CN114441465B - 一种微流控芯片的吸收光度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片的吸收光度检测系统，在微流控芯片内设置有z型样品通道和两个遮光通道；两个遮光通道均设置有通光口；第一光纤准直器依次通过通光口、所述第二样品管路和通光口后与第二光纤准直器对应设置；激光光源产生激光；第一光纤准直器对激光进行准直，并将准直后的光束通过通光口照射在第二样品管路内的待检测样品上；第二光纤准直器接收经过待检测样品后的透射光；光电二极管将透射光转换为电信号；上位机根据电信号确定并显示吸收光度。本发明还在微流控芯片上集成两个遮光通道形成光学狭缝，避免接收到杂散光，从而影响检测吸收光度的准确性。

Description

一种微流控芯片的吸收光度检测系统

技术领域

本发明涉及吸收光度检测技术领域，特别是涉及一种微流控芯片的吸收光度检测系统。

背景技术

与常规吸收光度检测系统相比，基于微流控芯片的吸收光度检测系统具有检测体积少、检测通道小，能够实现试样消耗微量化和系统微型化的优点，因而具有良好的应用前景。

基于微流控芯片的吸收光度检测系统虽然易于实现小型化，但是由于通道尺寸小，导致检测光程短，极大地影响了检测灵敏度。为了在实现小型化、集成化的同时不降低其检测性能，需要对检测光程进行增长。目前已经报道的基于微流控芯片的吸收光度检测系统，主要使用了以下三种增加光程的方法：轴向检测、多反射检测和液芯波导检测。其中，轴向检测采用检测光束和微通道轴线方向一致的检测方法来提高检测光程，与多反射检测和液芯波导检测相比，轴向检测加工工艺简单，且更易于在微流控芯片上实现集成。

在轴向检测时，检测光沿着微通道方向传播，其入射光的准直性直接影响光束耦合效率，进而影响检测器的灵敏度，因此需要对检测光束进行准直，目前主要采用在微流控芯片上加工微透镜，来实现对检测光束的准直，如图1所示[Ro,K.W.,et al.,Integratedlight collimating system for extended optical-path-length absorbancedetection in microchip-based capillary electrophoresis.Analytical Chemistry,2005.77(16):p.5160-6.]，然而由于制造限制，芯片上集成的微透镜通常具有柱面透镜结构，光准直仅在水平方向获得，垂直方向的光仍然发散，因此对检测系统的光束耦合效率的提升有限。

另一个影响吸收光度检测系统检测效果的是杂散光，若其进入检测系统，就会干扰信号，影响检测器的信噪比和检测浓度的上限。目前常用的遮蔽杂散光的方法，是在芯片上粘合金属狭缝，但其对准难度较高，如图2所示[Bi X,Yu J,Li L,et al.Spatio-temporally resolved detection on a microfluidic chip for monitoring thedynamic processes of molecular events[J].Analyst,2012,137(17):4016-4022.]。

综上，基于轴向检测可以增加微流控芯片吸收光度检测系统的光程，但要有效提升系统检测性能，还需解决检测光束准直度低和杂散光的问题。现有的在微流控芯片上集成微柱面透镜的技术仅可以在一个维度对入射光进行准直，对光束耦合效率提升有限。本发明拟在基于轴向检测的微流控芯片上集成光纤准直器，来实现高准直度检测光路，提高光束耦合效率，从而提升系统检测灵敏度。同时，为解决杂散光的问题，通过在微流控芯片上加工回型微通道并填充黑墨水，实现光学狭缝的集成，减少系统杂散光，提升系统检测性能。

发明内容

本发明的目的是解决微流控芯片轴向检测的光束高准直需求以及微流控芯片的杂散光难遮蔽问题，提出了一种集成光纤准直器和回形光学狭缝的基于轴向检测的微流控芯片吸收光度检测系统，提升光束耦合效率，减少系统杂散光，进而提升吸收光度检测系统的检测性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种微流控芯片的吸收光度检测系统，所述系统包括：

激光光源、第一光纤准直器、微流控芯片、第二光纤准直器、光电二极管和上位机；所述激光光源与所述第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器均与所述微流控芯片对应设置，所述第二光纤准直器与所述光电二极管连接，所述光电二极管与所述上位机连接；

在所述微流控芯片内设置有样品通道、第一遮光通道和第二遮光通道；所述样品通道包括第一样品管路、第二样品管路和第三样品管路，所述第一样品管路和所述第三样品管路分别与所述第二样品管路的两端垂直连通；

