專利名稱：微流控芯片檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微流控芯片檢測裝置。
背景技術(shù)：
微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis Systems，μ-TAS)是一個跨學(xué)科的新領(lǐng)域，其目標是借助微機電加工(MEMS)技術(shù)與生物技術(shù)實現(xiàn)化學(xué)分析系統(tǒng)從試樣處理到檢測的整體微型化、集成化與便攜化。它已成為目前分析儀器發(fā)展的重要方向與前沿。
當前的微全分析系統(tǒng)可分為芯片式與非芯片式兩大類。目前芯片式是發(fā)展重點，其中依據(jù)芯片結(jié)構(gòu)及工作機理又可分為兩大類微陣列芯片(Microarray chip)和微流控芯片(Microfluidic chip)，二種技術(shù)間雖有少量交叉但基本經(jīng)歷了各自的發(fā)展過程。
微陣列芯片也稱生物芯片，主要以生物技術(shù)為基礎(chǔ)，以親和結(jié)合技術(shù)為核心，以在芯片表面固定一系列可尋址的識別分子陣列為結(jié)構(gòu)特征。它使用方便，測定快速，但一般是一次性使用，有很強的專用性。另一類芯片即微流控芯片則主要是以化學(xué)分析和分析生物化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，是當前微全分析系統(tǒng)發(fā)展的重點。它把采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離等集成在芯片上，且可多次使用，因此具有更廣泛的適用性。
微芯片分析系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅可以使珍貴的生物試樣與試劑消耗大大降低到微升甚至納升級，而且使用分析速度成十倍百倍地提高，費用成十倍、百倍地下降。
生物醫(yī)學(xué)是當前微流控分析系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，針對人類基因與疾病關(guān)系的研究，研制適用于單核苷酸多態(tài)性(SNP)檢測、DNA測序及后基因組時代的蛋白質(zhì)測序的毛細管電泳微流控芯片是當務(wù)之急。用于臨床檢驗的微流控芯片在我國將擁有最廣泛的市場。新藥物的合成與篩選是微流控芯片另一個可發(fā)揮重要作用的領(lǐng)域。其他重要應(yīng)用領(lǐng)域包括食品和商品檢驗、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)及航天科學(xué)等。
本實用新型針對的微流控芯片為集成毛細管電泳型芯片，其檢測方法有紫外吸收檢測、熒光檢測、質(zhì)譜檢測、安培檢測等。其中，熒光檢測又稱為激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence，簡稱LIF)檢測法，用于檢測能發(fā)熒光的化合物，是一種高靈敏度的選擇性檢測方法。某些具有特殊結(jié)構(gòu)的化合物受到紫外光或者激光照射后，能發(fā)出波長比紫外光或者激光長的光線，一般在可見光范圍內(nèi)，這種光稱為熒光，波長較短的紫外光或者激光成為激發(fā)光，產(chǎn)生的熒光稱為發(fā)射光。熒光檢測器就是一種測量熒光強度的系統(tǒng)，在實驗條件固定時，熒光強度與樣品濃度呈線性關(guān)系。由于熒光檢測法直接測量熒光強度，靈敏度很高，特別適宜作痕量分析，而且設(shè)備比較簡單，因此在考慮選擇毛細管電泳型芯片的檢測方法時，通常選擇熒光檢測法。
圖1是一個熒光檢測器的示意圖。激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡2的會聚，在微流控芯片3的毛細管通道的固定位置產(chǎn)生一個光斑。毛細管中的流體流經(jīng)這個光斑位置的時候，里面攜帶的熒光物質(zhì)受到激光的激發(fā)，發(fā)射出熒光。這些熒光信號被顯微物鏡4收集，經(jīng)過發(fā)射光窄帶濾色片5濾除不需要的波長信息，由光電倍增管6(PMT)把接收的熒光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，輸出到后續(xù)的設(shè)備中進行顯示。
具體實現(xiàn)光路有三種斜入射式、透射式和反射式檢測光路。早期使用較多的是斜入射式光路，激光束以一定角度傾斜入射，熒光物質(zhì)流經(jīng)激光光斑處產(chǎn)生的熒光信號直接被物鏡收集，通過光電倍增管進行處理、顯示。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，但是調(diào)節(jié)角度不方便，而且信號的信噪比也不高，現(xiàn)在使用很少。
