CN114594082A - 一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微方法，激光器发射的激光通过滤光片照射到微流控芯片的样品待检测区上；经过样品待检测区拉曼散射的光线经过滤光片组被光电探测器接收，经由信号处理电路进行数据采集并传输至终端设备。激光光源经过透过滤光片入射到待检测区的待检测样品介质表面，经过介质散射后的光向四周射出，含有多个拉曼峰值的拉曼散射射线经过多个不同的波长的窄带滤光片后，分别被不同的硅光电探测器接收，这些硅光电探测器分别将光信号转化为电信号后，传输至信号处理电路中进行光信号积分等操作，是一种面向嵌入芯片实验室工作的基于多个光谱探测器的拉曼光谱检测简化缩微方法。

Description

一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微方法
技术领域
本发明涉及面向芯片实验室的拉曼光谱检测系统简化缩微的一种方法，主要为了解决目前拉曼光谱仪的光谱扫描机械部分在缩微时的困难，该方法为拉曼光谱检测的简化缩微以及与芯片实验室的功能集成提供一种创新思路，应用于生物学、化学、医学检测等领域，本发明属于拉曼光谱检测技术领域。
背景技术
芯片实验室(Lab On a Chip,LOC)，又称全微分析系统(Miniaturized TotalAnalysis System,μ-TAS)是将生化分析的许多过程与步骤，即生化分析实验室的功能集成结构缩微在邮票大小的芯片上，具有过程集成化、自动化、微缩化的特点，能够极大地减少试剂的消耗量，缩短分析时间，提高分析检测效率，在面向空间应用或模拟空间微重力的回转器中有着广泛的应用。
在全微分析系统中，需要对系统中的物质进行检测，拉曼光谱检测是一种常用的检测方法。拉曼光谱是一种分子指纹光谱，在分析物质种类等方面有着明显的优势，且拉曼光谱检测时在可视区内使用激光，因此可将样品盛放在PMMA、PDMS、有机玻璃、高分子树脂等透光材质上，进而拉曼光谱检测可以很好的与以上述材质为基底的微流控生物芯片(芯片实验室的一种形式)进行集成。
拉曼光谱检测的结果是一张连续的谱图，其中横座标为拉曼偏移量，纵座标为拉曼强度。拉曼偏移与激发光波长无关，因此一种已知物质对应的拉曼光谱谱图是唯一的，这种唯一的谱图称作拉曼标准谱图。某种物质的标准谱图中一般包含3至5个峰值，称作拉曼特征峰。对未知样本进行拉曼光谱检测得到谱图后，对比某种物质的拉曼光谱标准谱图，即可根据特征峰推断出未知样品中是否含有这种物质，根据拉曼强度可以得知该物质的含量多少。
目前，拉曼光谱检测为了测出多个拉曼特征峰，需要进行光谱扫描，其优点是可以找到被测样品中需要找的所有物质，即通过比对扫描结果中的多个特征峰与某物质的标准谱图是否相符，来认证此物质是否存在。在光谱扫描过程中，需要丝杠传动等机械结构，且这些结构在系统里是必须存在的，在面向空间应用或模拟空间微重力的回转器中，机械传动将严重影响拉曼光谱检测结果。此外，拉曼光谱检测光路中存在分光结构，需要一定的光程才能实现分光，为了避免光强损失而加入的聚光透镜等光学系统因结构复杂、体积大等原因不利于和芯片实验室进行集成。
上述因素从根本上阻碍了拉曼光谱检测系统进一步微型化的发展，如果能从结构上进行改进，避免上述光谱扫描过程，将为拉曼光谱检测的结构缩微，及其与芯片实验室的功能集成等方面带来极大的改善。
发明内容
本发明目的是将拉曼光谱检测简化集成到诸如微流控生物化学芯片的芯片实验室中，进而实现各类全微分析系统拉曼光谱检测技术的微型集成化。为了解决在现有的拉曼光谱检测中存在的机械结构造成体积上与结构上的障碍、难以与芯片实验室集成等问题，本发明提供一种面向嵌入芯片实验室工作的基于多个光谱探测器的拉曼光谱检测简化缩微方法。
本发明采用的技术方案为面向芯片实验室的拉曼光谱检测装置，包括：激光器(1)、滤光片(2)、滤光片组(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)；激光器(1)发射的激光通过滤光片(2)照射到微流控芯片(6)的样品待检测区(7)上；经过样品待检测区(7)拉曼散射的光线经过滤光片组(3)被光电探测器(4)接收，经由信号处理电路(5)进行数据采集并传输至终端设备。
进一步地，所述的激光器(1)为半导体激光器。
进一步地，所述的滤光片(2)为透过滤光片，介于激光器(1)于样品待检测区(7)之间。
进一步地，所述的滤光片组(3)为窄带滤光片或多片滤光片的组合，根据拉曼特征峰的数量及拉曼偏移值进行选择，每个滤光片后设有一个光电探测器(4)。
进一步地，所述的滤光片组(3)和光电探测器(4)二者之间通过遮光的固定装置连接。
