CN2575662Y - 微流控芯片检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微流控芯片检测装置。它包括光学部件，用来处理光电倍增管输出的电信号的接口电路和具有显示、存储、打印功能的嵌入式系统。光学部件包括激光激发单元和探测单元。激光激发单元与探测单元的光轴垂直，嵌入式系统通过信号处理和数据转换单元与探测单元相连，同时也通过信号处理和数据转换单元控制电泳电压和光电倍增管的负高压输出。整个探测单元采用倒置结构，光学系统保持静止不动，不仅光路折叠，实现了整个系统的小型化，而且便于放置芯片，调节芯片的位置，满足共焦原理，获得信噪比较高的信号，可独立操作或与计算机通信。

Description

微流控芯片检测装置

                        技术领域

本实用新型涉及一种微流控芯片检测装置。

                        背景技术

微全分析系统(Micro Total Analysis Systems，μ-TAS)是一个跨学科的新领域，其目标是借助微机电加工(MEMS)技术与生物技术实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、集成化与便携化。它已成为目前分析仪器发展的重要方向与前沿。

当前的微全分析系统可分为芯片式与非芯片式两大类。目前芯片式是发展重点，其中依据芯片结构及工作机理又可分为两大类：微阵列芯片(Microarray chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)，二种技术间虽有少量交叉但基本经历了各自的发展过程。

微阵列芯片也称生物芯片，主要以生物技术为基础，以亲和结合技术为核心，以在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。它使用方便，测定快速，但一般是一次性使用，有很强的专用性。另一类芯片即微流控芯片则主要是以化学分析和分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，是当前微全分析系统发展的重点。它把采样、稀释、加试剂、反应、分离等集成在芯片上，且可多次使用，因此具有更广泛的适用性。

微芯片分析系统的出现不仅可以使珍贵的生物试样与试剂消耗大大降低到微升甚至纳升级，而且使用分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地下降。

生物医学是当前微流控分析系统的主要应用领域，针对人类基因与疾病关系的研究，研制适用于单核苷酸多态性(SNP)检测、DNA测序及后基因组时代的蛋白质测序的毛细管电泳微流控芯片是当务之急。用于临床检验的微流控芯片在我国将拥有最广泛的市场。新药物的合成与筛选是微流控芯片另一个可发挥重要作用的领域。其他重要应用领域包括食品和商品检验、环境监测、刑事科学及航天科学等。

本实用新型针对的微流控芯片为集成毛细管电泳型芯片，其检测方法有紫外吸收检测、荧光检测、质谱检测、安培检测等。其中，荧光检测又称为激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence，简称LIF)检测法，用于检测能发荧光的化合物，是一种高灵敏度的选择性检测方法。某些具有特殊结构的化合物受到紫外光或者激光照射后，能发出波长比紫外光或者激光长的光线，一般在可见光范围内，这种光称为荧光，波长较短的紫外光或者激光成为激发光，产生的荧光称为发射光。荧光检测器就是一种测量荧光强度的系统，在实验条件固定时，荧光强度与样品浓度呈线性关系。由于荧光检测法直接测量荧光强度，灵敏度很高，特别适宜作痕量分析，而且设备比较简单，因此在考虑选择毛细管电泳型芯片的检测方法时，通常选择荧光检测法。

图1是一个荧光检测器的示意图。激光器1发出的激光经过透镜2的会聚，在微流控芯片3的毛细管通道的固定位置产生一个光斑。毛细管中的流体流经这个光斑位置的时候，里面携带的荧光物质受到激光的激发，发射出荧光。这些荧光信号被显微物镜4收集，经过发射光窄带滤色片5滤除不需要的波长信息，由光电倍增管6(PMT)把接收的荧光信号转变为电信号，输出到后续的设备中进行显示。

具体实现光路有三种：斜入射式、透射式和反射式检测光路。早期使用较多的是斜入射式光路，激光束以一定角度倾斜入射，荧光物质流经激光光斑处产生的荧光信号直接被物镜收集，通过光电倍增管进行处理、显示。这种结构比较简单，但是调节角度不方便，而且信号的信噪比也不高，现在使用很少。

图2是反射式光路示意图，透射式检测光路与反射式检测光路结构相似，两者最大的不同是透射式光路没有使用二色镜，光能损耗较低。在透射式光路中，激光通过反射镜和会聚透镜从芯片底部入射，主物镜在芯片上部收集指定区域发出的荧光，芯片上下分别为荧光信号光路和激光引入光路，可以直接在普通生物显微镜的基础上搭建光路。

