台所使用的工程塑料POM具有较好的耐腐性，一些纸基化学发光检测芯片可以直接与光纤贴合进行检测，进一步提高光纤对光子的收集效率。而且对于不同的检测需求，该检测系统具有设计上的灵活性与配适性，可以满足化学发光、电化学发光等多种不同检测方法以及各种各样的芯片结构设计。与传统的基于CCD的化学发光检测系统相比，基于光纤和MPPC的发光检测系统可以实现NA的大幅度提高，具有较高的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种发光检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种发光检测系统的俯视图；
图3为图1所示发光检测系统在BB’方向上的切面图；
图4为本发明实施例提供的一种光子计数阵列的俯视图；
图5为本发明实施例提供的一种MPPC模块的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种化学发光芯片的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种化学发光芯片检测前的俯视图；
图8为本发明实施例提供的一种化学发光芯片检测后的俯视图；
图9为本发明实施例中提供的MPPC各通道对化学发光的响应曲线图；
图10为本发明实施例提供的另一种发光检测系统的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种发光检测系统的俯视图；
图12为本发明实施例提供的MPPC各通道对电化学发光的响应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
化学发光免疫分析和电化学发光免疫分析是现代临床实验室和生命科学的重要技术之一，它在许多疾病的诊断、治疗和治愈后的检测都有重要意义。化学发光(CL)中能量是由化学反应产生的，一般是氧化还原过程。在免疫复合物中注入氧化剂后，由于免疫复合物与氧化剂之间的氧化作用，发光材料会进入激发态，发射光子并释放能量，继而返回稳定状态。电化学发光(ECL)是由电化学方法触发的化学发光，过程中在电极处产生的物质经过电子转移反应形成激发态发光。尽管在化学发光和电化学发光免疫分析过程中，CMOS和CCD等元件已经被广泛的用于发光强度的测量，然而化学发光和电化学发光免疫分析反应产生的荧光能量很小，只有10-17～10-15W。这些微弱的荧光或经过透镜组或直接投射在CMOS上，能量被分散给CMOS中数以百计的微小像素，每个小像素所对应的能量涨幅是微不可查的。因此CMOS等元件无法提供足够高的灵敏度以描绘发光的峰值或检测极低浓度下的化学发光和电化学发光反应。
MPPC阵列模块是一个光子计数模块，由多个APD像素组成，每个APD像素的尺寸均为3mm×3mm的正方形，集中在单个像素区域的光信号能够完全被该像素探测。MPPC的每个APD像素在检测到一个光子时输出一个脉冲信号，因此MPPC的像素在其输出脉冲计数率振幅分布曲线中具有单光子峰值，可以非常灵敏地探测低水平发光信号。这对于发光信号弱、形状规则的化学发光和电化学发光检测十分有利。
但是，受限于MPPC规则的多通道方形阵列排布以及容易损坏的阵列表面，MPPC芯片表面无法直接与化学发光免疫分析芯片和电化学发光免疫分析芯片直接接触测量；如若采用透镜将发光信号聚焦在APD像素上，较低的NA会导致该光学系统收集光的效率变差。
因此，本发明结合光纤传导，开发一种基于MPPC的易操作、低光损耗、可适应多种芯片规格的化学发光和电化学发光免疫分析系统，是有必要的。不仅可以进一步降低化学发光和电化学发光的检测限，而且使得MPPC模块便于操作使用，为自动化检测样品提供可能。
本发明提供的发光检测系统包括：
MPPC模块，所述MPPC模块包括光子计数阵列，所述光子计数阵列具有多个像素单元；
光纤模块，所述光纤模块具有多条光纤，所述光纤的一端与所述像素单元接触，另一端与待测芯片中的探测区域接触；
样品台，所述样品台用于承载所述待测芯片；
