CN117571692A - 基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 - Google Patents
基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117571692A CN117571692A CN202311534010.9A CN202311534010A CN117571692A CN 117571692 A CN117571692 A CN 117571692A CN 202311534010 A CN202311534010 A CN 202311534010A CN 117571692 A CN117571692 A CN 117571692A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrochemiluminescence
- lens
- image sensor
- chip
- free
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 105
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 27
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 15
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 11
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 11
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 9
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 claims description 8
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 3
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 claims description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract 1
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 13
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 13
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 10
- HWYHZTIRURJOHG-UHFFFAOYSA-N luminol Chemical compound O=C1NNC(=O)C2=C1C(N)=CC=C2 HWYHZTIRURJOHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000001378 electrochemiluminescence detection Methods 0.000 description 9
- 238000012123 point-of-care testing Methods 0.000 description 9
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 8
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 8
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 7
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 7
- YFTHZRPMJXBUME-UHFFFAOYSA-N tripropylamine Chemical compound CCCN(CCC)CCC YFTHZRPMJXBUME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 4
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 description 4
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 4
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000000970 chrono-amperometry Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000008105 immune reaction Effects 0.000 description 2
- 238000003018 immunoassay Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 description 1
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 description 1
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004082 amperometric method Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000003869 coulometry Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000001903 differential pulse voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 description 1