在反射式光路(图2)中，激光器1发射的激光束被二色镜7反射，在主物镜8的作用下在微流控芯片3的固定位置产生一个会聚光斑。电泳的时候，荧光物质流经这个激光光斑被激发产生荧光信号。这些散射的荧光信号被主物镜8收集，透过二色镜7，由镜筒透镜9会聚，通过滤色片5滤除非荧光信号，由光电倍增管6接收并转换成电信号。光电倍增管6产生的电信号通过电子滤波等后续处理送入计算机记录、显示。反射式光路结构用二色镜7实现激光引入光路和荧光信号光路部分折叠，主物镜8既起到了会聚激光光束的作用，又能够收集荧光信号，使整个系统体积变小，达到了仪器小型化的要求。不过，二色镜带来一定程度的光能损失，减小了信号，因此考虑引入共焦技术来提高信号的信噪比，这样，即使系统损失了一部分光能，仍然可以获得较好质量的信号。

图3是一个共焦原理示意图。共焦技术，即光源、被照物点和点探测器三者两两处于对应的光学物像共轭位置。激光器1发出的激光扩束准直后由二色镜7反射，经过主物镜8(数值孔径为NA)在微流控芯片3上聚焦成衍射极限光斑(光斑直径d＝1.22*λ/NA)，激发产生的荧光被主物镜8收集，透过二色镜7，通过镜筒透镜9在空间滤波器10(探测针孔)平面成像，并由靠近像面位置的光电探测器接收微流控芯片3的反射(散射)信号。共焦技术中，通过探测针孔10滤波作用，只接收微流控芯片3焦面的反射(散射)信号，而滤除其非焦面反射(散射)信号。由此可见，共焦技术对于微流控芯片检测系统的最大优点是可以有效降低噪声，提高信号质量。与普通的光路相比，引入共焦技术的最大特点是探测针孔10的使用，它的大小和位置对整个系统的性能有至关重要的影响，无论是从理论上推导还是在实验中都体现了这一点。

                        发明内容

本实用新型的目的是提供一种引入共焦技术、光学部件采用倒置结构的微流控芯片检测装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

它包括光学部件，用来处理光电倍增管输出的电信号的，具有放大、滤波、A/D采样以及D/A控制高压模块输出电压功能的接口电路，和具有显示、存储、打印功能的嵌入式系统。所说的光学部件由激光激发单元和探测单元组成，激光激发单元与探测单元的光轴垂直；激光激发单元包括半导体激光器，从右而左依次在同一光轴上接的激发光窄带滤色片和扩束物镜；探测单元包括同一光轴上斜置的二色镜，在二色镜的上方装有主物镜，在二色镜的下方从上而下依次装有能转动的反射镜，目镜，探测针孔，发射光窄带滤色片和光电倍增管。

在同一光轴上的扩束物镜左面增加准直物镜，在二色镜和反射镜的光路上放置镜筒透镜。

本实用新型具有的有益效果是：

激光激发单元与探测单元的光轴垂直，嵌入式系统通过信号处理和数据转换单元与探测单元相连，同时也通过信号处理和数据转换单元控制电泳电压和光电倍增管的负高压输出。整个探测单元采用倒置结构，光学系统保持静止不动，不仅光路折叠，实现了整个系统的小型化，而且便于放置芯片，调节芯片的位置，满足共焦原理，获得信噪比较高的信号，可独立操作或与计算机通信。

                        附图说明

图1是荧光检测的原理示意图；

图2是反射式微流控芯片检测光路示意图；

图3是共焦原理示意图；

图4是本实用新型的非平行光光路示意图；

图5是本实用新型的平行光光路示意图；

图6是电路系统的总体框架图；

图7是图6小虚框I中电路的细化。

图中标号说明：

1-半导体激光器            2-透镜

3-微流控芯片              4-显微物镜

5-发射光窄带滤色片        6-光电倍增管

7-二色镜                  8-主物镜

9-镜筒透镜                10-探测针孔

11-激发光窄带滤色片       12-扩束物镜

13-准直物镜               14-反射镜

15-目镜

                      具体实施方式

如图4所示，它包括光学部件，用来处理光电倍增管输出的电信号的，具有放大、滤波、A/D采样以及D/A控制高压模块输出电压功能的接口电路，和具有显示、存储、打印功能的嵌入式系统。所说的光学部件由激光激发单元和探测单元组成，激光激发单元与探测单元的光轴垂直；激光激发单元包括半导体激光器1，从右而左依次在同一光轴上接的激发光窄带滤色片11和扩束物镜12；探测单元包括同一光轴上斜置的二色镜7，在二色镜7的上方装有主物镜8，在二色镜7的下方从上而下依次装有能转动的反射镜14，目镜15，探测针孔10，发射光窄带滤色片5，光电倍增管6。

