CN203117110U

CN203117110U - 一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪

Info

Publication number: CN203117110U
Application number: CN 201220725192
Authority: CN
Inventors: 徐蔚青; 李海波; 耿乙迦; 田中群; 徐杼平; 赵冰; 谷玥娇; 陈刚; 王海龙; 周向华
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2022-12-25

Abstract

本实用新型属于微流控芯片分析仪技术领域，具体涉及一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪。微流控芯片分析仪由与微流控芯片分离的光路模块和固定光路模块的三维自动位移定位台组成，实现了在微流控芯片上精确定位和对样品的拉曼光谱进行检测。具有（1）检测探头与微流控芯片分离，且在微流控芯片上采用倒置检测拉曼光谱的方式，（2）可对微流控芯片显微成像，（3）微流控芯片位置固定，检测探头可在XYZ方向实现精细微调和定位等主要技术特征。该装置各个参数均满足在微流控芯片进行拉曼检测的要求，而且体积小，成本低，是一种新型的可移动式的微流控芯片分析仪，在该领域有着重要的应用潜力和商品市场。

Description

一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪

技术领域

本实用新型属于微流控芯片分析仪技术领域，具体涉及一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪。

背景技术

目前，微流控芯片技术正在快速发展，它是一种把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程的技术，它在生物、化学、医学等领域有着巨大的应用潜力。芯片分析仪主要由两部分组成:一是动力源。广义的动力源包括电、磁、声、光、热,现阶段仍以电源为主，电源提供包括流体驱动在内的各种动力。二是检测器，检测器则用于捕捉微流控芯片产生的信号。检测器是微流控芯片实验室的重要组成部分,最常用的是激光诱导荧光检测器,此外还有紫外、电化学、质谱、化学发光、拉曼光谱检测器等。其中拉曼光谱是一种免标记的、无损的、高信息量（指纹光谱）的检测方式，而且方便与其他检测手段联用，如质谱等。拉曼光谱是一种对样品种类进行分析的非常有效的手段。如果配合表面增强技术，甚至可以实现单分子水平的检测，因此它还是一种高灵敏的检测手段。拉曼光谱是微流控芯片分析技术中一个很有潜力的发展新趋势。

目前市场上的微流控芯片分析仪器品种比较少,在中国市场上能见到的仅有的两种均采用激光诱导荧光检测,有很大的局限性。其中一种是加拿大Albert大学派生出的Micralyne公司生产的名为Microfluidic Tool Kit的仪器,其聚焦为手动式；另一种是Agilent公司的Bioanalyzer2100，其芯片、电极以至试剂盒均为固定模式,不能调节变更,更适用于固定检测项目的应用。拉曼光谱可以提供比荧光检测更多的信息，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，但是目前没有一台商品化的、可以检测拉曼信号的微流控芯片分析仪，这就限制了拉曼光谱技术在微流控芯片系统上的应用。目前用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪还停留在实验室研究阶段，适用于各种微流控芯片检测的通用型拉曼芯片分析仪还未见报道。如St Andrews大学研制的和文献（Optics Express187642）报道的用拉曼光谱检测的微流控芯片生物分析仪都是将检测部件固定到芯片上，不便于调节和变更芯片，不适用于通用型实验室。而传统的大型显微拉曼光谱仪作为通用型仪器，不适合直接对微流控芯片进行检测。因为大型显微拉曼光谱仪的检测对象一般为粉末或者玻璃管中的液体，一般采用正置的背反射检测方式，但这样的结构不适合用于微流控芯片的检测及相关技术的开发。因为微流控芯片上表面需要布置一些管路来将待分析物注入和输出，如果采用正置的背反射的检测方式，显微镜头与管路会相互碰撞而影响检测。因此倒置检测的结构更适合进行拉曼光谱的激发和检测，即从微流控芯片的底面来进行检测就可以避免上述问题。对于光纤拉曼探头式的光谱仪，虽然可以实现探头的位置和检测方向的灵活控制，却不能显微成像，无法精确定位到芯片上微米级的检测区域。另外，传统的拉曼光谱仪都是通过移动样品台来改变样品与物镜的位置来实现定位和聚焦等功能，但这不适合于微流控芯片。因为芯片上可能会连接一些刚性的和不易弯曲的管路或者光纤等其他结构，移动芯片位置在操作上有一定的困难，甚至有些微流控芯片是固定在其他模块上，根本无法移动。因此在微流控芯片上进行拉曼检测最好能保证芯片位置固定，通过检测探头的移动来实现定位和聚焦。微流控芯片发展的目的是为了实现实验室芯片化，一种可移动的芯片分析仪对于该技术发展很有必要，而大型显微拉曼光谱仪都不可移动，无法现场检测。微流控芯片作为一种特殊的“样品”，目前通用型的拉曼光谱仪都无法方便、有效的对其进行分析，开发一台通用型的用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪将对微流控芯片技术的发展很有必要。