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000004502 linear sweep voltammetry Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/76—Chemiluminescence; Bioluminescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法，包括：电化学发光单元、无透镜图像传感器和微控制器；电化学发光单元，用于检测目标分析物；无透镜图像传感器，用于采集光学信号；微控制器，用于调节无透镜图像传感器的采集参数，采集参数包括帧率、曝光时间、亮度、感光度、白平衡等，并自动化分析图像数据，以及为电化学发光单元供电。该发明使用与半导体工艺、集成电路工艺相兼容的无透镜图像传感器，体积小、视场大、集成度高，可兼容多种电化学发光体系，可实现生化标志物的高通量、高灵敏检测分析，能够为基于电化学发光的即时检测提供新的解决思路。
Description
技术领域
本发明涉及电化学发光检测与图像传感领域，尤其涉及一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法。
背景技术
即时检测或床边检测(Point of care testing，POCT)是指在患者附近进行检测，以便在传统实验室之外快速诊断，从而及时获取检测结果并快速做出医疗决策。实现复杂样品中的分析物快速、灵敏的POCT对于体外诊断至关重要。
电化学发光检测兼具电化学分析高特异性和光学检测高灵敏度的优点，同时还具有更强的可控性，然而在实验室或医院中使用的电化学发光需要使用高倍光学镜头聚焦，再由高速CCD相机采集信号，最后传输给计算机进行分析处理。其检测系统体积庞大、设备昂贵、操作繁琐、通量有限、成像视野范围小，难以适应基层医疗场所的检测环境与客观需求。
在无透镜成像技术中，无需通过任何透镜元件进行光学成像或放大，光学信号直接由数字图像传感器阵列记录，因此具有成本低廉、体积紧凑、视场大的优势，可以充分满足电化学发光应用于POCT的技术需求。基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置综合了电化学发光和无透镜成像技术二者的优势，可以兼顾检验精度和小体积灵活进行现场检测，有望成为基于电化学发光的生化标志物即时检测的有力工具。
发明内容
本发明的目的在于解决目前电化学发光检测系统体积庞大、设备昂贵、操作繁琐、通量有限、成像视野范围小的问题，提供一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，所述装置包括：
电化学发光单元，用于检测目标分析物，所述电化学发光单元直接修饰于无透镜图像传感器表面；
无透镜图像传感器，用于采集光学信号，所述无透镜图像传感器包括阵列式的光电转换单元、阵列式的信号传输模块、信号处理模块，所述光电转换单元用于将采集到的光学信号转化为电信号，所述信号传输模块用于读出转化的电信号并传输给信号处理模块，所述信号处理模块用于实时对电信号进行放大并且提高信噪比；
微控制器，用于调节无透镜图像传感器的采集参数，并自动化分析图像数据，以及为电化学发光单元供电。
进一步地，所述无透镜图像传感器的采集参数包括帧率、曝光时间、亮度、感光度和白平衡。
进一步地，所述装置还包括外壳；所述无透镜图像传感器、电化学发光单元均位于外壳内部；所述外壳包括上盖板和底座，所述上盖板用于遮挡外部光线干扰、阻挡灰尘污染无透镜图像传感器、以及检测样品换样；所述底座用于固定上盖板、无透镜图像传感器和电化学发光单元。
进一步地，所述装置还包括多孔贴片、电极贴片；所述多孔贴片紧贴于电极贴片工作电极区域，用于高通量检测；所述电极贴片紧贴于无透镜图像传感器的表面，电极贴片工作电极区域位于无透镜图像传感器的成像视野内。
进一步地，所述装置还包括反应池；所述反应池与无透镜图像传感器表面、电极贴片表面接触。
进一步地，所述电化学发光单元的类型包括三电极体系、双电极体系和单电极体系。
进一步地，所述电化学发光单元的检测目标物包括小分子无机物和有机物。
进一步地，所述电化学发光单元产生的光学信号根据颜色、光强的改变而改变。
进一步地，所述微控制器根据电化学发光体系选取信噪比最佳的颜色通道，并根据亮度分布选择感兴趣区进行信号分析。
为了实现上述目的，本发明还提供了上述基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用旋涂仪在无透镜图像传感器表面旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂的转速为4000rpm/min，旋涂的厚度小于或等于100μm；
(2)旋涂完成后，在无尘环境中70℃烘干2h，使聚二甲基硅氧烷彻底固化；
(3)将厚度小于或等于0.05mm的柔性PET-ITO导电薄膜贴在聚二甲基硅氧烷表面作为工作电极，在工作电极一端贴上双面导电铜胶带，便于接到电源上通电；
(4)反应池通过双面胶密合固定在电极贴片表面，获得基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明将电化学发光单元直接修饰于无透镜图像传感器表面，不需要透镜对光线聚焦即可直接获得微米尺寸传感单元的清晰图像，相较于传统的光学检测系统，结构简单、集成度高、便携性强、视场大，更适用于POCT技术。
(2)本发明使用的微控制器具备存储和计算功能，可以及时分析采集信号。
(3)本发明可以根据检测需求灵活电化学发光体系，且能针对多种类型的样品同时进行分析，极大提高了使用范围。
(4)本发明的一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置成本低廉、重复性好，便于批量的大规模生产制造，具备良好的市场应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置结构示意图，其中，图1中的(A)为整体示意图，图1中的(B)为各部分拆分示意图；
图2是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的工作原理和分析方法示意图；
