CN2859534Y - 一种同工酶生化检测微系统及其分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型的同工酶生化检测微系统包括微流控制芯片和温控装置及电泳电极模块。本实用新型的分析仪器包括：光源和光学元件模块、信号采集处理及仪器自动控制模块和用户工作界面模块等组成。本实用新型采用微流控芯片电泳作为一种新型的技术平台具有快速高效、成本低和操作简单等优点。应用Bio－MEMS技术不仅可以对现有的生物医疗器械进行改进和完善，而且可以创造出新的分析操作手段，极大地推动医疗事业和生物工程技术的发展。

Description

一种同工酶生化检测微系统及其分析仪

技术领域

本实用新型涉及一种同工酶检测微系统及其分析仪，可对基于微流控芯片和荧光检测原理的多种生化反应进行自动化检测和分析。

背景技术

当前许多发达国家已把现代科学仪器当作信息的源头和基础纳入其未来发展的战略重点，分析仪器是其中最重要的组成部分之一，而微型全分析系统(Miniaturized Total Analysis Systems，μTAS)正是目前分析仪器发展的重要前沿领域。当前，分析仪器的发展正在出现一个以微型化、集成化为主要特征的、带有革命性的重要转折时期。90年代初由Manz等人提出的以多学科交叉为重要特征的微型全分析系统正是这一转折的代表，它不仅可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，而且使分析速度成十倍百倍地提高，费用成十倍、百倍地下降。微型全分析系统或称芯片实验室(Lab-on-a-Chip，简称LOC)是一个跨学科的新领域，其目标是通过微机电加工(MEMS)、分析化学、计算机、电子学、材料科学及生物学、医学的交叉实现生物和化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。

将MEMS技术应用于生物医学领域称为生物微机电系统(Bio-MEMS)，是微型全分析系统当前的研究热点之一，也即采用MEMS技术在数平方厘米大小的玻璃、石英硅片等材料上加工出缩小到数毫米至数微米尺度的容器、泵、阀、管道等，将整个化验室的功能，包括样品处理、进样、反应、分离、检测等集成在微芯片上，用来进行DNA、蛋白质等生物样品的分析，这样不仅减少了实验耗时和样品用量，而且由于其实验装置体积小而轻便，易于控制，还适用于需要实地采样和分析的工作。由于Bio-MEMS具有功能独特、体积小、重量轻、批量生产成本低等优点，在生物医学领域将得到广泛应用。

人血清乳酸脱氢酶(通用名Lactate dehydrogenase LD，国际酶分类编号：1.1.1.27)是由位于第11和第12对染色体上的LDHA和LDHB两个位点所决定的H或M两种亚基所构成的四聚体，可形成5种同工酶，由于乳酸脱氢酶广泛存在于人体各组织中，检测其总活性意义不是很大，各种组织中同工酶含量差异较大，因而检测乳酸脱氢酶同工酶对临床诊断肝脏、心血管、血液等疾病时显得十分重要。传统的乳酸脱氢酶同工酶分离一般使用醋纤膜、琼脂糖电泳，或用免疫化学法、ELISA法、单克隆法及化学法等，这些方法均需洗脱或扫描，操作费时，需特殊设备，而且需一定的操作技巧。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种同工酶生化检测微系统及其分析仪，其可对多种生化反应进行自动化检测和分析，且快速高效、成本低和操作简单。

本实用新型的同工酶生化检测微系统包括微流控制芯片和温控装置及电泳电极模块。

本实用新型的分析仪器包括：光源和光学元件模块、信号采集处理及仪器自动控制模块和用户工作界面模块等组成。

所述同工酶检测微系统采用微电子机械(Micro-electromechanicalSystems，MEMS)工艺加工微流控芯片，采用半导体致冷器实现同工酶反应温度的调节。分析仪器采用氙灯作为光源，通过滤光片模块得到需要的激发波长的单色光，激发出的荧光信号由光电倍增管进行采集和光电转换，由PC机通过自主开发的程序实现信号采集、处理和显示以及分析仪的自动控制，从而构建了一个技术平台。

本实用新型同工酶生化检测微系统及其分析仪采用子系统模块化设计，整个系统包括生化检测微系统和检测装置两个子系统。检测微系统包括微流控芯片和半导体致冷器两个模块，检测装置包括光源和光学元件模块、信号采集处理及仪器自动控制模块和用户工作界面模块等组成。