因此，除传统的灵敏度、分辨率及稳定性等参数需要满足要求外，为方便在微流控芯片上检测拉曼信号，微流控芯片分析仪中的拉曼检测器还需要满足以下技术要求：（1）检测探头与微流控芯片分离，且在微流控芯片上采用倒置检测拉曼光谱的方式，（2）可对微流控芯片显微成像，（3）微流控芯片位置固定，检测探头可在XYZ方向实现精细微调和定位，（4）集成化，便于移动，可用于现场检测。

微流控芯片技术是当前微全分析系统领域发展的重点，是未来分析和检测发展的方向。它的目标是实现实验室芯片化及“个人化验室”。设计一种方便的、有效的，采用拉曼光谱检测的通用型芯片分析仪器是推动该技术发展的重要工具。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种通用型的应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪，是专门为在微流控芯片上检测被分析物的拉曼光谱而设计开发的分析仪器，微流控芯片分析仪由与微流控芯片分离的光路模块和调节光路模块的三维自动位移定位台组成，实现了在微流控芯片上精确定位和对样品的拉曼光谱进行检测。具有（1）检测探头与微流控芯片分离，且在微流控芯片上采用倒置检测拉曼光谱的方式，（2）可对微流控芯片显微成像，（3）微流控芯片位置固定，检测探头可在XYZ方向实现精细微调和定位等主要技术特征。光路模块和三维自动位移定位台均置于具有外壳的仪器框架内，待测微流控芯片固定于仪器框架的上表面，实现了集成化，便于移动。该装置各个参数均满足在微流控芯片进行拉曼检测的要求，而且体积小，成本低，是一种新型的可移动式的微流控芯片分析仪，在该领域有着重要的应用潜力和商品市场。

光路模块包括倒置的显微成像光路和倒置的拉曼光谱检测光路。显微成像光路由白光光源、会聚透镜和CCD组成；拉曼光谱检测光路由激光器、滤光片、会聚透镜和模块化光谱仪组成。由激光器发出的激发光经滤光片、会聚透镜后，在三维自动位移定位台的控制下，由微流控芯片的下表面定位和聚焦到微流控芯片中的样品上，激发样品的拉曼信号由模块化光谱仪进行收集，从而实现对待测微流控芯片（3）中样品的拉曼光谱检测；由白光光源发出的白光经会聚透镜会聚后，同样由微流控芯片的下表面照射到微流控芯片上，反射光由CCD成像；照射到微流控芯片下表面的激光光斑也由CCD成像。结合显微成像光路，可以用外部计算机通过程序控制三维自动位移定位台的移动，实现激光在微流控芯片表面任意位置的精确定位和聚焦，进而实现光谱仪、CCD的协调工作。

本实用新型结构紧凑，仪器的分辨率、灵敏度等指标均可以满足在微流控芯片上进行拉曼光谱检测的需要，采用本实用新型所述设计，将会方便在各种微流控芯片上进行拉曼光谱的检测，从而对芯片内的样品进行识别和分析。本实用新型具有以下有益特征：（1）本实用新型拉曼检测探头与微流控芯片分离，适用于各种微流控芯片，芯片更换方便，对芯片无特殊加工和处理的要求，通用性强。（2）本实用新型拉曼检测器采用的倒置检测结构有利于避免芯片上方检测的结构所遇到的管路阻挡问题，方便微流控芯片拉曼光谱的检测及微流控芯片的设计。（3）可显微成像有利于实现在复杂结构的微流控芯片上精确的定位和测量，使仪器具有通用性。（4）用固定样品台移动检测探头的设计可以避免移动微流控芯片时管路等的干扰。（5）实现了集成化，便于移动，可用于现场检测。