图3是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的鲁米诺/过氧化氢体系检测原理、信号分析方法及过氧化氢检测结果示意图，其中，图3中的(A)为鲁米诺/过氧化氢体系电化学发光成像检测原理，图3中的(B)为蓝色通道信号的时间分辨电化学发光图像，图3中的(C)为电化学发光电流与亮度曲线，图3中的(D)为检测不同浓度过氧化氢时蓝色通道的积分图像，图3中的(E)为基于FWHM检测的不同浓度过氧化氢的标准曲线；
图4是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置在三联吡啶钌/共反应剂体系中三电极和双电极的验证结果示意图，其中，图4中的(A)为三电极体系下时间分辨电化学发光图像和稳定性展示，图4中的(B)为双电极体系下时间分辨电化学发光图像和稳定性展示；
图5是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置单电极体系的验证结果示意图，其中，图5中的(A)为单电极体系结构示意图，图5中的(B)为单电极条件下电化学发光成像检测结果；
图6是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置高通量检测的验证结果示意图，其中，图6中的(A)为高通量孔室明场图，图6中的(B)为电化学发光图像；
图7是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置对葡萄糖的检测结果示意图，其中，图7中的(A)为电化学发光检测葡萄糖的原理示意图，图7中的(B)为检测不同浓度葡萄糖时蓝色通道的积分图像，图7中的(C)为基于FWHM检测的不同浓度葡萄糖的标准曲线，图7中的(D)为人工尿液环境中葡萄糖的电化学发光检测结果；
图8是基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置进行免疫分析的检测结果示意图，其中，图8中的(A)为免疫分析原理示意图，图8中的(B)为免疫反应前与免疫反应后电化学发光图像，图8中的(C)为免疫反应前与免疫反应后的电化学发光强度曲线和电流曲线。
图中，1、外壳；11、上盖板；12、底座；2、反应池；3、多孔贴片；4、电极贴片；5、无透镜图像传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例具体实施例及相应的附图对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，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，都属于本发明实施例保护的范围。
本发明提供的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置可广泛应用于电化学发光检测与图像传感领域，结合图1中的(A)和图1中的(B)所示，本发明提供了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，该装置主要包括电化学发光单元、无透镜图像传感器5和微控制器；电化学发光单元，用于检测目标分析物，电化学发光单元直接修饰于无透镜图像传感器5表面；无透镜图像传感器5，用于采集光学信号，无透镜图像传感器5的采集参数包括帧率、曝光时间、亮度、感光度和白平衡，无透镜图像传感器5包括阵列式的光电转换单元、阵列式的信号传输模块、信号处理模块，光电转换单元用于将采集到的光学信号转化为电信号，信号传输模块用于读出转化的电信号并传输给信号处理模块，信号处理模块用于实时对电信号进行放大并且提高信噪比；微控制器，用于调节无透镜图像传感器5的采集参数，并自动化分析图像数据，以及为电化学发光单元供电。
该装置还包括外壳1、反应池2、多孔贴片3、电极贴片4。外壳1尺寸为长×宽×高＝70×40×20mm；无透镜图像传感器5、电化学发光单元均位于外壳1内部；外壳1包括上盖板11和底座12，上盖板11用于遮挡外部光线干扰、阻挡灰尘污染无透镜图像传感器5、以及检测样品换样；底座12用于固定上盖板11、无透镜图像传感器5和电化学发光单元。多孔贴片3紧贴于电极贴片4工作电极区域，可用于高通量检测；电极贴片4紧贴于无透镜图像传感器5的表面，二者之间没有其余光学元件，电极贴片4工作电极区域应当位于无透镜图像传感器5的成像视野内。反应池2与无透镜图像传感器5表面、电极贴片4表面接触。
进一步地，电化学发光单元的类型包括三电极体系、双电极体系和单电极体系；电化学发光单元的检测目标物包括小分子无机物和有机物；电化学发光单元产生的光学信号根据颜色、光强的改变而改变。微控制器根据电化学发光体系选取信噪比最佳的颜色通道，并根据亮度分布选择感兴趣区进行信号分析。
所述电极贴片4应当能满足的电极体系有三电极体系、双电极体系、单电极体系等，应当能满足的电化学发光体系有鲁米诺/过氧化氢体系、三联吡啶钌/共反应剂体系等，应当能满足的电化学分析方法有循环伏安法、计时电流法、差分脉冲伏安法、安培法、电量法、线扫伏安法等。
该装置的电化学发光单元直接修饰于无透镜图像传感器5表面，不需要透镜对光线聚焦即可直接获得微米尺寸传感单元的清晰图像，极大缩减了光学检测系统的体积和成本。此外，可以根据检测需求自由选择电化学发光体系，扩大了本装置的使用范围。本发明的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置集成度高、适用范围广，有助于灵敏、便捷地进行电化学发光POCT检测。
本发明还提供了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用旋涂仪在无透镜图像传感器5表面旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂的转速为4000rpm/min，旋涂的厚度小于或等于100μm；
(2)旋涂完成后，在无尘环境中70℃烘干2h，使聚二甲基硅氧烷彻底固化；
(3)将厚度小于或等于0.05mm的柔性PET-ITO导电薄膜贴在聚二甲基硅氧烷表面作为工作电极，在工作电极一端贴上双面导电铜胶带，便于接到电源上通电；
(4)反应池2通过双面胶密合固定在电极贴片4表面，获得基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置。
