CN201110825Y - 激光双模式微体积样品分析装置 - Google Patents

Abstract

一种激光双模式微体积样品分析装置，至少包括光学检测调制部分、毛细管电泳仪和信号采集处理部分，其特征在于：光学检测调制部分中的半导体激光器(1)、斩光器(2)、分束器(3)、聚焦透镜(4)、微检测池(5)、高通滤光片(11)和光电检测器件(12)依次排列，且中心均位于同一水平线，分束器(3)垂直方向设有热透镜检测激光器(6)，微检测池(5)垂直方向依次设有显微物镜(7)、光阑(8)、带通滤光片(9)和光电检测器件(10)，其中微检测池(5)为毛细管电泳仪的中去除外保护层的一段毛细管，信号采集处理部分中的计算机(21)与光电检测器件(10)之间设有锁相放大器(19)，计算机(21)和光电检测器件(12)之间设有锁相放大器(20)，斩光器(2)上设有斩光器控制器(18)，且斩光器控制器(18)通过锁相放大器(19)和锁相放大器(20)与计算机(21)连接。

Description

激光双模式微体积样品分析装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光双模式微体积样品分析装置，具体地说是一种利用激光诱导荧光和激光热透镜进行同时检测的装置，属于光学领域，也属于分析化学仪器领域。

背景技术

液相分离分析仪器是近年来发展最为迅速的一类分析仪器，它包括高效液相色谱(HPLC)，毛细管电泳(CE)，离子色谱，超临界流体色谱(SFC)和微流控芯片等仪器，这类仪器具有高效、快速、样品用量和试剂消耗量少等特点。可用于无机、有机和生物大分子的分离分析，在科学研究和生产领域得到了广泛的应用。

分离效率和灵敏度是衡量这类仪器的重要技术指标，这些指标既取决于所用色谱柱或毛细管柱的性质，同时也受制于检测器的性能。研究和开发适用于液相分离分析仪器的微池检测器已成为这类仪器研制的热门领域。紫外吸收检测器是这类仪器中使用最为广泛的一类微池检测器，由于采用二极管阵列或CCD器件作光探测器，可实现紫外/可见光谱的快速扫描，在色谱或电泳分离的同时得到从190到800nm的实时紫外/可见光谱，从而实现对未知成分的定性和已知物的测定。由于微池检测器的光程较短，使得紫外吸收检测器的灵敏度难以提高，而且很难用于目前蓬勃发展的芯片电泳检测。电化学检测器也是在液相分离分析商品仪器中使用较广的一类检测器，它可避免紫外吸收检测器光程较短的不足，在电活性组分的检测上具有灵敏度高，选择性好和线性范围宽等优点，其局限性在于被检测物质必须具有良好的电化学活性，应用于电泳检测时难以消除分离电流对检测电流的干扰，仅能进行柱后和离柱检测，因而成为一种实用性强的商品化电泳仪器的在柱检测器尚待时日。与其它检测技术相比，质谱检测(MS)与液相分离分析仪器联用可获得分离组分的结构信息，一直是众多仪器厂商青睐的对象。目前HPLC-MS、CE-MS、SFC-MS联用商品化仪器已推向市场，但仪器复杂和昂贵，其联用接口和灵敏度仍需进一步完善和提高。基于物质折射指数变化进行检测的折射指数检测器已用作HPLC等仪器的检测器，这种检测器通用性好，但灵敏度不高。已见文献报道的化学发光、核磁共振、毛细管共振等各种检测器也都不同程度的存在灵敏度不足的问题。因而发展灵敏度高和通用性强的检测器仍是液相分离分析仪器研制的重要课题。

一般来说，激光相干性好，易聚焦成微束，特别适用于微体积样品的测定，因而基于激光优良特性的各类激光检测器的研制和应用已成为液相分离分析仪器检测器研究的热门领域。激光诱导荧光检测器是激光类检测器中灵敏度最高并已成为商品化毛细管电泳仪器的一种微池检测器。它的灵敏度比紫外吸收检测器高2～3个数量级，但只有极少数化合物在激光激发下可产生自身荧光，大多数化合物需采用荧光标记或衍生后方可分析。基于弱光吸收检测的激光热透镜检测器测量的不是透射，反射或散射光，而是直接测量光的吸收，与紫外吸收检测器相比，灵敏度可提高2个数量级以上，在非荧光和弱吸收物质的检测中体现出高灵敏，高空间分辨率的优点。激光拉曼光谱检测器也见报道，但检测灵敏度不高仍是这类检测器面临的严峻现实。目前，激光类检测器多为单信号检测，尚未见多信号同时检测器用于液相分离分析的仪器的报道，并且除激光诱导荧光检测器外，其它激光光信号检测器尚未成为液相分离分析商品仪器的检测器。