所述第一遮光通道内设置有第一通光口，所述第二遮光通道内设置有第二通光口；所述第一光纤准直器依次通过所述第一通光口、所述第二样品管路和所述第二通光口后与所述第二光纤准直器对应设置；所述样品通道用于传输待检测样品，所述第一遮光通道和所述第二遮光通道均用于传输遮光液体；

所述激光光源用于产生激光；

所述第一光纤准直器用于对所述激光进行准直，并将准直后的光束通过所述第一通光口照射在所述第二样品管路内的待检测样品上；

所述第二光纤准直器用于接收经过所述待检测样品后的透射光，并将所述透射光发送至所述光电二极管；

所述光电二极管用于将所述透射光转换为电信号，并将电信号发送至所述上位机；

所述上位机用于根据所述电信号确定并显示吸收光度。

可选地，所述第一通光口和所述第二通光口均与所述第二样品管路的截面形状相同，且大小相等。

可选地，所述第一遮光通道和所述第二遮光通道的结构相同；所述第一遮光通道包括：

第一遮光管路、第二遮光管路和回形遮光管路，所述第一遮光管路和所述第二遮光管路分别设置在所述回形遮光管路的两端，且与所述回形遮光管路连通。

可选地，所述第一遮光通道还包括：

第三遮光管路和第四遮光管路，所述第四遮光管路与所述第一遮光管路垂直连通，所述第三遮光管路与所述第二遮光管路垂直连通。

可选地，在所述微流控芯片上还设置有两个光纤准直器通道，分别与所述第一通光口和所述第二通光口对应设置，分别用于放置第一光纤准直器和第二光纤准直器。

可选地，所述系统还包括：

信号放大处理模块，分别与所述光电二极管和所述上位机连接，用于对所述电信号进行放大处理后发送至所述上位机进行显示。

可选地，所述第二样品管路的截面形状为正方形或圆形。

可选地，当所述第二样品管路的截面形状为正方形时，所述第二样品管路的截面尺寸为500μm×500μm，光程长度为4mm。

可选地，所述微流控芯片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过在微流控芯片集成z型的样品通道，实现了长光程轴向检测，提高了吸收光度检测的灵敏度。另外，本发明在芯片上通过设计遮光通道，实现了光学狭缝的集成，解决了狭缝的对准问题，减少了系统杂散光。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有用于吸收光度检测的微流控芯片结构示意图；

图2为现有集成有光学狭缝的微流控芯片结构示意图；

图3为本发明微流控芯片的吸收光度检测系统结构框图；

图4为本发明微流控芯片结构示意图；

图5为本发明样品通道示意图；

图6为本发明第一遮光通道示意图；

图7为本发明不同浓度血红蛋白样品测试示意图；

图8为本发明血红蛋白样品重复性测试示意图；

图9为本发明不同光程的血红蛋白样品测试示意图。

符号说明：

1-激光光源，2-第一光纤准直器，3-微流控芯片，4-第二光纤准直器，5-光电二极管，6-上位机，31-样品通道，311-第一样品管路，312-第二样品管路，313-第三样品管路，32-第一遮光通道，321-第一遮光管路，322-第二遮光管路，323-回形遮光管路，324-第三遮光管路，325-第四遮光管路，326-第一通光口，33-第二遮光通道，34-光纤准直器通道。

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的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。

本发明的目的是提供一种微流控芯片的吸收光度检测系统，以提高吸收光度检测性能。

为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图3所示，本发明一种微流控芯片的吸收光度检测系统，所述系统包括：

激光光源1、第一光纤准直器2、微流控芯片3、第二光纤准直器4、光电二极管5和上位机6；所述激光光源1与所述第一光纤准直器2连接，所述第一光纤准直器2和所述第二光纤准直器4均与所述微流控芯片3对应设置，所述第二光纤准直器4与所述光电二极管5连接，所述光电二极管5与所述上位机6连接。本实施例中，所述激光光源1通过光纤与所述第一光纤准直器2连接，所述光电二极管5通过电线与所述上位机6连接。图3中黑色粗线表示光纤连接，虚线表示光路连接，细实线表示电连接。

图4为本发明微流控芯片结构示意图，其中，图4中(a)图为微流控芯片组装后剖面示意图，图4中(b)图为微流控芯片组装后三维立体示意图。如图4所示，在所述微流控芯片3内设置有样品通道31、第一遮光通道32和第二遮光通道33。

如图5所示，所述样品通道31包括第一样品管路311、第二样品管路312和第三样品管路313，所述第一样品管路311和所述第三样品管路313分别与所述第二样品管路312的两端垂直连通。

所述第一遮光通道32内设置有第一通光口326，所述第二遮光通道33内设置有第二通光口；所述第一光纤准直器2依次通过所述第一通光口326、样品通道31的第二样品管路312和所述第二通光口后与所述第二光纤准直器4对应设置；所述样品通道31用于传输待检测样品，所述第一遮光通道32和所述第二遮光通道33均用于传输遮光液体。本实施例中，遮光液体优选为黑墨水。

所述激光光源1用于产生激光；所述第一光纤准直器2用于对所述激光进行准直，并将准直后的光束(即入射光)通过所述第一通光口326照射在所述第二样品管路312内的待检测样品上；所述第二光纤准直器4用于接收经过所述待检测样品后的光束(即透射光)，并将所述透射光发送至所述光电二极管5；所述光电二极管5用于将所述透射光转换为电信号，并将电信号发送至所述上位机6；所述上位机6用于根据所述电信号确定并显示吸收光度。

本发明将所述第一通光口326和所述第二通光口的形状均与所述第二样品管路312的截面形状相同，且大小相等，其目的是为了使准直激光束直接通过第一通光口326照射在所述第二样品管路312内的待检测样品上，经过所述待检测样品后的透射光直接通过第二通光口被第二光纤准直器4接收，避免接收到杂散光，从而影响检测吸收光度的准确性。

本发明通过在微流控芯片集成z型的样品通道，实现了长光程轴向检测，提高了吸收光度检测，提高了光纤耦合效率的灵敏度。另外，本发明在芯片上通过设计遮光通道，实现了光学狭缝的集成，解决了狭缝的对准问题，减少了系统杂散光。

本发明所述第一遮光通道32和所述第二遮光通道33的结构相同；以所述第一遮光通道32为例，如图6所示，图6中(a)图为第一遮光通道32的主视图，图6中(b)图为第一遮光通道32的俯视图，所述第一遮光通道32包括：第一遮光管路321、第二遮光管路322和回形遮光管路323，所述第一遮光管路321和所述第二遮光管路322分别设置在所述回形遮光管路323的两端，且与所述回形遮光管路323连通。

进一步地，所述第一遮光通道32还包括：第三遮光管路324和第四遮光管路325，所述第四遮光管路325与所述第一遮光管路321垂直连通，所述第三遮光管路324与所述第二遮光管路322垂直连通。

作为一种可选的实施方式，本发明在所述微流控芯片3上还设置有两个光纤准直器通道34，分别与所述第一通光口326和所述第二通光口对应设置，分别用于放置第一光纤准直器2和第二光纤准直器4，为吸收光度提供高准直度检测光束，避免光路对准的难题，为检测提供了小光斑准直光束，同时集成光学狭缝，减小光束发散造成的杂散光问题。

作为一种可选的实施方式，本发明所述系统还包括：信号放大处理模块，分别与所述光电二极管5和所述上位机6连接，用于对所述电信号进行放大处理后发送至所述上位机6进行显示。

本发明所述第二样品管路312的截面形状既可以设置为正方形，还可以设置为圆形。当所述第二样品管路312的截面形状为正方形时，所述第二样品管路312的截面尺寸设置为500μm×500μm，光程长度h(即第二样品管路312的长度)设置为4mm。

本发明为了得到最大的有效光强和最小的杂散光，本发明将所述第二样品管路312的截面尺寸、所述第一通光口326和所述第二通光口(即通光的狭缝)的截面尺寸设置为相等的参数；如果设置所述第一通光口326和所述第二通光口(即通光的狭缝)的截面尺寸大于所述第二样品管路312的截面尺寸，则会引起杂散光的增加；如果设置所述第一通光口326和所述第二通光口(即通光的狭缝)的截面尺寸小于所述第二样品管路312的截面尺寸，则会导致接收到的光强减小。

本发明将光纤准直器的束腰位置设置在样品Z型通道的中间来实现系统对称，并且使光纤准直后经过检测池的光斑尺寸与样品通道的尺寸相当，从而减少杂散光，提高光束能量的利用率，实现光束的传输和耦合的最大效率。

作为一种可选的实施方式，本发明所述微流控芯片3的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)俗称有机玻璃，是一种硬质热塑性聚合物，在287-2600nm波长范围的透光率在86-90％，能够在保证芯片定位精度的同时提供良好的光学检测性能。

本发明采用数控微铣削快速成型工艺以及氧等离子体键合工艺相结合来构建微流控芯片3。

本发明的目的是解决微流控芯片轴向检测的光束准直度问题，以及微流控芯片的杂散光遮蔽难题，提出了一种集成光纤准直器和回形光学狭缝的微流控芯片技术，以提供光纤耦合效率和系统灵敏度，降低光束对准难度和系统杂散光。

实施例2

本发明遮光液体选为黑墨水，采用实施例1中的系统分别作了以下三种实验：

第一种实验为将不同浓度的血红蛋白样品作为待检测样品进行吸收光度检测；第二种实验为将同一浓度的血红蛋白样品作为待检测样品进行多次重复吸收光度检测；第三种实验为采用不同光程进行吸收光度检测。

图7给出了不同浓度血红蛋白样品测试示意图，图8给出了血红蛋白样品重复性测试示意图，由图7-图8可知，在30秒内完成检测；血红蛋白的浓度越大，吸光度值越大；通入5g/L的血红蛋白溶液时，吸光度峰高重复性误差为3.45％。

图9给出了不同光程的血红蛋白样品测试示意图，由图9可以看出，样品浓度与吸光度基本呈线性关系。本发明为集成z型池的芯片(光程为4mm)，相比于无z池(光程为0.5mm)，光程更长，灵敏度更高。且通过在微流控芯片上集成回型遮光通道，使杂散光降到0.168％。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述系统包括：

激光光源、第一光纤准直器、微流控芯片、第二光纤准直器、光电二极管和上位机；所述激光光源与所述第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器均与所述微流控芯片对应设置，所述第二光纤准直器与所述光电二极管连接，所述光电二极管与所述上位机连接；

在所述微流控芯片内设置有样品通道、第一遮光通道和第二遮光通道；所述样品通道包括第一样品管路、第二样品管路和第三样品管路，所述第一样品管路和所述第三样品管路分别与所述第二样品管路的两端垂直连通；

所述第一遮光通道内设置有第一通光口，所述第二遮光通道内设置有第二通光口；所述第一光纤准直器依次通过所述第一通光口、所述第二样品管路和所述第二通光口后与所述第二光纤准直器对应设置；所述样品通道用于传输待检测样品，所述第一遮光通道和所述第二遮光通道均用于传输遮光液体；

所述激光光源用于产生激光；

所述第一光纤准直器用于对所述激光进行准直，并将准直后的光束通过所述第一通光口照射在所述第二样品管路内的待检测样品上；

所述第二光纤准直器用于接收经过所述待检测样品后的透射光，并将所述透射光发送至所述光电二极管；

所述光电二极管用于将所述透射光转换为电信号，并将电信号发送至所述上位机；

所述上位机用于根据所述电信号确定并显示吸收光度。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述第一通光口和所述第二通光口均与所述第二样品管路的截面形状相同，且大小相等。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述第一遮光通道和所述第二遮光通道的结构相同；所述第一遮光通道包括：

第一遮光管路、第二遮光管路和回形遮光管路，所述第一遮光管路和所述第二遮光管路分别设置在所述回形遮光管路的两端，且与所述回形遮光管路连通。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述第一遮光通道还包括：

第三遮光管路和第四遮光管路，所述第四遮光管路与所述第一遮光管路垂直连通，所述第三遮光管路与所述第二遮光管路垂直连通。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，在所述微流控芯片上还设置有两个光纤准直器通道，分别与所述第一通光口和所述第二通光口对应设置，分别用于放置第一光纤准直器和第二光纤准直器。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述系统还包括：

信号放大处理模块，分别与所述光电二极管和所述上位机连接，用于对所述电信号进行放大处理后发送至所述上位机进行显示。

7.根据权利要求2所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述第二样品管路的截面形状为正方形或圆形。

8.根据权利要求7所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，当所述第二样品管路的截面形状为正方形时，所述第二样品管路的截面尺寸为500μm×500μm，光程长度为4mm。

9.根据权利要求1所述的微流控芯片的吸收光度检测系统，其特征在于，所述微流控芯片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。