圖2是反射式光路示意圖，透射式檢測光路與反射式檢測光路結(jié)構(gòu)相似，兩者最大的不同是透射式光路沒有使用二色鏡，光能損耗較低。在透射式光路中，激光通過反射鏡和會聚透鏡從芯片底部入射，主物鏡在芯片上部收集指定區(qū)域發(fā)出的熒光，芯片上下分別為熒光信號光路和激光引入光路，可以直接在普通生物顯微鏡的基礎(chǔ)上搭建光路。
在反射式光路(圖2)中，激光器1發(fā)射的激光束被二色鏡7反射，在主物鏡8的作用下在微流控芯片3的固定位置產(chǎn)生一個會聚光斑。電泳的時候，熒光物質(zhì)流經(jīng)這個激光光斑被激發(fā)產(chǎn)生熒光信號。這些散射的熒光信號被主物鏡8收集，透過二色鏡7，由鏡筒透鏡9會聚，通過濾色片5濾除非熒光信號，由光電倍增管6接收并轉(zhuǎn)換成電信號。光電倍增管6產(chǎn)生的電信號通過電子濾波等后續(xù)處理送入計算機記錄、顯示。反射式光路結(jié)構(gòu)用二色鏡7實現(xiàn)激光引入光路和熒光信號光路部分折疊，主物鏡8既起到了會聚激光光束的作用，又能夠收集熒光信號，使整個系統(tǒng)體積變小，達到了儀器小型化的要求。不過，二色鏡帶來一定程度的光能損失，減小了信號，因此考慮引入共焦技術(shù)來提高信號的信噪比，這樣，即使系統(tǒng)損失了一部分光能，仍然可以獲得較好質(zhì)量的信號。
圖3是一個共焦原理示意圖。共焦技術(shù)，即光源、被照物點和點探測器三者兩兩處于對應(yīng)的光學(xué)物像共軛位置。激光器1發(fā)出的激光擴束準直后由二色鏡7反射，經(jīng)過主物鏡8(數(shù)值孔徑為NA)在微流控芯片3上聚焦成衍射極限光斑(光斑直徑d＝1.22*λ/NA)，激發(fā)產(chǎn)生的熒光被主物鏡8收集，透過二色鏡7，通過鏡筒透鏡9在空間濾波器10(探測針孔)平面成像，并由靠近像面位置的光電探測器接收微流控芯片3的反射(散射)信號。共焦技術(shù)中，通過探測針孔10濾波作用，只接收微流控芯片3焦面的反射(散射)信號，而濾除其非焦面反射(散射)信號。由此可見，共焦技術(shù)對于微流控芯片檢測系統(tǒng)的最大優(yōu)點是可以有效降低噪聲，提高信號質(zhì)量。與普通的光路相比，引入共焦技術(shù)的最大特點是探測針孔10的使用，它的大小和位置對整個系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響，無論是從理論上推導(dǎo)還是在實驗中都體現(xiàn)了這一點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種引入共焦技術(shù)、光學(xué)部件采用倒置結(jié)構(gòu)的微流控芯片檢測裝置。
本實用新型采用的技術(shù)方案如下它包括光學(xué)部件，用來處理光電倍增管輸出的電信號的，具有放大、濾波、A/D采樣以及D/A控制高壓模塊輸出電壓功能的接口電路，和具有顯示、存儲、打印功能的嵌入式系統(tǒng)。所說的光學(xué)部件由激光激發(fā)單元和探測單元組成，激光激發(fā)單元與探測單元的光軸垂直；激光激發(fā)單元包括半導(dǎo)體激光器，從右而左依次在同一光軸上接的激發(fā)光窄帶濾色片和擴束物鏡；探測單元包括同一光軸上斜置的二色鏡，在二色鏡的上方裝有主物鏡，在二色鏡的下方從上而下依次裝有能轉(zhuǎn)動的反射鏡，目鏡，探測針孔，發(fā)射光窄帶濾色片和光電倍增管。
在同一光軸上的擴束物鏡左面增加準直物鏡，在二色鏡和反射鏡的光路上放置鏡筒透鏡。
本實用新型具有的有益效果是激光激發(fā)單元與探測單元的光軸垂直，嵌入式系統(tǒng)通過信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元與探測單元相連，同時也通過信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元控制電泳電壓和光電倍增管的負高壓輸出。整個探測單元采用倒置結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)保持靜止不動，不僅光路折疊，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的小型化，而且便于放置芯片，調(diào)節(jié)芯片的位置，滿足共焦原理，獲得信噪比較高的信號，可獨立操作或與計算機通信。


圖1是熒光檢測的原理示意圖；
圖2是反射式微流控芯片檢測光路示意圖；圖3是共焦原理示意圖；圖4是本實用新型的非平行光光路示意圖；圖5是本實用新型的平行光光路示意圖；圖6是電路系統(tǒng)的總體框架圖；圖7是圖6小虛框I中電路的細化。
圖中標號說明1-半導(dǎo)體激光器2-透鏡3-微流控芯片 4-顯微物鏡5-發(fā)射光窄帶濾色片6-光電倍增管7-二色鏡 8-主物鏡9-鏡筒透鏡10-探測針孔11-激發(fā)光窄帶濾色片 12-擴束物鏡13-準直物鏡 14-反射鏡15-目鏡具體實施方式