本发明构建的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置工作原理及分析方法示意如图2所示，电化学发光信号在工作电极表面产生，工作电极下方的无透镜图像传感器5捕捉光信号，获得时间序列上的电化学发光图像。将得到的电化学发光图像分离RGB通道，对比各个通道的信号强度，选择信噪比最高的通道图像用于定量分析。
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例给出了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的信号分析方法，其原理如图3中的(A)所示，具体包括：
(1)基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的鲁米诺/过氧化氢三电极电化学发光体系验证：待测过氧化氢溶液与鲁米诺溶液均匀混合，混合后的电化学发光试剂中鲁米诺的浓度优选采用1mM，将电化学发光试剂加入所述反应池2。参比电极优选采用Ag/AgCl丝，对电极优选采用铂丝。将所述装置连接电化学工作站，在电极上施加合适电位(优选采用循环伏安法0～1.2V vs.Ag/AgCl、扫速100mV/s)，电化学发光信号在工作电极表面产生，工作电极下方的无透镜图像传感器5捕捉光信号(采集参数优选采用：曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800)，得到图3中的(B)所示的电化学发光图像、以及图3中的(C)所示的电化学发光电流与亮度曲线。每个浓度梯度下平行采集3次。
(2)信号分析：将得到的电化学发光图像分离RGB通道，选择合适的通道图像进行积分，对积分图像进行高斯拟合，依据半高全宽(Full width at half maximum,FWHM)选取最佳感兴趣区域(Region of interest,ROI)，计算ROI区域内的强度均值，用于定量分析。每个过氧化氢浓度的蓝色通道积分图像如图3中的(D)所示。
利用上述实施例1中的分析方法对不同浓度过氧化氢的电化学发光成像数据进行分析，得到用于定量分析的标准曲线，图3中的(E)为葡萄糖浓度与光子亮度的定量曲线，可以看出过氧化氢的浓度(15μM～1000μM)与光子亮度具有良好的线性相关关系。
基于实施例1的检测结果，验证了上述基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的可行性，可将其进一步拓展到其他电化学发光检测体系。
实施例2
本实施例给出了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置在其他电化学发光体系的验证，具体包括：
(1)基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的三联吡啶钌/共反应剂三电极电化学发光体系验证：三联吡啶钌溶液与三丙胺溶液均匀混合，混合后的电化学发光试剂中三丙胺的浓度优选采用50mM，三联吡啶钌的浓度优选采用50μM，将电化学发光试剂加入所述反应池2。参比电极优选采用Ag/AgCl丝，对电极优选采用铂丝。将所述装置连接电化学工作站，优选采用循环伏安法0～1.2V vs.Ag/AgCl、扫速100mV/s，采集参数优选采用曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800，得到电化学发光图像，图4中的(A)所示，三联吡啶钌/共反应剂体系拥有良好的稳定性。
(2)基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的双电极电化学发光体系验证：三联吡啶钌溶液与三丙胺溶液均匀混合，混合后的电化学发光试剂中三丙胺的浓度优选采用50mM，三联吡啶钌的浓度优选采用100μM，将电化学发光试剂加入所述反应池2。对电极优选采用铂丝。将所述装置连接电化学工作站，优选采用循环伏安法0～1.3V、扫速100mV/s，采集参数优选采用曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800，得到电化学发光图像，图4中的(B)所示，双电极条件下的三联吡啶钌-共反应剂体系同样拥有良好的稳定性。
(3)基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的单电极电化学发光体系验证：过氧化氢溶液与鲁米诺溶液均匀混合，混合后的电化学发光试剂中鲁米诺的浓度优选采用1mM，过氧化氢的浓度优选采用1mM，将电化学发光试剂加入所述反应池2。将所述装置连接电化学工作站，优选采用循环伏安法0～8V、扫速100mV/s，采集参数优选采用曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800，得到电化学发光图像，单电极体系结构及电化学发光图像分别如图5中的(A)、图5中的(B)所示。
(4)基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的高通量电化学发光验证：三联吡啶钌溶液与三丙胺溶液均匀混合，混合后的电化学发光试剂中三丙胺的浓度优选采用50mM，三联吡啶钌的浓度优选采用50μM。将多孔贴片3紧贴于电极贴片4表面，将电化学发光试剂加入所述反应池2。参比电极优选采用Ag/AgCl丝，对电极优选采用铂丝。将所述装置连接电化学工作站，在电极上优选采用循环伏安法0～1.3V vs.Ag/AgCl、扫速100mV/s得到电化学发光图像，明场及电化学发光图像分别如图6中的(A)、图6中的(B)所示。
基于实施例2的检测结果，验证了上述基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置在三联吡啶钌/共反应剂体系、双电极体系、单电极体系以及高通量检测的可行性，可将其进一步拓展到精准POCT电化学发光检测具体标志物。
实施例3
本实施例给出了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置检测葡萄糖的方法，其原理如图7中的(A)所示，具体包括：
(1)反应溶液制备：待测葡萄糖溶液(标准溶液或人工尿液)与葡萄糖氧化酶(浓度优选采用2.0mg/mL)于25℃下反应15min，之后与鲁米诺进行预混合。预混合溶液中，鲁米诺的浓度优选采用1mM。