其中，所述光纤模块的一端与所述MPPC模块固定连接，另一端与所述样品台固定连接；当所述MPPC模块中的任意一个所述像素单元检测到所述待测芯片发出的一个光子时，输出一个脉冲信号。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的发光检测系统中，结合了MPPC高灵敏度和光纤光收集效率高等特点，对发光强度较低的化学发光和电化学发光免疫分析，可进一步降低免疫分析的检测限，并且样品台所使用的工程塑料POM具有较好的耐腐性，一些纸基化学发光检测芯片可以直接与光纤贴合进行检测，进一步提高光纤对光子的收集效率。而且对于不同的检测需求，该检测系统具有设计上的灵活性与配适性，可以满足化学发光、电化学发光等多种不同检测方法以及各种各样的芯片结构设计。与传统的基于CCD的化学发光检测系统相比，基于光纤和MPPC的发光检测系统可以实现NA的大幅度提高，具有较高的灵敏度。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
参考图1-图3，图1为本发明实施例提供的一种发光检测系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种发光检测系统的俯视图，图3为图1所示发光检测系统在BB’方向上的切面图。
如图1-图3所示，所述发光检测系统包括：
MPPC模块10，所述MPPC模块10包括光子计数阵列，所述光子计数阵列具有多个像素单元；
光纤模块20，所述光纤模块20具有多条光纤21，所述光纤21的一端与所述像素单元接触，另一端与待测芯片中的探测区域接触；
样品台30，所述样品台30用于承载所述待测芯片；所述待测芯片可以为化学发光芯片或电化学发光芯片；
其中，所述光纤模块20的一端与所述MPPC模块10固定连接，另一端与所述样品台30固定连接；当所述MPPC模块10中的任意一个所述像素单元检测到所述待测芯片发出的一个光子时，输出一个脉冲信号。
本发明实施例中，所述光纤模块20具有Y条光纤21，所述光纤21与所述像素单元相对设置，一条光纤21对应连接一个像素单元。需要说明的是，所述光纤21的数量与所述像素单元的数量相同，可以基于需求设定。例如，本申请中，Y＝16，即光纤模块20具有16条光纤21，以及16个像素单元，光纤21与像素单元相对设置，一条光纤21对应连接一个像素单元。
其中，所述光纤21与所述像素单元接触的一端为M×N的矩阵排列，其中M、N均为大于1的正整数；所述光纤21与所述待测芯片接触的一端为圆形排列或多边形排列。例如，本方案中，光纤21与像素单元接触的一端为4×4的矩阵排列，光纤21与待测芯片接触的一端为呈圆形排列，其中光纤21和待测芯片接触的一端与工程塑料POM之间使用胶水粘接，防止液体渗漏。
需要说明的是，光纤21与像素单元接触的一端的排列方式需要与像素单元的排列方式保持一致；光纤21与待测芯片接触的一端的排列方式可以基于需求设定，不限于本申请所述方式。
本发明实施例中，所述光纤模块20还具有铝合金外壳，所述光纤21位于所述铝合金外壳内。需要说明的是，所述铝合金外壳的形状可以基于需求设定，例如可以为圆锥形或圆柱形。
光纤模块20以及连接MPPC模块10与光纤模块20的外壳均为6系铝合金所制，外壳与MPPC模块10之间使用螺丝限位，并通过弹簧保持光纤21和光子计数阵列之间的距离。
其中，所述光纤21在铝合金圆锥形外壳内部悬空放置，两端均以胶水进行固定。该铝合金圆锥形外壳同时附有光纤21下端面与MPPC模块20接触的固定功能，与MPPC模块20之间使用螺丝限位，并通过弹簧保持光纤21和光子计数阵列之间的距离，防止接触压力过大对像素单元造成不可逆的损坏。
进一步的，所述光纤21可以为圆柱形塑料光纤、或正方形束玻璃纤维、或二氧化硅光纤、或特种光纤等其他光纤材料，可以根据需求选择相应的材料。
对于所检测的化学发光芯片和电化学发光芯片，出于溶液均匀混合和尺寸需求等考虑，本发明检测系统采用了多根3mm直径的圆柱形塑料光纤，一端直接与像素单元接触，另外一端与待测芯片中对应的探测区域接触，两个端面之间确保弯曲角度在可接受范围内，并保证光纤21内部无裂纹。