附图说明

下面将结合附图和结合具体实施例详细说明本实用新型所述的检测方法和装置，但不限于所提的这几种方法和装置。

图1：本实用新型实施例1所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪的整体结构示意图；

图2：本实用新型实施例2所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪中光路模块的正视图；

图3：本实用新型实施例2所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪中计算机控制三维自动位移定位台的操作流程图；

图4：本实用新型实施例2所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪中拉曼检测探头结构示意图；

图5：本实用新型实施例3所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪中光路模块的正视图；

图6：本实用新型实施例3所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪检测的微流控芯片通道内经典银溶胶增强的对巯基苯胺分子的表面增强拉曼光谱。

具体实施方式

实施例1：

图1为根据本实用新型构思设计的一种微流控芯片分析仪的整体示意图，包括芯片动力源16和微流控芯片分析仪组成。芯片动力源16为采用压力进样的连续注射泵或者是采用电压夹流进样的高压电极。倒置的拉曼光谱检测光路及倒置的显微成像光路集成到光路模块1中，光路模块1固定到三维自动位移定位台2上，光路模块1和三维自动位移定位台2置于具有外壳的仪器框架4内，待测微流控芯片3固定于仪器框架4的上表面，从而实现倒置拉曼光谱检测、倒置显微成像和检测激光精确定位等技术要求。

实施例2：

图2为根据本实用新型构思设计的一种具体结构的光路模块1示意图。该光路由拉曼光谱检测光路和显微成像光路两部分组成，为结构紧凑，在进行拉曼光谱检测时，中性半透半反透镜81、82由转换器12切换到光路之外。由激光器5（可选用BWTEK公司的BRM785激光器）产生的激光经凸透镜61后扩束或变成平行光，经过滤光片71滤掉除激光以外的杂散光；再经长通双色滤光片72（785nm波长反射，785nm以上波长透过）将激光反射，反射的激光通过第一近红外反射镜152后由水平光路转变为竖直光路，然后经物镜62的下表面聚焦到微流控芯片3中的样品上；所激发样品的拉曼信号（波长大于785nm）由物镜62收集，由第一近红外反射镜152将竖直光路转变为水平光路，再经过长通双色滤光片72和长通滤光片73后滤掉瑞利散射光，最后经透镜63聚焦到模块化光谱仪10中，完成拉曼光谱的激发及检测；当进行显微成像时，中性半透半反透镜81、82由转换器12切换到光路之内，由白光光源11发射出的照明光经透镜64聚焦、经半透半反透镜81反射、经半透半反透镜82、再经第一近红外反射镜152反射将水平光路转变为竖直光路后会聚到物镜62的后焦平面上，经物镜62后变成平行光均匀的照射到微流控芯片3的下表面；反射光经物镜62变为平行光，通过第一近红外反射镜152将竖直光路转变为水平光路后，经半透半反透镜82反射，再经成像透镜65成像到CCD9上。同时激光照射到微流控芯片3下表面所成的像也经同一光路成像到CCD9上，在CCD9中的图像是由微流控芯片的显微图像和激光照明光斑组成。上述整个光路除了物镜62和微流控芯片3外，其余部件均位于同一水平平面内，物镜62和微流控芯片3位于与该水平平面垂直的竖直平面内；长通双色滤光片72、半透半反透镜81、82，第一近红外反射镜152均与入射光成45°角设置。

图3为计算机控制三维自动位移定位台2的流程图。主要流程为：在计算机上的Labview主程序所产生的控制指令经过USB数据线传送到数据检测卡中，数据检测卡产生驱动信号控制步进电机驱动器产生驱动电流，驱动三维自动位移定位台2（VERTEX五相步进电机平移台）的步进电机运动，从而实现三维自动位移定位台的控制。结合显微成像系统，可以用外部计算机实现在微流控芯片表面任意位置的精确定位和聚焦。位移台移动最小距离为1.2微米，满足在微流控芯片上的精确定位的要求。

图4为本实用新型中微流控芯片分析仪的探头部分示意图。探头部分与微流控芯片3是分离的，通用性强。待测样品13位于微流控芯片3内部的通道内，长工作距离的物镜62将激光聚焦到微流控芯片3内部通道的样品13中，从而有效的激发和检测样品的拉曼信号。