如图5所示，在同一光轴上的扩束物镜12左面增加准直物镜13，在二色镜7和反射镜14的光路上放置镜筒透镜9。

半导体激光器1可以是一个激发波长为635nm的激光器，也可以是多个具有不同波长的激光器，通过切换支架来耦合到激光激发单元的光路。二色镜7反射635±10nm波长的光，透射670nm以上波长的光。主物镜8的放大倍率为25～40，数值孔径为0.4～0.65。探测针孔10的直径为200～500μm。

本实用新型采用的是图4结构的光路。基于图2的原理，采用倒置结构，并且结合共焦技术，使其结构更加合理，更符合实际的需要。激光器1发出的激光束经激发光窄带滤色片11被扩束物镜12扩束后，被二色镜7反射，主物镜8把光束在微流控芯片3上会聚成一个光斑。荧光物质流经这个光斑，激发产生的荧光仍然被主物镜8收集，透过二色镜7。如果反射镜14处于图4所示的实线位置，则荧光被反射镜14反射，进入目镜15，操作者可以直接通过目镜15观察是否产生荧光以及调节激光束在芯片上的光斑的具体位置；如果反射镜14切换到图4所示的虚线位置，荧光信号通过探测针孔10滤除非探测面信息，再经过发射光窄带滤色片5滤除非荧光波长的信号，最后由光电倍增管6接收。

如图5所示，使用平行光进行探测，需要增加光学元件的数量，使光路结构复杂。不过，通常探测中使用平行光调节更加方便、准确，因此图4和图5的两种结构各有长处。

本实用新型中采用了倒置结构，微流控芯片放置在专用平台上，该平台可以在X、Y方向移动，使安装芯片更加方便，同时也有利于电泳电极位置的对准调节。反射镜14的引入既可以保证光电倍增管接收到荧光信号，又可以帮助操作者观察荧光信号是否产生、光斑位置是否有误、实验是否正常。

电路部分包括信号处理和数据转换单元(接口电路)和嵌入式系统单元。电路部分的模块图见图6和图7。信号处理和数据转换单元主要是对光电倍增管6输出的电信号进行放大、滤波、采样。另外，也包括对光电倍增管6的负高压控制和芯片电泳高压模块的输出高压控制。为了达到仪器化、小型便携化的要求，采用嵌入式系统，配合液晶显示屏和专用液晶驱动电路，使仪器本身具有显示、存储、打印功能，能够单独使用，也可以采用标准化的通讯接口与计算机互联，进一步可以通过互联网传送检测结果，操作更加方便。

其工作原理为：光电倍增管6把收集的光信号转换为电信号，这些电信号经过前置放大和滤波处理后，被数据采集卡进行A/D采样，其结果送入嵌入式系统存储或显示。嵌入式系统根据指令发出信号，通过D/A转换后控制光电倍增管6的高压包输出和电泳高压，来调节光电倍增管的性能和电泳的进行情况。

电路模块中，信号通道即前置放大和电子滤波部分的具体图示如图7。光电倍增管6输出的是电流信号，由电流—电压转换模块把它转换成电压信号并放大，然后通过缓冲跟随器，再进入仪器放大器进行二次放大，并采用压控型滤波器滤波。根据选择的数据采集卡的性能，对滤波后的信号进行相应的电压偏置处理，通过缓冲跟随器被数据采集卡采集、转换。

Claims (2)

1.一种微流控芯片检测装置，它包括光学部件，用来处理光电倍增管输出的电信号的，具有放大、滤波、A/D采样以及D/A控制高压模块输出电压功能的接口电路，和具有显示、存储、打印功能的嵌入式系统，其特征在于：所说的光学部件由激光激发单元和探测单元组成，激光激发单元与探测单元的光轴垂直；激光激发单元包括半导体激光器(1)，从右而左依次在同一光轴上接的激发光窄带滤色片(11)和扩束物镜(12)；探测单元包括同一光轴上斜置的二色镜(7)，在二色镜(7)的上方装有主物镜(8)，在二色镜(7)的下方从上而下依次装有能转动的反射镜(14)，目镜(15)，探测针孔(10)，发射光窄带滤色片(5)，光电倍增管(6)。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片检测装置，其特征在于：在同一光轴上的扩束物镜(12)左面增加准直物镜(13)，在二色镜(7)和反射镜(14)的光路上放置镜筒透镜(9)。

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