本实用新型以微流控芯片电泳为基础，将待测样品加入微流控芯片中进行电泳分析，由温度调节模块实现同工酶的反应温度要求。检测装置选用氙灯作为光源，光谱范围宽，满足大多数样品激发波长的需要，从而扩大了可检测样品的种类。经滤光片模块得到特定波长的激发光后，经适配的二向镜照射到芯片检测口上。同工酶样品激发的荧光信号经光电倍增管接收转换成电信号，送至信号处理电路，经滤波、放大等处理后，再由A/D转换送入PC机由自主开发的专用软件进一步处理确定待测样品的种类和含量。

电源控制模块主要实现以下功能：高压电源控制，根据需要，自动控制、调整加到芯片各个电极的电压变化；模式自动切换，利用继电器控制各个模式间的程控切换；过流保护：检测电泳时的电流值，一旦超过最大允许电流值或出现电流倒流情况，自行调整高压电源的输出电压；自动温控，使酶样品在低温下电泳，高温下酶样品孵育后进行检测。用户工作界面模块提供人机交互平台，用户可以编辑实验所需参数，获取仪器的当前状态，实时显示样品信号的电泳图形，并将实验数据存储到计算机。

本实用新型的优点是：微流控芯片电泳作为一种新型的技术平台具有快速高效、成本低和操作简单等优点。应用Bio-MEMS技术不仅可以对现有的生物医疗器械进行改进和完善，而且可以创造出新的分析操作手段，极大地推动医疗事业和生物工程技术的发展。

1.采用荧光检测方法，光学元件配置充分降低背景光的的影响，提高了酶样品的检测灵敏度；

2.采用氙灯光源，可提供200-900nm的连续光谱，搭建了一个生物样品检测的通用平台；

3.自动控制芯片的进样和分离，实现了程控化操作，信号的采集放大和处理都由计算机自动完成，提高了效率和数据的准确性，控制和信号分析软件功能强大、界面友好、操作简便；

4.采用辅酶反应方法进行荧光检测，避免了样品的荧光标记，简化实验操作；

5.在微系统中实现了温育平台的搭建，不但可以满足酶等样品的反应实验要求，更使实验环境控制便利，为实验结果重复性提供了保障；

6.与激光共聚焦荧光检测仪器相比，大大降低了制造成本，更有利于推广。

附图说明：

图1是本实用新型荧光检测装置光学原理图

图2是本实用新型同工酶生化检测装置构造图

具体实施方式

下面结合具体实施例详细阐述本实用新型的结构：

第一部分，光源和光学元件模块。光源部分采用功率较大的氙灯1，光谱范围从200nm到900nm，包括氙灯1及其电源8两部分。光学元件部分包括特定波长滤光片2、半反半透二向镜4(与特定波长滤光片适配)、透镜3和光电倍增管6等元件及其相应的支架。针对同工酶样本(激发光360nm，发射光460nm)，选择360nm带通滤光片，400nm的二向镜(小于400nm反射，大于400nm透射)。整个光学元件模块封闭在一个暗盒里，在暗盒上面制作了一个光滑的金属平台作为芯片台7，出射狭缝嵌入到这一平台中，宽度为200微米，出射光通过出射狭缝向上，会聚在高于出射狭缝平面2毫米的水平面上。

第二部分，微流控芯片、温控装置及其电泳电极模块。微流控芯片5选择优质石英作为基片材料(荧光背景低)，采用微加工工艺制作完成，主要包括光刻、腐蚀、键合等工艺。温控模块选择半导体致冷器实现温度的升降，实现电泳过程的实验分步控温，针对同工酶的反应条件，设定初始温度为15℃，孵育反应温度为37℃。选择铂金属丝作为高压电源电极连接，电极安装在微流控芯片5上方，对应储液池与高压电源模块9连接。