实施例3：

图5根据本实用新型设计的另一个光路模块1的俯视图，整个光路集成为一个光路模块并安装在XYZ三轴自动位移定位台2上。为实现结构紧凑和便于光路调节的目的，本实施例在图2的基础上添加了第二近红外反射镜151、第三近红外反射镜153和第四近红外反射镜154（反射率95%以上）。该光路同样包括显微成像光路及拉曼光谱激发和检测光路两部分。

在进行拉曼光谱的激发和检测时，半透半反透镜81、82由转换器12切换到光路之外。由发射波长为785nm的半导体激光器5产生的激光经光纤14（芯径100微米，透过波长为可见近红外波段，数值孔径0.22）传输，后经过透镜61（d=12.7，f=25，d为直径，f为焦距，单位是毫米）变成平行光，经过滤光片71（透过波长785nm）滤掉除激光以外的杂散光；再经第二近红外反射镜151、长通双色滤光片72、第一近红外反射镜152三次反射后由水平光路转变为竖直光路，经物镜62（放大倍数10倍，数值孔径0.22，长工作距离复消色差物镜）聚焦到待测微流控芯片3中的样品上；所激发样品的拉曼信号由物镜62收集，经第一近红外反射镜152将竖直光路转变为水平光路，经长通双色滤光片72后由第四近红外反射镜154和第三近红外反射镜153两次反射，然后再经长通滤光片73滤掉瑞利散射光，最后经透镜63（d=12.7，f=25）聚焦到模块化光谱仪10（BWTEK112E光谱仪）中，完成拉曼光谱的激发和检测。

当进行显微成像时，半透半反镜81、82由转换器12切换到光路之内。显微成像系统包括照明光路和成像光路。照明光路采用柯勒照明系统：由白光光源11（发光二极管）发射出的照明光经透镜64（d=25.4，f=50）聚焦、经半透半反透镜81反射、经半透半反透镜82、再经第一近红外反射镜152反射将水平光路转变为竖直光路后会聚到物镜62的后焦平面上，经物镜62后变成平行光均匀的照射到微流控芯片3的下表面；反射光经物镜62变为平行光，通过第一近红外反射镜152将竖直光路转变为水平光路后，经半透半反透镜82反射，再经成像透镜65（d=25.4，f=150）成像到CCD9上。同时激光照射到微流控芯片3下表面所成的像也经同一光路成像到CCD9上，在CCD9中的图像是由微流控芯片的显微图像和激光照明光斑组成。

上述整个光路除了物镜62和微流控芯片3外，其余部件均位于同一水平平面内，物镜62和微流控芯片3位于与该水平平面垂直的竖直平面内；长通双色滤光片72、半透半反透镜81、82，第二近红外反射镜151、第一近红外反射镜152与入射光成45°角设置，第三近红外反射镜153、第四近红外反射镜154与入射光成22.5°角设置。

图6为根据本实施例由光谱仪10检测的微流控芯片通道内的经典银溶胶（J.Phys.Chem.1982,86,3391所述方法获得）增强的对巯基苯胺分子的表面增强拉曼光谱。微流控芯片动力源为连续注射泵，与微流控芯片一同安装在仪器框架4的上表面。将浓度为10^-5摩尔每升的对巯基苯胺分子与经典银溶胶按体积比1：9混合后再一起泵入微流控芯片的通道中，并用本实用新型所设计的装置检测银溶胶增强的对巯基苯胺分子的拉曼信号。激光的激发波长为785纳米，光强为30mW，积分时间10秒。图中较强的峰强度证明此装置满足在微流控芯片上检测低浓度样品的要求，即仪器的灵敏度达到了要求。此外图中各拉曼峰可以清晰的分开，证明此装置的波长分辨率满足在微流控芯片上检测拉曼光谱的要求。从图中1585、1443、1385、1072波数等谱线可以分析出此检测物为对巯基苯胺。因此，此实施例表明本实用新型可以胜任微流控芯片中低浓度样品种类的分析和识别。

Claims

1.一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪，其特征在于：由与微流控芯片（3）分离的光路模块（1）和调节光路模块（1）的三维自动位移定位台（2）组成；光路模块（1）和三维自动位移定位台（2）置于具有外壳的仪器框架（4）内，待测微流控芯片（3）固定于仪器框架（4）的上表面；光路模块（1）包括倒置的显微成像光路和倒置的拉曼光谱检测光路。