3mm直径的圆柱形塑料光纤可以实现NA在0.5左右，和基于透镜组聚焦的方法(NA在0.1～0.3之间)相比，有更大的光信号收集效率。如有更高的需求，还可以更换为NA＝0.9的正方形束玻璃纤维，进一步减少化学发光的信号损失。需要说明的是，光纤的大小可以基于需求设定，不限于本申请所述方式。
本发明实施例中，所述样品台30使用工程塑料POM制作，光纤21上端面在样品台30上的具体排布位置视测量芯片尺寸而定，可以为圆形排布或是其他形状排布，即光纤在样品台30表面的空间分布具有极高的灵活性，可以通过底部结构统一的铝合金圆锥形外壳和工程塑料POM制作的样品台20将不同排列形状的光纤21连接在MPPC模块10排列整齐的光子计数阵列上。因此，针对不同的化学发光或电化学发光需求，该检测系统都可以灵活且方便的与其配适。
本发明技术方案结合了MPPC模块10高灵敏度和光纤21光收集效率高等特点，对发光强度较低的化学发光和电化学发光免疫分析，可进一步降低免疫分析的检测限，提高光纤21对光子的收集效率，并且对于不同的检测需求，该检测系统具有设计上的灵活性与配适性，可以满足化学发光、电化学发光等多种不同检测方法以及各种各样的芯片结构设计。与传统的基于CCD的化学发光检测系统相比，可以实现NA的大幅度提高，具有较高的灵敏度。
本发明实施例中，所述光子计数阵列为M×N的矩形阵列，其中M、N均为大于1的正整数。例如本申请中，光子计数阵列为4×4的矩形阵列，该矩形阵列中具有16个像素单元，每个像素单元的形状可以为矩形，如可以为3mm×3mm的正方形；两个像素单元之间的间隔可以为0.1μm-0.5μm，如可以为0.2μm。需要说明的是，所述像素单元的形状、尺寸、以及像素单元之间的间隔可以基于需求设定，不限于本申请所述方式。
如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种光子计数阵列的俯视图。所述光子计数阵列由16个像素单元11(APD像素)组成，每个像素单元11的尺寸均为3mm×3mm的正方形，以0.2μm为间隔排列为4×4的APD矩形阵列。MPPC模块10中的每个像素单元11在检测到待测芯片发出的一个光子时输出一个脉冲信号，因此，MPPC模块10中的像素单元11在其输出脉冲计数振幅分布曲线中具有单光子峰值。
如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种MPPC模块的结构示意图，MPPC模块10由光子计数阵列01、电流电压转换电路04、比较器电路05、高压电源电路03和温度补偿电路02组成，无需外部电源08，可直接由USB 07供电。
其中，所述温度补偿电路02与所述高压电源电路03、所述光子计数阵列01、所述电流电压转换电路04以及所述比较器电路05依次连接。
本发明实施例中，发光检测系统可以通过USB 07接口连接CPU 06，无需外部电源08，可直接由USB 07供电，通过光子计数阵列01测量化学发光或电化学发光反应数据，并将测量数据传输到计算机，通过MPPC模块10实时记录各个通道的发光情况。
需要说明的是，MPPC模块10增益取决于环境温度和偏置电压。所以，为了稳定下来必须为偏置电压提供增益和温度补偿。为了保持MPPC模块10增益恒定，高压电源电路03使用C11204-01，高精度的MPPC功率供应，可以实现高精度的温度补偿。
本发明实施例中，所述待测芯片可以为化学发光芯片或是电化学发光芯片。以化学发光芯片为例，如图6-图8所示，图6为本发明实施例提供的一种化学发光芯片的结构示意图，图7为本发明实施例提供的一种化学发光芯片检测前的俯视图，图8为本发明实施例提供的一种化学发光芯片检测后的俯视图。
首先，如图6所示，芯片60准备方面，以石蜡为材料，在滤纸上构建化学发光检测流道，芯片60上有石蜡的部分61形成疏水屏障，没有石蜡的部分62保持干燥纤维结构，构成液体流道。
然后，如图7所示，将芯片60放置于样品台30上，通过磁铁固定在样品台30上。
再然后，如图8所示，对整个发光检测系统进行遮光处理后，在芯片60的中间区域63注入氧化剂(过氧化氢)。