液相分离分析仪器的分析对象(特别是生物样品)，往往是含有多种物质的复杂系统。这类样品既含有蛋白质、核酸等生物大分子，又含有多巴胺、氨基酸等小分子，并且这些分子的荧光和吸收特性各异。准确测定它们的种类和含量，对于生命科学研究和临床诊断意义十分重大。然而由于商品检测器的限制，难以同时获取大分子和小分子以及具有和不具有荧光和吸光特性物质的信息。因此，探索同时对具有和不具有荧光和吸光特性的各类物质进行灵敏检测的多信号检测器将极大拓展液相分离分析商品仪器的应用的空间。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种利用激光诱导荧光和激光热透镜同时进行的分析装置。通过对液相分离后的各组份，在所用激光波长下，激光诱导荧光可检测具有荧光特性物质的信号，而激光热透镜可检测具有吸光特性物质的信号，并使其光学构型和信号采集模式对液相分离组份达到同时获取激光热透镜和激光回射干涉的光信号。

实现本实用新型目的采用的技术方案是：一种激光双模式微体积样品分析装置，至少包括光学检测调制部分、毛细管电泳仪和信号采集处理部分，光学检测调制部分中的半导体激光器1、斩光器2、偏振片3、分束器4、热透镜检测激光器5、高通滤光片11和光电检测器件12依次排列，且中心均位于同一水平线，偏振片3垂直方向设有分束器6，热透镜检测激光器5垂直方向依次设有光阑7、光电检测器件8、聚焦透镜9和微检测池10，其中微检测池10为毛细管电泳仪中去除一段外保护层的毛细管，信号采集处理部分中的计算机21与光电检测器件8之间设有锁相放大器19，计算机21和光电检测器件12之间设有锁相放大器20，斩光器2上设有斩光器控制器18，且斩光器控制器18通过锁相放大器19和锁相放大器20与计算机21连接。斩光器控制器18将锁相参比信号提供给锁相放大器19、20，经过锁相放大过程，锁相放大器19和锁相放大器20分别提供激光诱导荧光信号、激光热透镜信号，然后为计算机26所采集，从而实现对微体积样品的分析测定。

所述微检测池10由光透过率高的材质如玻璃、有机玻璃、石英等制成，其形状为立方体或圆柱体，且内径大于75微米。

所述光电检测器件为光二极管、光电倍增管、光电耦合器件或二极管阵列。其中光电检测器件10和微检测池5分别位于显微物镜的焦平面上，光电检测器件15与样品池16之间的距离大于或等于150毫米。

所述半导体激光器为各波段激光器，光束光能大于20毫瓦。

所述热透镜检测激光器为各波段激光器，光束波长大于半导体激光器发出的激光束波长。

所述聚焦透镜为双凸透镜，其焦距应大于9毫米且小于15.4毫米，最佳焦距为11毫米。

使用本实用新型提供的激光双模式微体积样品分析装置的毛细管电泳仪由毛细管、缓冲溶液承载池、直流高压电源、样品池组成。毛细管的两端分别浸没于缓冲溶液承载池的缓冲溶液液面下；直流高压电源的正负极分别与圆柱形铂电极相连，两支电极分别浸没于缓冲溶液承载池的缓冲溶液液面下；进样时用样品池取代其中一个缓冲溶液承载池，然后利用电驱动或者压差进行进样操作。在毛细管上适当的位置处将毛细管的外保护层除去(采用明火烧蚀或利刃刮除的方式皆可)，将毛细管剥离外防护层的一段作为微检测池，从而实现基于激光热透镜、激光回射干涉的微体积样品分析专职对所用对毛细管电泳动态过程的实时检测。

使用本实用新型所提供的利用激光诱导荧光和激光热透镜的激光双模式微体积样品分析装置与液相分离相结合对待测样品进行分离检测，无须对样品进行任何样品衍生、富集处理步骤。由于待测样品池为微检测池，所需样品量极少，最低可至纳升级。本实用新型操作简单，日常维护费用低，测试速度快，结果准确，可以广泛应用于包含有各类不同化学物质的待测体系的定性、定量检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本实用新型提供的激光双模式微体积样品分析装置光学构型示意图。

图2是本实用新型所提供的激光双模式微体积样品分析装置毛细管电泳仪系统结构示意图。

图3是本实用新型提供的激光双模式微体积样品分析装置本发明信号采集部分结构示意图。

图中1.半导体激光器，2.为斩光器，3.分束器，4.聚焦透镜，5.微检测池(剥离外防护层的一段毛细管)，6.热透镜检测激光器，7.显微物镜，8.光阑，9.带通滤光片，10.光电检测器件，11.高通滤光片，12.光二极管，13.毛细管，14.直流高压电源，15.缓冲溶液承载池，16.样品池，17.缓冲溶液承载池，18.斩光器控制器，19.锁相放大器，20.锁相放大器，21.计算机。

具体实施方式

本实用新型提供的激光双模式微体积样品分析装置光学结构如图1所示，光学检测调制部分中的半导体激光器1、斩光器2、分束器3、聚焦透镜4、微检测池5、高通滤光片11和光电检测器件12依次排列，且中心均位于同一水平线，分束器3垂直方向设有热透镜检测激光器6，微检测池5垂直方向依次设有显微物镜7、光阑8、带通滤光片9和光电检测器件10，其中微检测池5为毛细管电泳仪中去除外保护层的一段毛细管，信号采集处理部分中的计算机21与光电检测器件10之间设有锁相放大器19，计算机21和光电检测器件12之间设有锁相放大器20，斩光器2上设有斩光器控制器18，且斩光器控制器18通过锁相放大器19和锁相放大器20与计算机21连接。半导体激光器1所射出的激光光束先后经过斩光器2的调制后，在分束器3处与热透镜检测激光器6所射出的激光光束耦合成为同一道激光束，所得的耦合光束被聚焦透镜4聚焦于微检测池5的中心处；样品池14中由激光所激发的荧光由显微物镜7所收集，经过光阑8和带通滤光片9的调制，由光电检测器件10进行检测得到激光诱导荧光原始信号；透射过样品池14的耦合激光束经过高通滤光片11滤去激光束，然后再由光电检测器件12进行检测得到激光热透镜检测原始信号。半导体激光器1为各波段激光器，光束光能大于20毫瓦；斩光器2工作频率应覆盖5Hz至1000Hz的范围；分束器4和分束器6分束比为5∶5，分束波段应分别对应于半导体激光和热透镜检测激光的波段；热透镜检测激光器可选用各波段激光器，其光束波长应大于半导体激光束波长；光电检测器件8和光电检测器件12为光二极管、光电倍增管、光电耦合器件或二极管阵列；聚焦透镜9为双凸透镜，焦距大于9毫米而小于15.4毫米，最佳焦距为11毫米；微检测池10为光透过率高的材质如玻璃、有机玻璃、石英等制成，其形状可为立方体或圆柱体，其内径应大于75微米；高通滤光片11波段的选择根据半导体激光和热透镜检测激光的波段情况予以选择，其截止波段高于半导体激光的波段；激光热透镜检测信号的光电检测器件12与样品池16之间的距离大于或等于150毫米。

本实用新型所提供的激光双模式微体积样品分析装置所用毛细管电泳仪结构如图2所示。毛细管13为内径大于等于75微米；高压直流电源14最高输出电压应大于20千伏；去除外保护层的一段毛细管为微检测池5。

具体检测步骤如下：

首先将毛细管13依次用0.1mol/LNaOH溶液、二次蒸馏水及缓冲溶液冲洗，在缓冲溶液承载池15和缓冲溶液承载池17中充满缓冲溶液，并将毛细管13的两端分别浸没于缓冲溶液承载池15和缓冲溶液承载池17的缓冲溶液液面下。直流高压电源14的正负极分别与圆柱形铂电极相连，两支电极分别浸没于缓冲溶液承载池15和缓冲溶液承载池17的缓冲溶液液面下。

