CN210347460U - 激光诱导荧光检测装置和激光诱导荧光检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种能够适用于微流控芯片的激光诱导荧光检测装置和激光诱导荧光检测系统。该激光诱导荧光检测装置包括：激光发射单元，用于产生激光；光学调节组件，设置在激光的光路上，用于调节光路；三轴移动平台，用于安装生物芯片；光电检测单元，用于检测生物芯片在激光的激发下产生的荧光；其中，光学调节组件包括依次设置的：第一滤光片，用于衰减激光；平面凸透镜，用于对衰减后的激光散焦以形成光束；离轴抛物镜，用于收集生物芯片在激光的激发下产生的荧光；第二滤光片，用于过滤散射光。采用本实用新型提供的激光诱导荧光检测系统能够快速、简便地对微流控芯片中的反应体系进行检测。

Description

激光诱导荧光检测装置和激光诱导荧光检测系统

技术领域

本实用新型涉及检测分析仪器技术领域，特别涉及一种激光诱导荧光检测装置和激光诱导荧光检测系统。

背景技术

近年来微分离技术的快速发展也使得科技工作者们对现有分析手段的分离效率、分析速度、检测灵敏度有了更高的要求，更趋向于高灵敏度、高选择性的方向。激光诱导荧光检测技术正是集中体现了这种发展趋势。自上世纪70时代起，研究人员开发出的激光诱导荧光检测技术(LIF)由于其高检测灵敏度以及适合于微区检测的特点而获得了快速迅猛的发展和广泛的应用。作为精密分析仪器检测器的激光诱导荧光检测器自问世以来，就倍受科技工作者的青睐，现今己被广泛地应用于神经科学、核酸分析、生物工程等生命科学、环境保护、制药业、食品业及农业等多个领域，特别是在痕量检测、分析方面，具有其他检测器无可比拟的优势。

虽然这种检测技术与大多数的精密分析分离仪器都有很好的匹配性，但当我们使用微流控芯片进行激光诱导荧光检测时，经常面临如下问题：传统的荧光波谱仪需要通过石英或其它材料的小室来承载样品，而微流控芯片在使用过程中出于准确性和灵敏度的考虑显然无法将样液取出通过传统波谱仪进行读数，因此，有必要提供一种能够适用于微流控芯片的激光诱导荧光检测装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的一个技术问题在于如何提供一种能够适用于微流控芯片的激光诱导荧光检测装置和激光诱导荧光检测系统。

根据本实用新型的第一个方面，本实用新型提供了一种激光诱导荧光检测装置，根据本实用新型的实施例，该激光诱导荧光检测装置包括：

激光发射单元，用于产生激光；

光学调节组件，设置在激光的光路上，用于调节光路；

三轴移动平台，用于安装生物芯片；

光电检测单元，用于检测生物芯片在激光的激发下产生的荧光；

其中，光学调节组件包括依次设置的：

第一滤光片，用于衰减激光；

平面凸透镜，用于对衰减后的激光散焦以形成光束；

离轴抛物镜，用于收集生物芯片在激光的激发下产生的荧光；

第二滤光片，用于过滤散射光。

根据本实用新型的实施例，该激光诱导荧光检测装置至少具有以下有益效果：

本激光诱导荧光检测装置通过设置第一滤光片，降低激光功率，减少光损伤；功率下降后的激光通过平面凸透镜后发生一定的散焦，使得激光的光束在照射到生物芯片时能够形成具有一定大小的光斑，从而对生物芯片上的检测单位进行照射，激发其中的荧光材料发出荧光，发出的荧光则由离轴抛物镜进行反射，形成具有特定方向的荧光光束，荧光光束由第二滤光片除去其中混杂的激光散射光，对通过的光线进行“除杂”，“除杂”后的荧光进入光电检测单元进行检测。显然，采用本实用新型提供的激光诱导荧光检测系统能够快速、简便地对微流控芯片中的反应体系进行检测。

另外，根据本实用新型的实施例，该激光诱导荧光检测装置还可以具有如下的附加技术特征：

在本实用新型的一些实施例中，平面凸透镜的焦距为100-300mm。采用焦距在100-300mm左右的平面凸透镜使得通过平面凸透镜散焦的激光能够在照射到生物芯片上形成500μm左右的光斑，方便生物芯片上待激发的荧光样品的受激和后续荧光采集过程。

在本实用新型的一些实施例中，光束通过离轴抛物镜上的中心孔照射生物芯片，中心孔的直径为1-3mm。中心孔(中心通孔)的直径设置能够方便散焦后的激光通过离轴抛物镜。

在本实用新型的一些实施例中，光学调节组件还包括将荧光进行聚焦后导入光电检测单元的聚焦透镜。

在本实用新型的一些实施例中，第一滤光片可以是中性密度滤光片，第二滤光片可以是陷波滤光片。

在本实用新型的一些实施例中，该激光诱导荧光检测装置具有至少三根轴线。在第一轴线上，依次设置有同轴的激光发射单元的光源、第一滤光片、二向色镜，二向色镜的反射面与第一轴线成45°角。第二轴线与第一轴线垂直，第二轴线与第一轴线的交点为二向色镜的中心，第二轴线上沿激光的光路依次设置有同轴的前述的二向色镜、平面凸透镜、离轴抛物镜以及预置生物芯片的位置。第三轴线与第二轴线垂直，第三轴线上沿荧光的光路依次设置有前述的离轴抛物镜、第二滤光片、聚焦透镜、光电检测单元的荧光接收部件(例如，可以是光纤)。