进一步地，所述的光电探测器(4)为光电倍增管或者硅光电倍增管，通过信号采集电路(5)驱动进行光电信号的采集；
进一步地，所述的激光器(1)、滤光片(2)、滤光片组(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)嵌入到微流控芯片(6)中的样品待检测区(7)处，与微流控芯片(6)进行集成。
激光器(1)发射的光经过滤光片(2)后得到波长为λincident的入射光，入射光照射到待检测区(7)样品后发生拉曼散射，向四周散射的光子波长变为λscattered。拉曼偏移
Figure BDA0003519726310000022
、入射光λincident与拉曼散射光λscattered的关系为
Figure BDA0003519726310000021
拉曼散射光经过滤光片组(3)后，只有特定波长的光子能够被其后的光电探测器(4)接收，光电探测器(4)将光信号转换为电信号，电信号由信号处理电路(5)进行数据采集并传输至实验人员终端设备。其中，滤光片组(3)中窄带滤光片的数量n与中心波长λ由某种已知物质标准谱图中的拉曼特征峰值决定，其中n为拉曼特征峰数量，第i个窄带滤光片的中心波长λi根据拉曼特征峰对应的第i个峰值
Figure BDA0003519726310000031
经过公式
Figure BDA0003519726310000032
计算得到。若光电探测器(4)检测到信号，则说明待检测区(7)中的样品中存在该种物质。
与现有技术相比较，本发明为非实验环境(公共场合，突发事件场合应急)检测特定有害物质、危险物质和易爆物质提供了智能化、小型化、便携化专用设备的技术来源。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是本发明的技术实施过程图；
图中：1、激光器，2、透过滤光片，3、窄带滤光片组，4、光电探测器，5、信号处理电路，6、微流控芯片，7、样品待检测区。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明采用的技术方案为面向芯片实验室的拉曼光谱检测装置(图1)，其自下而上依次包括：激光器(1)、滤光片(2)、滤光片组(3)、光电探测器(4)、信号处理电路(5)；为了更好地阐述本发明，图中画出了微流控芯片(6)以及微流控芯片中的待检测区(7)；激光器(1)为半导体激光器，滤光片(2)为透过滤光片，介于激光器(1)于待检测区(7)之间；滤光片组(3)为窄带滤光片或多片滤光片的组合，可根据拉曼特征峰的数量及拉曼偏移值进行选择，每个滤光片后设有一个光电探测器(4)。滤光片组(3)和光电探测器(4)二者之间通过遮光的固定装置连接。由于距离是损失光强的重要因素之一，滤光片组(3)以及光电探测器(4)需要尽量靠近待检测区(7)样品，如此可以避免杂光进入，同时避免光路损失；光电探测器(4)为光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)，通过信号采集电路(5)驱动进行光电信号的采集；上述组件(1、2、3、4、5)可嵌入到微流控芯片中的待检测区域附近，与微流控芯片进行集成。
本实施例的具体技术方案参见图1和图2，其中激光器1为半导体激光器、窄带滤光片组3为5组窄带滤光片；光电探测器4为SiPM硅光电探测器、待检测样品放置在微流控芯片中的样品待检测区7中。
为说明本发明的具体实施方式，假设待检测的物质为罗丹明6G(R6G)，分子式为C28H31N2O3Cl，其拉曼标准谱图中的特征峰主要为611cm-1、1183cm-1、1360cm-1、1507cm-1、1648cm-1；选用的激光器633nm红光激光器(FC-D-633,长春新产业光电技术有限公司)以及633nm的透过滤光片(633BP15OD2T80K01,Mega-9)，即入射光波长λincident＝633nm；根据公式
Figure BDA0003519726310000041
可计算得到拉曼偏移对于的拉曼散射波长为658.5nm、684.2nm、692.6nm、699.8nm、706.7nm；根据上述波长选取5组窄带滤光片：对于658.5nm的波长，选取中心波长658.7nm，带宽3nm的滤光片(CZD6587-3,Aunion)，对于684.2nm的波长，选取中心波长685nm，带宽10nm的滤光片(685-10OD4,Edmund Optics Inc)，对于692.6nm的波长，选取中心波长690nm，带宽10nm的滤光片(690-10OD4,Alluax)，对于699.8nm的波长，选取中心波长700nm，带宽10nm的滤光片(700-10OD4,Edmund Optics Inc)，对于706.7nm的波长，选取中心波长706.5nm，带宽1.5nm的滤光片(706.5-1.5OD6,Alluax)；根据五组滤光片的波长范围，选取光谱响应范围300-1100nm的硅光的倍增管(RB-Series SiPM MICRORB-10035,Onsemi)。