第三部分，信号采集处理模块及仪器自动控制模块。由于光电倍增管6检测到的生物信号通常比较微弱(毫伏级)，且易受到外界噪声的干扰(背景光和电磁噪声等)，因此需进行处理。在本实用新型中不仅光学元件封闭在一个暗盒中，而且在仪器外壳的设计制作中也充分考虑屏蔽外界的噪声干扰。同时在信号处理电路中采用信号滤波和放大处理，使进入PC的信号的信噪比尽量高。经过PMT转换后的模拟信号首先通过10赫兹二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波处理，再经低噪声放大器进行前级放大，信号的幅度大大提高，同时低频噪声也相应地被放大，再经过低通滤波器进行滤波处理后，进行二级放大，最后将信号滤波送至A/D采集电路转换为数字信号。仪器的自动控制包括电源控制10和光电倍增管6控制，电源控制选用继电器实现微流控芯片各个液池中所加电极的电压控制，按照设定值和次序导通或切断电源，实现样品的进样与分离。利用计算机送出的高、低电平控制继电器的工作状态，实现进样与分离两种模式的自动切换。根据电泳所需的电压，选用两个低压控制高压的电源模块。分别为0~1000V(控制电压：0~5V)和0~5000V(控制电压：0~5V)。工作时，计算机根据用户设定的参数，由数/模转换电路变为模拟信号送出，经过电压跟随器加到电源的控制端，电压跟随器起到隔离保护的作用。同时自动控制电路11具有定时器和过流保护功能，定时控制的功能由软件完成，保护电路由一个反馈回路实现。在整个回路中串联一个电阻，通过电阻将电流值变为电压值送回计算机，由计算机判断判断是否需要调整电压并实施电压调节。

第四部分，用户界面模块。全部用软件编程来实现，提供了一个人机交互的平台，通过它用户可以编辑实验所需参数；获取仪器的当前状态；电泳图谱的实时显示，进而控制整个分析流程。实验时，原始实验数据以曲线的形式在图像检测窗口实时图形化显示，可以让检测人员监控整个样品的电泳分析过程。当连续多次对同一生物样品进行分析检测时，每次的原始电泳图谱也可以在同一个窗口平行显示，便于用户在第一时间直观地对比两次或多次的实验结果。用户界面中的图像监测窗口可以随时实时的监控微通道中样品的分离情况：各电极的理论电压值、实际电压值；微通道中的电流、进样时间、分离时间和剩余时间，便于掌控整个实验过程的每一步，以确定电泳条件的有效性。

各模块完成后，将各模块组合连成整个系统。在组装考虑下列几个因素：1)光学元件的布局；2)光电倍增管的使用特性，尽量避免背景光的影响；3)整个仪器的通风和散热；4)各个模块布局合理，仪器结构紧凑。

仪器在使用过程中，操作人员只需将装有样品的芯片放入检测区，打开软件的用户界面，输入电泳条件参数，按下“Start”键，无需更多的手工操作，就可以完成对生物样品的分析。系统提供了进样、分离的自动切换，精确定时控制。仪器可以实现对同一样品的多次重复实验；也可以在不同的电泳条件下，对同一样品连续多次分析，只需在参数设置中设置每次的电泳条件即可。

Claims (5)

1、一种同工酶生化检测微系统，其特征在于，包括：微流控芯片和温控装置及电泳电极模块，所述温控模块用于实现温度的升降，所述电泳电极安装在微流控芯片上方。

2、根据权利要求1所述的同工酶生化检测微系统，其特征在于，所述的温控模块为半导体致冷器。

3、一种同工酶生化检测分析仪，其特征在于，包括：光源和光学元件模块、信号采集处理模块及仪器自动控制模块和用户工作界面模块，所述的光学元件模块包括特定波长滤光片、半反半透二向镜、透镜和光电倍增管及其相应的支架，整个光学元件模块封闭在一个暗盒里，在暗盒上面设有一个芯片台，用于放置微流控芯片，所述的平台上嵌有一出射狭缝，所述的信号采集处理模块对信号进行滤波和放大处理，并转换成数字信号，所述的仪器自动控制模块包括电源控制模块和光电倍增管控制模块，所述电源控制模块选用继电器实现微流控芯片各个液池中所加电极的电压控制，按照设定值和次序导通或切断电源，实现样品的进样与分离。

4、根据权利要求3所述的同工酶生化检测分析仪，其特征在于，所述的电源控制模块包括：

自动控制模块，其调整加到芯片各个电极的电压变化；

模式自动切换模块，其利用继电器控制各个模式间的程控切换；

过流保护模块，其用于检测电泳时的电流值，一旦超过最大允许电流值或出现电流倒流情况，自行调整高压电源的输出电压；

自动温控模块，其使酶样品在低温下电泳，高温下酶样品孵育后进行检测。

5、根据权利要求3所述的同工酶生化检测分析仪，其特征在于，所述的光源采用功率较大的氙灯，光谱范围从200nm到900nm。

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