根据本实用新型的第二个方面，本实用新型提供了一种激光诱导荧光检测系统，根据本实用新型的实施例，激光诱导荧光检测系统包括上述任一种激光诱导荧光检测装置和固定于三轴移动平台上的生物芯片，生物芯片为微流控芯片。

在本实用新型的一些实施例中，微流控芯片包括样品室、反应室和流体控制单元。同时，微流控芯片中的样本室和反应室可按要求增加或减少，从而实现多样本同时快速检测。

在本实用新型的一些实施例中，流体控制单元包括空气阀。空气阀的设置可以实现反应体系的流入和停止之间的有效准确控制。

在本实用新型的一些实施例中，反应室为预装有CRISPR/Cas13a反应体系的反应室。

采用CRISPR/Cas13a反应体系进行RNA等样品的检测，无需RNA拷贝数的增加，防止拷贝增加过程中RNA信息的丢失；同时，也无需苛刻的实验条件，如PCR反应时的温度变化，大大降低了条件变化过程中一些不可控因素对检测的影响。本产品能够在不增加RNA拷贝数的情况下，使检测敏感度到达20pfu/ml，这是相同条件下其他方法无法达到的。激光诱导荧光检测系统的微流控设计使样品量能够降低到20μL，从而实现一滴血RNA病毒的检测，达到快速、准确、低成本及多样本的微量RNA病毒检测的目的。

在本实用新型的一些实施例中，微流控芯片为圆盘式阵列结构。

在本实用新型的一些实施例中，微流控芯片为聚二甲基硅氧烷微流控芯片。采用聚二甲基硅氧烷的材料制作微流控芯片，有利于降低产品的生产成本，促进产品的推广和应用，特别适用于资金和技术条件缺乏的区域。

在本实用新型的一些实施例中，微流控芯片还设有加热部件。加热部件的设置可以更方便地使反应室内的待测样品和试剂发生反应，从而更高效地进行检测。

在本实用新型的一些实施例中，激光诱导荧光检测系统为集成式的小型化设置，具有小巧的体型，方便普查/检验人员的携带和检测的进行。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例的激光诱导荧光检测装置的结构示意图。

图2是本实用新型的一个实施例的激光诱导荧光检测系统的微流控芯片的结构示意图。

图3是本实用新型的另一个实施例的激光诱导荧光检测系统的局部示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。

实施例1：

图1为本实用新型的一个实施例的激光诱导荧光检测装置的结构示意图。如图1所示，该激光诱导荧光检测装置包括：激光发射单元1、中性密度滤光片21、平面凸透镜22、离轴抛物镜23、陷波滤光片24、聚焦透镜25、三轴移动平台3和光电检测单元。其中，光电检测单元包括光纤41和光谱仪42。

在本实施例中，激光发射单元1采用488nm连续波激光器(具体型号是美国Coherent公司的Sapphire 488 LP)。平面凸透镜的焦距为200nm。离轴抛物镜23采用具有中心孔的离轴抛物镜(直径1英寸、反射焦距(Reflected Focal Length，RFL)为50mm，中心通孔直径～2mm，美国Thorlabs公司)。陷波滤光片24采用488nm的陷波滤光片(具体型号是美国Thorlabs公司的NF488-15，光密度～6，半带宽15nm)。光纤41采用美国Thorlabs公司的M93L01。光谱仪42采用小型USB光谱仪(具体型号是美国Ocean Optics公司的USB 2000+)。

本实施例还提供一种激光诱导荧光检测系统，该系统除上述的激光诱导荧光检测装置外，还包括固定在三轴移动平台上的微流控芯片。图2是本实用新型的一个实施例的激光诱导荧光检测系统的微流控芯片的结构示意图。如图2所示，该微流控芯片为圆盘式阵列结构，包括位于内侧的样品室51、反应室52和流体控制单元53。