最后，通过USB接口连接计算机，通过MPPC模块10实时记录各个通道的发光情况。
如图9所示，图9为本发明实施例中提供的一种MPPC各通道对化学发光的响应曲线图，横坐标表示时间，纵坐标表示光子，如图所示，在10nM ABEI浓度下，各APD像素对低浓度化学发光分析仍能清晰地显示发光反应的峰值，具有较高的灵敏度。
如图10和图11所示，图10和图11为针对电化学发光芯片设计的检测系统结构图，图10为本发明实施例提供的另一种发光检测系统的结构示意图，图11为本发明实施例提供的另一种发光检测系统的俯视图。电化学发光检测设备的大致构型和材料与化学发光检测设备一致，不同之处在于为了与检测的对应电化学发光芯片配适，光纤上端面呈4×4的矩形阵列排布。
如图12所示，图12为本发明实施例提供的一种MPPC各通道对电化学发光的响应曲线图，横坐标表示时间，纵坐标表示强度，可以明显的看到通电瞬间，电化学发光信号的上升峰。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的发光检测系统中，结合了MPPC高灵敏度和光纤光收集效率高等特点，对发光强度较低的化学发光和电化学发光免疫分析，可进一步降低免疫分析的检测限，并且样品台所使用的工程塑料POM具有较好的耐腐性，一些纸基化学发光检测芯片可以直接与光纤贴合进行检测，进一步提高光纤对光子的收集效率。而且对于不同的检测需求，该检测系统具有设计上的灵活性与配适性，可以满足化学发光、电化学发光等多种不同检测方法以及各种各样的芯片结构设计。与传统的基于CCD的化学发光检测系统相比，基于光纤和MPPC的发光检测系统可以实现NA的大幅度提高，以及100倍以上的检测限提升，具有较高的灵敏度。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种发光检测系统，其特征在于，所述发光检测系统包括：
MPPC模块，所述MPPC模块包括光子计数阵列，所述光子计数阵列具有多个像素单元；
光纤模块，所述光纤模块具有多条光纤，所述光纤的一端与所述像素单元接触，另一端与待测芯片中的探测区域接触；
样品台，所述样品台用于承载所述待测芯片；
其中，所述光纤模块的一端与所述MPPC模块固定连接，另一端与所述样品台固定连接；当所述MPPC模块中的任意一个所述像素单元检测到所述待测芯片发出的一个光子时，输出一个脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的发光检测系统，其特征在于，所述光子计数阵列为M×N的矩形阵列，其中M、N均为大于1的正整数。
3.根据权利要求2所述的发光检测系统，其特征在于，所述像素单元的形状为矩形或圆形；
两个所述像素单元之间的间隔为0.1μm-0.5μm。
4.根据权利要求1所述的发光检测系统，其特征在于，所述光纤模块还具有铝合金外壳，所述光纤位于所述铝合金外壳内。
5.根据权利要求4所述的发光检测系统，其特征在于，所述光纤模块具有Y条所述光纤，所述光纤与所述像素单元相对设置，一条所述光纤对应连接一个所述像素单元，其中Y＝M×N。
6.根据权利要求5所述的发光检测系统，其特征在于，所述光纤为圆柱形塑料光纤、或正方形束玻璃纤维、或二氧化硅光纤、或特种光纤。
7.根据权利要求6所述的发光检测系统，其特征在于，所述光纤与所述像素单元接触的一端为M×N的矩阵排列，其中M、N均为大于1的正整数；
所述光纤与所述待测芯片接触的一端为圆形排列或多边形排列。
8.根据权利要求1所述的发光检测系统，其特征在于，所述样品台为工程塑料POM。
9.根据权利要求1所述的发光检测系统，其特征在于，所述MPPC模块还包括：电流电压转换电路、比较器电路、高压电源电路以及温度补偿电路；
其中，所述温度补偿电路与所述高压电源电路、所述光子计数阵列、所述电流电压转换电路以及所述比较器电路依次连接。
10.根据权利要求1所述的发光检测系统，其特征在于，所述待测芯片为化学发光芯片或电化学发光芯片。
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