在开始电泳过程前约半小时，将半导体激光器1、斩光器2、热透镜检测激光器5、光电检测器件、锁相放大器、斩光器控制器18、个人计算机21通电直至所得信号相对稳定。

进样时用装有样品的样品池16取代其中一个缓冲溶液承载池15，然后利用电驱动或者压差进行进样进样操作若干时间。完毕后将缓冲溶液承载池15还原至初始位置，然后打开直流高压电源14输出直流电压。通电后，在直流高压电源14输出的直流电压作用下，不同的化学物质电泳趟度不同，导致不同的化学物质将以不同速度向毛细管13末端运动。经过若干时间，不同的化学物质依次通过被剥离外防护层的毛细管区域10，从光电检测器件8和光电检测器件12处分别得到对应于各不同化学物质的激光回射干涉检测原始信号、激光热透镜检测原始信号(皆为数百毫伏大小的电压数据)。然后经过锁相放大处理过程，分别为数据采集卡采集导入计算机，从而实现了对待测体系实时电泳分离过程的检测。所得图线中各峰对应的出现顺序是各不同化学物质定性测量的依据，各峰对应的峰高或者峰面积是各不同化学物质定量测量的依据。

以下公开一组实施测试结果：

半导体激光器1选用激光波段532nm，分束器3选用分束器波段532nm，分束比为5∶5，聚焦透镜4半选用双凸聚焦透镜，其焦距为f＝11毫米，热透镜检测激光器6选用氦氖激光器632.8nm，2毫瓦，带通滤光片9选用带通滤光片中心波长600nm，，截止宽度20nm，光电检测器件10选用光电倍增管，高通滤光片11选用高通滤光片截止波长600nm宽度15nm，光电检测器件12选用光二极管。毛细管13长度40厘米，内径100微米；除去毛细管的外保护层区域5离毛细管13尾端5厘米。12.5mol/L硼砂溶液作为缓冲溶液，进样电压和分离电压均为9KV，进样8秒，检测时间15分钟，在除去外保护层的毛细管5处，依次分离出罗丹明B、甲基红，未经任何样品富集或者衍生处理步骤，得到两幅分别对应与激光诱导荧光信号、激光热透镜检测信号的图线。依据罗丹明B、甲基红被分离的顺序和峰面积的大小，检测出待测样品中这些化学物质的浓度，这两种化学物质的检出限：罗丹明B为1.0×10^-8mol/L、甲基红为7×10^-6mol/L。

Claims (9)

1.一种激光双模式微体积样品分析装置，至少包括光学检测调制部分、毛细管电泳仪和信号采集处理部分，其特征在于：光学检测调制部分中的半导体激光器(1)、斩光器(2)、分束器(3)、聚焦透镜(4)、微检测池(5)、高通滤光片(11)和光电检测器件(12)依次排列，且中心均位于同一水平线，分束器(3)垂直方向设有热透镜检测激光器(6)，微检测池(5)垂直方向依次设有显微物镜(7)、光阑(8)、带通滤光片(9)和光电检测器件(10)，其中微检测池(5)为毛细管电泳仪的中去除外保护层的一段毛细管，信号采集处理部分中的计算机(21)与光电检测器件(10)之间设有锁相放大器(19)，计算机(21)和光电检测器件(12)之间设有锁相放大器(20)，斩光器(2)上设有斩光器控制器(18)，且斩光器控制器(18)通过锁相放大器(19)和锁相放大器(20)与计算机(21)连接。

2.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：检测激光诱导荧光原始信号的光电检测器件(10)和微检测池(5)分别位于显微物镜的焦平面上。

3.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：检测激光热透镜检测信号的光电检测器件(12)与毛细管电泳仪的样品池(16)之间的距离大于或等于150毫米。

4.根据权利要求1或2或3所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：

光电检测器件为光二极管、光电倍增管、光电耦合器件或二极管阵列。

5.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析方法装置，其特征在于：聚焦透镜(4)为双凸透镜，其焦距大于9毫米且小于15.4毫米，最佳焦距为11毫米。

6.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：半导体激光器(1)为各波段激光器，光束光能大于20毫瓦。

7.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：热透镜检测激光器(6)为各波段激光器，其光束波长大于半导体激光器发出的激光束波长。

8.根据权利要求1所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：微检测池(10)由光透过率高的材质制成，其形状为立方体或圆柱体，且内径大于75微米。

9.根据权利要求1或8所述的激光双模式微体积样品分析装置，其特征在于：微检测池(10)由玻璃、有机玻璃或石英制成。

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