该微流控芯片的具体制备过程至少可以采用如下方式：

1.通过光刻技术制造相应的SU-8模具(厚度80μm)。

2.利用聚二甲基硅氧烷在SU-8模具外形成约300μm厚的涂层，并在80℃条件下烘烤。

3.将涂层剥离后，打上相应的气动控制孔，形成气动层。

4.在SU-8模具上另外浇注8mm后的聚二甲基硅氧烷层，并在80℃条件下烘烤。通过氧离子体活化的方式将其与气动层粘合在一起后再行剥离。

5.在结合后的微流控芯片材料上打孔，形成反应室和样品室入口。

6.置入微阀和微泵，形成流体控制单元。

上述激光诱导荧光检测系统的具体实施过程如下：

将20nM纯化的LWCAS13A、10nM的crRNA、12.5nM的荧光报告RNA分子(美国ThermoScientific公司的RNase Alert V2)、1μL的RNase抑制剂(来源于New EnglandBiolabs)和50ng的背景RNA(提取自Hela细胞)自动泵入检测室(总体积不超过20μL)，形成功能复合体Cas13a-crRNA。然后，将不同浓度的埃博拉病毒的目标RNA样品(10μL)通过流体控制单元由样品室泵入反应室进行杂交。随后进行37℃、5min的孵育过程。在此过程中，目标RNA与crRNA的spacer序列进行配对结合，生成Cas13a-crRNA-伊波拉RNA复合物。此时，Cas13a的剪切功能被激活，在对伊波拉病毒RNA进行剪切的同时，也会切断其周围的荧光报告RNA分子。荧光报告RNA分子带有荧光基团和淬灭基团，当其被激活的Cas13a剪切时，淬灭基团和荧光基团脱离，导致荧光基团可以不受淬灭基团的影响而能够在外来激光的作用下发出荧光信号(具体反应原理至少可以参考Gootenberg,J.S.,et al.,Nucleic aciddetection with CRISPR-Cas13a/C2c2.Science,2017.356(6336):438-442)。从而利用激光诱导荧光检测装置对微流控芯片进行荧光检测。

开启激光器后，发出的488nm激光经中性密度滤光片使激光的功率下降到3W/cm²，减少实验过程中的光损伤；随后，功率下降的激光经过平面凸透镜进行散焦，散焦后的激光通过离轴抛物镜的中心通孔后照射到微流控芯片上。散焦过程是为了使激光能够在照射微流控芯片时形成合适的光斑以覆盖较大的反应室面积范围。通过调节三轴移动平台使固定在其上的微流控芯片的反应室大致处于离轴抛物镜的焦点位置，从而，在激光的激发作用下形成的荧光在经过离轴抛物镜反射后大致呈平行光束的方式通过陷波滤光片。陷波滤光片用来过滤反射来的激光，使得最终进入光电检测单元进行检测的是激发荧光而非激光。通过陷波滤光片的荧光由聚焦透镜收集进入光纤通过光谱仪检测荧光强度。本领域技术人员通过上述说明结合现有技术中所公开的荧光检测装置可以对上述结构在激光诱导荧光检测系统中的位置进行合理设置，从而得到能够实现上述内容的激光诱导荧光检测系统。

实施例2：

一种激光诱导荧光检测系统，与实施例1的区别在于，微流控芯片中在样品室和反应室之间还包括依次设置的试剂储液室，试剂储液室内放入不同的试剂，通过流体控制单元调节相应的试剂进入反应室混合，最后由样品室泵入待测样品反应。

实施例3：

图3是本实用新型的另一个实施例的激光诱导荧光检测系统的局部示意图和相应的光路。如图3所示，该激光诱导荧光检测系统至少依次包括发射激光的激光发射单元1、降低激光功率的中性密度滤光片21、过滤杂光和反射激光调整光路的二向色镜26、散焦用的平面凸透镜22、反射荧光的离轴抛物镜23、过滤激光的陷波滤光片24、收拢荧光的聚焦透镜25和光电检测单元中用于收集荧光的光纤41。离轴抛物镜23上设有中心通孔231，三轴移动平台3上固定有微流控芯片5。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光诱导荧光检测装置，其特征在于，包括：

激光发射单元，用于产生激光；

光学调节组件，设置在所述激光的光路上，用于调节光路；

三轴移动平台，用于安装生物芯片；

光电检测单元，用于检测所述生物芯片在所述激光的激发下产生的荧光；

其中，所述光学调节组件包括依次设置的：

第一滤光片，用于衰减所述激光；

平面凸透镜，用于对衰减后的所述激光散焦以形成光束；

离轴抛物镜，用于收集所述生物芯片在所述激光的激发下产生的所述荧光；

第二滤光片，用于过滤散射光。

2.根据权利要求1所述的激光诱导荧光检测装置，其特征在于，所述平面凸透镜的焦距为100-300mm。

3.根据权利要求1所述的激光诱导荧光检测装置，其特征在于，所述光束通过所述离轴抛物镜上的中心孔照射所述生物芯片，所述中心孔的直径为1-3mm。

4.根据权利要求1所述的激光诱导荧光检测装置，其特征在于，所述光学调节组件还包括将所述荧光进行聚焦后导入所述光电检测单元的聚焦透镜。

5.一种激光诱导荧光检测系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的激光诱导荧光检测装置和固定于所述三轴移动平台上的生物芯片，所述生物芯片为微流控芯片。

6.根据权利要求5所述的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述微流控芯片包括样品室、反应室和流体控制单元。

7.根据权利要求6所述的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述流体控制单元包括空气阀。

8.根据权利要求6所述的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述反应室为预装有CRISPR/Cas13a反应体系的反应室。

9.根据权利要求5-8任一项所述的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述微流控芯片为圆盘式阵列结构。

10.根据权利要求5-8任一项所述的激光诱导荧光检测系统，其特征在于，所述微流控芯片为聚二甲基硅氧烷微流控芯片。

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