(2)电化学发光发生及信号采集：将步骤(1)制备的预混合液加入反应池2，启动数据采集程序，并在电极上施加合适电位(优选采用循环伏安法0～1.2Vvs.Ag/AgCl、扫速100mV/s)，电化学发光信号在工作电极表面产生，工作电极下方的无透镜图像传感器5捕捉光信号(采集参数优选采用：曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800)，得到电化学发光图像。每个浓度梯度下平行采集3次。每个过氧化氢浓度的蓝色通道积分图像如图7中的(B)所示
利用上述实施例1中的分析方法对不同浓度葡萄糖的电化学发光成像数据进行分析，得到用于定量分析的标准曲线，图7中的(C)为葡萄糖浓度与光子亮度的定量曲线，可以看出葡萄糖的浓度(15μM～500μM)与光子亮度具有良好的线性相关关系。进一步的，验证了该装置检测人工尿液样本中葡萄糖含量的可行性与有效性，如图7中的(D)所示，三种不同浓度(50μM,100μM,200μM)的葡萄糖的回收率分别为(123.01％，115.59％和97.47％)。
基于实施例3的检测结果，验证了上述基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置在生化分子检测应用中的可行性和有效性，可将其进一步拓展到其他领域的精准POCT电化学发光检测。
实施例4
本实施例给出了一种基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的免疫检测方法，其原理如图8中的(A)所示，具体包括：
(1)工作电极化学修饰：优选采用厚度不大于0.15mm的ITO导电玻璃作为工作电极，分别在丙酮、无水乙醇、超纯水中超声清洗15min，洗净后浸没在过氧化氢、氨水、水混合溶液中(过氧化氢、氨水、水的混合比例优选采用1:1:5)，避光水浴沸腾加热30min。将所述ITO清洗并吹干，浸没在3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液中(浓度优选采用2％)，避光25℃反应2h。将所述ITO清洗并吹干，浸没在戊二醛溶液中(浓度优选采用5％)，避光25℃反应30min。将所述ITO清洗并吹干待用。
(2)抗原/抗体固定：反应池2优选采用厚度不小于5mm的PDMS，紧密贴合在工作电极表面，将所述反应池2中加入待测抗原的捕获抗体，浓度优选采用20μg/mL，25℃孵育1h。用PBS缓冲液(pH7.4)清洗三次，再加入牛血清蛋白，浓度优选采用3％，25℃孵育30min。
(3)电化学发光发生及信号采集：将步骤(1)制备的预混合液加入反应池2，启动数据采集程序，并在电极上施加合适电位(优选采用计时电流法1.2V vs.Ag/AgCl)，电化学发光信号在工作电极表面产生，工作电极下方的无透镜图像传感器5捕捉光信号(采集参数优选采用：曝光时间1s、帧率1fps、ISO 800)，得到电化学发光图像。
由实施例4的检测结果可知，如图8中的(B)、图8中的(C)所示，电极表面结合蛋白后，由于不导电蛋白在电极表面的结合会改变电极的阻抗并产生空间位阻，降低电化学发光强度，使电化学发光亮度及电流强度均大幅下降，基于此，根据电化学发光信号发生变化与抗原浓度的关系，可以获得待测抗原的浓度，本发明可以成为POCT进行免疫检测的有效工具。
除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述装置包括：
电化学发光单元，用于检测目标分析物，所述电化学发光单元直接修饰于无透镜图像传感器表面；
无透镜图像传感器，用于采集光学信号，所述无透镜图像传感器包括阵列式的光电转换单元、阵列式的信号传输模块、信号处理模块，所述光电转换单元用于将采集到的光学信号转化为电信号，所述信号传输模块用于读出转化的电信号并传输给信号处理模块，所述信号处理模块用于实时对电信号进行放大并且提高信噪比；
微控制器，用于调节无透镜图像传感器的采集参数，并自动化分析图像数据，以及为电化学发光单元供电。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述无透镜图像传感器的采集参数包括帧率、曝光时间、亮度、感光度和白平衡。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述装置还包括外壳；所述无透镜图像传感器、电化学发光单元均位于外壳内部；所述外壳包括上盖板和底座，所述上盖板用于遮挡外部光线干扰、阻挡灰尘污染无透镜图像传感器、以及检测样品换样；所述底座用于固定上盖板、无透镜图像传感器和电化学发光单元。
4.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述装置还包括多孔贴片、电极贴片；所述多孔贴片紧贴于电极贴片工作电极区域，用于高通量检测；所述电极贴片紧贴于无透镜图像传感器的表面，电极贴片工作电极区域位于无透镜图像传感器的成像视野内。
5.根据权利要求4所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述装置还包括反应池；所述反应池与无透镜图像传感器表面、电极贴片表面接触。
6.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述电化学发光单元的类型包括三电极体系、双电极体系和单电极体系。
7.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述电化学发光单元的检测目标物包括小分子无机物和有机物。
8.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述电化学发光单元产生的光学信号根据颜色、光强的改变而改变。
9.根据权利要求1所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置，其特征在于，所述微控制器根据电化学发光体系选取信噪比最佳的颜色通道，并根据亮度分布选择感兴趣区进行信号分析。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用旋涂仪在无透镜图像传感器表面旋涂聚二甲基硅氧烷，旋涂的转速为4000rpm/min，旋涂的厚度小于或等于100μm；