2.如权利要求1所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪，其特征在于：拉曼光谱检测光路由激光器（5）、滤光片、会聚透镜和模块化光谱仪（10）组成；显微成像光路由白光光源、会聚透镜和CCD组成；由激光器（5）发出的激发光经滤光片、会聚透镜后，在三维自动位移定位台（2）的控制下，由待测微流控芯片（3）的下表面定位和聚焦到微流控芯片中的样品上，激发样品的拉曼信号由模块化光谱仪（10）进行收集，从而实现对待测微流控芯片（3）中样品的拉曼光谱检测；由白光光源（11）发出的白光经会聚透镜会聚后，同样由待测微流控芯片（3）的下表面照射到微流控芯片上，反射光由CCD（9）成像，照射到微流控芯片下表面的激光光斑也由CCD（9）成像。

3.如权利要求1所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪，其特征在于：拉曼光谱检测光路由激光器（5）、凸透镜（61）、滤光片（71）、长通双色滤光片（72）、第一近红外反射镜（152）、物镜（62）、长通滤光片（73）、透镜（63）和模块化光谱仪（10）组成，由激光器（5）产生的激光经凸透镜（61）后变成平行光，经过滤光片（71）滤掉除激光以外的杂散光；再经长通双色滤光片（72）将激光反射，反射的激光通过第一近红外反射镜（152）后由水平光路转变为竖直光路，然后经物镜（62）的下表面聚焦到微流控芯片（3）中的样品上；所激发样品的拉曼信号由物镜（62）收集，由第一近红外反射镜（152）将竖直光路转变为水平光路，再经过长通双色滤光片（72）和长通滤光片（73）后滤掉瑞利散射光，最后经透镜（63）聚焦到模块化光谱仪（10）中，完成拉曼光谱的激发及检测；当进行显微成像时，中性半透半反透镜（81、82）由转换器（12）切换到光路之内，由白光光源（11）发射出的照明光经透镜（64）聚焦、经半透半反透镜（81）反射、经半透半反透镜（82）、再经第一近红外反射镜（152）反射将水平光路转变为竖直光路后会聚到物镜（62）的后焦平面上，经物镜（62）后变成平行光均匀的照射到微流控芯片（3）的下表面；反射光经物镜（62）变为平行光，通过第一近红外反射镜（152）将竖直光路转变为水平光路后，经半透半反透镜（82）反射，再经成像透镜（65）成像到CCD（9）上；同时激光照射到微流控芯片（3）下表面所成的像也经同一光路成像到CCD（9）上，在CCD（9）中的图像是由微流控芯片的显微图像和激光照明光斑组成；上述整个光路除了物镜（62）和微流控芯片（3）外，其余部件均位于同一水平平面内，物镜（62）和微流控芯片（3）位于与该水平平面垂直的竖直平面内；长通双色滤光片（72）、半透半反透镜（81、82）、第一近红外反射镜（152）均与入射光成45°角设置。

4.如权利要求3所述的一种应用拉曼光谱检测的微流控芯片分析仪，其特征在于：在拉曼检测光路中增加光纤（14）、第二近红外反射镜（151）、第三近红外反射镜（153）和第四近红外反射镜（154）；由激光器（5）产生的激光经光纤（14）传输，后经过透镜（61）变成平行光，经过滤光片（71）滤掉除激光以外的杂散光；再经第二近红外反射镜（151）、长通双色滤光片（72）、第一近红外反射镜（152）三次反射后由水平光路转变为竖直光路，经物镜（62）聚焦到待测微流控芯片（3）中的样品上；所激发样品的拉曼信号由物镜（62）收集，经第一近红外反射镜（152）将竖直光路转变为水平光路，经长通双色滤光片（72）后由第四近红外反射镜（154）和第三近红外反射镜（153）两次反射，然后再经长通滤光片（73）滤掉瑞利散射光，最后经透镜（63）聚焦到模块化光谱仪（10）中，完成拉曼光谱的激发和检测；第二近红外反射镜（151）、第一近红外反射镜（152）与入射光成45°角设置，第三近红外反射镜（153）、第四近红外反射镜（154）与入射光成22.5°角设置。