本发明的工作流程如下：当需要检测微流控芯片待检测区中样品是否包含R6G时，打开激光器(1)，激光光源经过透过滤光片(2)入射到待检测区(7)的待检测样品介质表面，经过介质散射后的光向四周射出，含有多个拉曼峰值的拉曼散射射线经过5个不同的波长的窄带滤光片(3)后，分别被不同的硅光电探测器(4)接收，这些硅光电探测器分别将光信号转化为电信号后，传输至信号处理电路(5)中进行光信号积分等操作，最终通过有线或无线形式将数据传输至实验人员的笔记本电脑或是手机等接收终端。若所有的光电探测器均接受到信号，并且具有一定强度，则说明待检测区样品中含有R6G物质；若部分或所有光电探测器未收到信号，或信号强度达不到一定水平，则说明待检测区不含R6G物质。以上即为本发明在芯片实验室中对R6G进行拉曼光谱检测的过程。

Claims (8)

1.一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：包括激光器(1)、滤光片(2)、滤光片组(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)；激光器(1)发射的激光通过滤光片(2)照射到微流控芯片(6)的样品待检测区(7)上；经过样品待检测区(7)拉曼散射的光线经过滤光片组(3)被光电探测器(4)接收，经由信号处理电路(5)进行数据采集并传输至终端设备。
2.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的激光器(1)为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的滤光片(2)为透过滤光片，介于激光器(1)于样品待检测区(7)之间。
4.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的滤光片组(3)为窄带滤光片或多片滤光片的组合，根据拉曼特征峰的数量及拉曼偏移值进行选择，每个滤光片后设有一个光电探测器(4)。
5.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的滤光片组(3)和光电探测器(4)二者之间通过遮光的固定装置连接。
6.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的光电探测器(4)为光电倍增管或者硅光电倍增管，通过信号采集电路(5)驱动进行光电信号的采集。
7.根据权利要求1所述的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微装置，其特征在于：所述的激光器(1)、滤光片(2)、滤光片组(3)、光电探测器(4)和信号处理电路(5)嵌入到微流控芯片(6)中的样品待检测区(7)处，与微流控芯片(6)进行集成。
8.利用权利要求1-7任一装置进行的一种面向芯片实验室的拉曼光谱检测简化缩微方法，其特征在于：激光器(1)发射的光经过滤光片(2)后得到波长为λincident的入射光，入射光照射到待检测区(7)样品后发生拉曼散射，向四周散射的光子波长变为λscattered。拉曼偏移
Figure FDA0003519726300000014
入射光λincident与拉曼散射光λscattered的关系为
Figure FDA0003519726300000011
拉曼散射光经过滤光片组(3)后，只有特定波长的光子能够被其后的光电探测器(4)接收，光电探测器(4)将光信号转换为电信号，电信号由信号处理电路(5)进行数据采集并传输至实验人员终端设备。其中，滤光片组(3)中窄带滤光片的数量n与中心波长λ由某种已知物质标准谱图中的拉曼特征峰值决定，其中n为拉曼特征峰数量，第i个窄带滤光片的中心波长λi根据拉曼特征峰对应的第i个峰值
Figure FDA0003519726300000012
经过公式
Figure FDA0003519726300000013
计算得到。若光电探测器(4)检测到信号，则说明待检测区(7)中的样品中存在该种物质。
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