(2)旋涂完成后，在无尘环境中70℃烘干2h，使聚二甲基硅氧烷彻底固化；
(3)将厚度小于或等于0.05mm的柔性PET-ITO导电薄膜贴在聚二甲基硅氧烷表面作为工作电极，在工作电极一端贴上双面导电铜胶带，便于接到电源上通电；
(4)反应池通过双面胶密合固定在电极贴片表面，获得基于CMOS无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311534010.9A CN117571692A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311534010.9A CN117571692A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117571692A true CN117571692A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89887578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311534010.9A Pending CN117571692A (zh) | 2023-11-17 | 2023-11-17 | 基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117571692A (zh) |
-
2023
- 2023-11-17 CN CN202311534010.9A patent/CN117571692A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Point-of-care testing based on smartphone: The current state-of-the-art (2017–2018) | |
| Yao et al. | An electrochemiluminescence cloth-based biosensor with smartphone-based imaging for detection of lactate in saliva | |
| Inoue et al. | LSI-based amperometric sensor for bio-imaging and multi-point biosensing | |
| CN101641592B (zh) | 电化学生物传感器测量系统 | |
| WO2014077783A1 (en) | Image capture device and image capture system | |
| Al-Rawhani et al. | Multimodal integrated sensor platform for rapid biomarker detection | |
| Beiderman et al. | A low-light CMOS contact imager with an emission filter for biosensing applications | |
| CN110146580A (zh) | 一种基于柿单宁复合纳米材料检测l,5-脱水葡萄糖醇的方法 | |
| Rawal et al. | A comprehensive review of bilirubin determination methods with special emphasis on biosensors | |
| CN104965011A (zh) | 检测细胞外生化参数的光电集成电位传感器及其制备方法 | |
| CN108680759A (zh) | 一种多功能高通量自动化层析检测仪及其应用 | |
| CN101310173A (zh) | 用于检测活细胞活性的装置和方法 | |
| Abbasi et al. | SE-ECL on CMOS: a miniaturized electrochemiluminescence biosensor | |
| DE112018005501T5 (de) | Smart pellet zur probenprüfung | |
| Wang et al. | A standalone and portable microfluidic imaging detection system with embedded computing for point-of-care diagnostics | |
| CN110662957B (zh) | 代谢物检测设备和对应的检测方法 | |
| Towaranonte et al. | Application of charge-coupled device (ccd) cameras in electrochemiluminescence: A minireview | |
| CN101275946B (zh) | 一种酶催化电导免疫传感器及其检测化学残留与毒素的方法 | |
| CN105259349A (zh) | 一种免固定生物传感电极的制备及其在免标记均相光致电化学农残检测与癌症诊断中的应用 | |
| CN117571692A (zh) | 基于cmos无透镜成像的片上电化学发光显微成像装置与方法 | |
| CN110006970B (zh) | 用于多巴胺检测的电化学传感器的制备方法及其产品和应用 | |
| Tam et al. | A CMOS contact imager for cell detection in bio-sensing applications | |
| CN105021689B (zh) | 一种环境激素检测装置及检测方法 | |
| Pour et al. | Microfluidic-Based Non-Invasive Wearable Biosensors for Real-Time Monitoring of Sweat Biomarkers | |
| CN102449467B (zh) | 电化学摄影机类型的设备及其制造方法和使用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |