CN202049111U - 一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器。该激光诱导荧光检测器的X-Y轴二维移动平台连于机箱顶板上，连接激发模块、对中监测模块、荧光信号处理模块的荧光收集模块连于机箱顶板内，微流控芯片放置盒安装在X-Y轴二维移动平台上，且能实现与荧光收集模块光轴线的相对位置的任意匹配，其中荧光收集模块中的发射滤光片组、光电倍增管放置在一个光学暗室中。具有灵敏度高、性能稳定、响应速度快、体积小、操作简便等优点。利用本实用新型可以方便地开展微流控芯片上生化样品、尤其是低浓度生化样品的激光诱导荧光检测的研究与应用。

Description

一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器

技术领域：

本实用新型涉及微流控分析检测技术，尤其涉及一种用于微流控分析的高灵敏激光诱导荧光检测器。

背景技术：

自1990年Manz与Widmer等提出微全分析系统(miniaturized total analysis system，μ-TAS)概念以来，经过20年的发展，微流控芯片(microfluidic chip)或称芯片实验室(Lab on a chip)为当今生物、化学等领域的分析研究提供了一种新的技术平台。微流控(芯片)分析是在多条微米级分离分析通道的微小芯片上、纳升级至皮升级样品规模上的快速分析，从而带来许多优点，例如：不仅使样品与试剂消耗降低到纳升级至皮升级，而且使分析速度成十倍、百倍地提高，最终降低了成本；多种分析功能集成于一个芯片向实现维持一个完全闭合系统迈进了一大步，从而可以实现完全的自动化，减少污染，降低干扰和减少误差。检测技术作为对分析物定性和定量的手段，一直是微流控分析研究的热点之一。然而，由于芯片通道和器件尺度的减小，其检测池体积和检测光程分别以尺度的3次方和1次方减小，再加上小的进样量(皮升级至纳升级)，因此，微流控芯片分析的检测器与传统的实验室相比存在很大不同。以芯片毛细管电泳(MCE)为例，若芯片通道内径为50微米，进样量为1纳升，检测样品浓度为10^-9mol/L，要求质量检测限为阿摩尔水平(10^-18mol)。另外，随着微流控生化分析研究的不断深入和发展，迫切需要高灵敏度的检测仪器。

目前，已发展的微流控芯片检测器按其检测原理分主要有光学检测、电化学检测、质谱联用检测等。其中光学检测又分为激光诱导荧光检测器、紫外吸收检测器、化学发光检测器、折射率检测器、发射光谱检测器等。相对而言，激光诱导荧光检测器作为微流控分析的检测手段有如下独特优点：1)激光的单色性，易于校准并减小光散射；2)激光光束的高汇集性可接近光的衍射极限，适合激发微米级通道内一个非常小的样品对象，从而可以大大提高检测灵敏度；3)芯片的主要研究对象，诸如核酸、蛋白质、小分子、乃至细胞内含物等生物或者自身有荧光，或者可通过衍生化标记使其具有荧光，利于检测通用性的提高；4)选择恰当的激发/发射波长能达到很高的选择性，利于获得复杂生化组分的定性、定量信息。现有激光诱导荧光检测器的光路系统，按其结构原理分为正交型和共焦型。正交型光路适合较大样品池的分析。对于芯片等小尺度的检测对象，则多采用共焦型光路设计。目前涉及到激光诱导荧光检测器的商品化微流控分析仪器，仅有安捷伦公司的Agilent 2100生物芯片分析系统和加拿大Albert公司的微流控芯片分析仪。前者是由单一紧凑型仪器和专用芯片试剂盒集成的微流控分析平台，使用时须配套固定结构的芯片，且进样量应在几个微升(1-4μL)才能达到其应有性能，对微流控分析研究来讲通用性不强；后者采用532nm激光器，虽定位在实验室研究，但没有激光与芯片对中监测功能，且检测灵敏度、稳定性等指标有待进一步提高。另外，上述二种商品化仪器的价格过于昂贵，也限制了其在微流控检测中的应用。迄今为止，用于微流控分析的激光诱导荧光检测器大多依靠研究者在普通光学平台或荧光显微镜平台上自行搭建，受光路优化、背景光尤其是激光噪声等因素的影响，当前激光诱导荧光检测器存在的主要问题是检测灵敏度低、体积大、价格昂贵，难以满足低浓度生物样品的分析需要。

发明内容：

本实用新型的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度、高稳定性和响应速度快的结构紧凑、体积小、操作简便的用于微流控分析的激光诱导荧光检测器。

本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：

该激光诱导荧光检测器的X-Y轴二维移动平台连于机箱顶板上，连接激发模块、对中监测模块、荧光信号处理模块的荧光收集模块连于机箱顶板内，微流控芯片放置盒安装在X-Y轴二维移动平台上，且能实现与荧光收集模块光轴线的相对位置的任意匹配。

本实用新型的目的还可通过如下技术措施来实现：

所述的激发模块包括激光器、激光滤光片的光轴线与荧光收集模块包括聚焦物镜、分色分光镜、带通滤光片、透镜、针孔、发射滤光片组、光电倍增管的光轴线呈90度角，其中分色分光镜与激发模块的光轴线呈45度角放置；

所述的荧光收集模块中的发射滤光片组、光电倍增管放置在一个光学暗室中

所述的对中监测模块包括CCD相机、长筒物镜、透反分光镜、透光圆筒、推拉手柄的光轴线与荧光收集模块的光轴线呈90度角，其中透反分光镜与对中监测模块的光轴线呈45度角放置；

所述的荧光信号处理模块包括顺序连接的光电倍增管、I/V放大电路、低通滤波电路、数据采集卡。

所述的激光器为473nm半导体固体激光器。

所述的聚焦物镜的上下调节为旋转螺纹式，其焦平面与水平放置于微流控芯片放置盒内的微流控芯片一致。

所述的透反分光镜的透反比率为20/80，透反分光镜、透光圆筒、推拉手柄采用一体化固联，且能通过推拉手柄作二位定位移动，使透反分光镜、透光圆筒分别移入、移出荧光收集模块的光轴线。

所述的发射滤光片组为500-700nm范围内四个不同波段的发射滤光片，且四个发射滤光片可以旋转式切换。

所述的微流控芯片放置盒为长方体结构，其中，上盖可以开启，左右两侧可以连接相应的流体操纵接口，下底有一适合激发/发射光通过的通光孔，其内部有消除杂散光的涂层。

在上述技术措施中，所述的高灵敏激光诱导荧光检测器，其适配的微流控芯片的材质为石英、玻璃、PDMS、PMMA。

本实用新型的优点：

(1)本实用新型在光路及所有部件的优化设计之外，对影响检测的杂散光和激光噪声做了相应处理，使得本实用新型具有很高的灵敏度、稳定性和响应速度，并利用本实用新型可以方便地开展微流控芯片上生化样品、尤其是低浓度生化样品的激光诱导荧光检测的研究与应用，以适应微流控分析发展的需要。

(2)本实用新型整机结构紧凑、体积小、操作简便，能够和各类微流控芯片灵活配套。

附图说明：

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的组成原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型包括六个部分(附图1)：激发模块1、荧光收集模块2、对中监测模块3、微流控芯片放置盒4、X-Y轴二维移动平台5及荧光信号处理模块6。制造时上述六个部分依附一个机箱进行相应固定。其中，X-Y轴二维移动平台5固定在机箱顶板上；微流控芯片放置盒4安装在X-Y轴二维移动平台5上，且能实现与荧光收集模块2光轴线的相对位置的任意匹配；激发模块1、荧光收集模块2、对中监测模块3和荧光信号处理模块6，则按照各个器件实际工作时的设置顺序(附图2)固定与机箱内部，荧光收集模块2中的发射滤光片组206、光电倍增管207放置在一个光学暗室中。

激发模块1包括激光器101、激光滤光片102的光轴线与荧光收集模块2包括聚焦物镜201、分色分光镜202、带通滤光片203、透镜204、针孔205、发射滤光片组206、光电倍增管207的光轴线呈90度角，其中分色分光镜202与激发模块1的光轴线呈45度角放置；对中监测模块3包括CCD相机301、长筒物镜302、透反分光镜303、透光圆筒304、推拉手柄305的光轴线与荧光收集模块2的光轴线呈90度角，其中透反分光镜303与对中监测模块3的光轴线呈45度角放置；荧光信号处理模块6包括顺序连接的光电倍增管207、I/V放大电路601、低通滤波电路602、数据采集卡603；激光器101为473nm半导体固体激光器；聚焦物镜201的上下调节为旋转螺纹式，其焦平面与水平放置于微流控芯片放置盒4内的微流控芯片一致；所述的透反分光镜303、透光圆筒304、推拉手柄305采用一体化固联，且能通过推拉手柄305作二位定位移动，使透反分光镜303、透光圆筒304分别移入、移出荧光收集模块2的光轴线；所述的发射滤光片组206为500-700nm范围内四个不同波段的发射滤光片，且四个发射滤光片可以旋转式切换；所述的微流控芯片放置盒4为长方体结构，其中，上盖可以开启，左右两侧可以连接相应的流体操纵接口，下底有一适合激发/发射光通过的通光孔，其内部有消除杂散光的涂层。

具体应用时，首先通过微流控芯片放置盒4左右两侧的流体操纵接口，将微流控芯片放置盒4内的微流控芯片与相应的流体操纵连接。其次通过推拉手柄305将透反分光镜303移入荧光收集模块2的光轴线上，打开激光器101，分色分光镜202的反射激光通过透反分光镜303入射到聚焦物镜201，调节聚焦物镜201(结合X-Y轴二维移动平台的调节)将该激光聚焦照射到芯片分离通道内，从而激发出荧光；同时，聚焦物镜201收集的荧光经过透反分光镜303反射，进入长筒物镜302、CCD相机301，由CCD相机301对芯片分离通道(检测点)处成像，从而完成激发光斑与微流控芯片分离通道的对中调试。最后通过推拉手柄305将透光圆筒304移入荧光收集模块2的光轴线上(透反分光镜303则同步从荧光收集模块2光轴线上移出，其目的是减少荧光的损耗)，闭合微流控芯片放置盒4的上盖(目的是遮挡杂散光，聚焦物镜201收集的荧光通过分色分光镜202、带通滤光片203(目的是遮挡激光)、透镜204、针孔205(目的是屏蔽激光或其它杂散光)、发射滤光片组206(目的是进一步滤除背景激光)进入光电倍增管207的探测窗口，光电倍增管207将收集的荧光变换为电流信号，该电流信号经过I/V放大电路601、低通滤波电路602(目的是进一步抑制工频干扰)、数据采集卡603，由PC机进行荧光检测谱图的显示/记录。

下面给出的实施例可以进一步说明本实用新型的应用效果(参见附图3)：

本实施例是在玻璃基质的“十字”结构芯片上，以Rhll0为待测物，考察了本实用新型的灵敏度、信噪比、稳定性、响应速度等性能。

芯片电泳模式：区带电泳

电泳运行介质：20mM BBS缓冲溶液(pH9.2)

λ_ex/λ_em：473nm/525nm

测量结果：Rhll0的检测限(S/N＝3)为1.0×10^-11mol/L(质量检测限1.2×10^-20mol)，峰高和迁移时间的相对标准偏差(RSDs)分别为2.6％和1.8％(n＝3)

以上所述，仅为本实用新型其中的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围：即凡根据本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本实用新型权利要求的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：该激光诱导荧光检测器的X-Y轴二维移动平台(5)连于机箱顶板上，连接激发模块(1)、对中监测模块(3)、荧光信号处理模块(6)的荧光收集模块(2)连于机箱顶板内，微流控芯片放置盒(4)安装在X-Y轴二维移动平台(5)上，且能实现与荧光收集模块(2)光轴线的相对位置的任意匹配。

2.根据权利要求1所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：

所述的激发模块(1)包括激光器(101)、激光滤光片(102)的光轴线与荧光收集模块(2)包括聚焦物镜(201)、分色分光镜(202)、带通滤光片(203)、透镜(204)、针孔(205)、发射滤光片组(206)、光电倍增管(207)的光轴线呈90度角，其中分色分光镜(202)与激发模块(1)的光轴线呈45度角放置；

所述的荧光收集模块(2)中的发射滤光片组(206)、光电倍增管(207)放置在一个光学暗室中；

所述的对中监测模块(3)包括CCD相机(301)、长筒物镜(302)、透反分光镜(303)、透光圆筒(304)、推拉手柄(305)的光轴线与荧光收集模块(2)的光轴线呈90度角，其中透反分光镜(303)与对中监测模块(3)的光轴线呈45度角放置；

所述的荧光信号处理模块(6)包括顺序连接的光电倍增管(207)、I/V放大电路(601)、低通滤波电路(602)、数据采集卡(603)。

3.根据权利要求2所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：所述的激光器(101)为473nm半导体固体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：所述的聚焦物镜(201)的上下调节为旋转螺纹式，其焦平面与水平放置于微流控芯片放置盒(4)内的微流控芯片一致。

5.根据权利要求2所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：所述的透反分光镜(303)、透光圆筒(304)、推拉手柄(305)采用一体化固联，且能通过推拉手柄(305)作二位定位移动，使透反分光镜(303)、透光圆筒(304)分别移入、移出荧光收集模块(2)的光轴线。

6.根据权利要求2所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：所述的发射滤光片组(206)为500-700nm范围内四个不同波段的发射滤光片，且四个发射滤光片可以旋转式切换。

7.根据权利要求1所述的一种用于微流控分析的激光诱导荧光检测器，其特征在于：所述的微流控芯片放置盒(4)为长方体结构，其中，上盖可以开启，左右两侧可以连接相应的流体操纵接口，下底有一适合激发/发射光通过的通光孔，其内部有消除杂散光的涂层。

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