如圖4所示，它包括光學(xué)部件，用來處理光電倍增管輸出的電信號的，具有放大、濾波、A/D采樣以及D/A控制高壓模塊輸出電壓功能的接口電路，和具有顯示、存儲、打印功能的嵌入式系統(tǒng)。所說的光學(xué)部件由激光激發(fā)單元和探測單元組成，激光激發(fā)單元與探測單元的光軸垂直；激光激發(fā)單元包括半導(dǎo)體激光器1，從右而左依次在同一光軸上接的激發(fā)光窄帶濾色片11和擴束物鏡12；探測單元包括同一光軸上斜置的二色鏡7，在二色鏡7的上方裝有主物鏡8，在二色鏡7的下方從上而下依次裝有能轉(zhuǎn)動的反射鏡14，目鏡15，探測針孔10，發(fā)射光窄帶濾色片5，光電倍增管6。
如圖5所示，在同一光軸上的擴束物鏡12左面增加準直物鏡13，在二色鏡7和反射鏡14的光路上放置鏡筒透鏡9。
半導(dǎo)體激光器1可以是一個激發(fā)波長為635nm的激光器，也可以是多個具有不同波長的激光器，通過切換支架來耦合到激光激發(fā)單元的光路。二色鏡7反射635±10nm波長的光，透射670nm以上波長的光。主物鏡8的放大倍率為25～40，數(shù)值孔徑為0.4～0.65。探測針孔10的直徑為200～500μm。
本實用新型采用的是圖4結(jié)構(gòu)的光路?；趫D2的原理，采用倒置結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合共焦技術(shù)，使其結(jié)構(gòu)更加合理，更符合實際的需要。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)激發(fā)光窄帶濾色片11被擴束物鏡12擴束后，被二色鏡7反射，主物鏡8把光束在微流控芯片3上會聚成一個光斑。熒光物質(zhì)流經(jīng)這個光斑，激發(fā)產(chǎn)生的熒光仍然被主物鏡8收集，透過二色鏡7。如果反射鏡14處于圖4所示的實線位置，則熒光被反射鏡14反射，進入目鏡15，操作者可以直接通過目鏡15觀察是否產(chǎn)生熒光以及調(diào)節(jié)激光束在芯片上的光斑的具體位置；如果反射鏡14切換到圖4所示的虛線位置，熒光信號通過探測針孔10濾除非探測面信息，再經(jīng)過發(fā)射光窄帶濾色片5濾除非熒光波長的信號，最后由光電倍增管6接收。
如圖5所示，使用平行光進行探測，需要增加光學(xué)元件的數(shù)量，使光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。不過，通常探測中使用平行光調(diào)節(jié)更加方便、準確，因此圖4和圖5的兩種結(jié)構(gòu)各有長處。
本實用新型中采用了倒置結(jié)構(gòu)，微流控芯片放置在專用平臺上，該平臺可以在X、Y方向移動，使安裝芯片更加方便，同時也有利于電泳電極位置的對準調(diào)節(jié)。反射鏡14的引入既可以保證光電倍增管接收到熒光信號，又可以幫助操作者觀察熒光信號是否產(chǎn)生、光斑位置是否有誤、實驗是否正常。
電路部分包括信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元(接口電路)和嵌入式系統(tǒng)單元。電路部分的模塊圖見圖6和圖7。信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元主要是對光電倍增管6輸出的電信號進行放大、濾波、采樣。另外，也包括對光電倍增管6的負高壓控制和芯片電泳高壓模塊的輸出高壓控制。為了達到儀器化、小型便攜化的要求，采用嵌入式系統(tǒng)，配合液晶顯示屏和專用液晶驅(qū)動電路，使儀器本身具有顯示、存儲、打印功能，能夠單獨使用，也可以采用標準化的通訊接口與計算機互聯(lián)，進一步可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳送檢測結(jié)果，操作更加方便。
其工作原理為光電倍增管6把收集的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這些電信號經(jīng)過前置放大和濾波處理后，被數(shù)據(jù)采集卡進行A/D采樣，其結(jié)果送入嵌入式系統(tǒng)存儲或顯示。嵌入式系統(tǒng)根據(jù)指令發(fā)出信號，通過D/A轉(zhuǎn)換后控制光電倍增管6的高壓包輸出和電泳高壓，來調(diào)節(jié)光電倍增管的性能和電泳的進行情況。
電路模塊中，信號通道即前置放大和電子濾波部分的具體圖示如圖7。光電倍增管6輸出的是電流信號，由電流—電壓轉(zhuǎn)換模塊把它轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，然后通過緩沖跟隨器，再進入儀器放大器進行二次放大，并采用壓控型濾波器濾波。根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)采集卡的性能，對濾波后的信號進行相應(yīng)的電壓偏置處理，通過緩沖跟隨器被數(shù)據(jù)采集卡采集、轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求1.一種微流控芯片檢測裝置，它包括光學(xué)部件，用來處理光電倍增管輸出的電信號的，具有放大、濾波、A/D采樣以及D/A控制高壓模塊輸出電壓功能的接口電路，和具有顯示、存儲、打印功能的嵌入式系統(tǒng)，其特征在于所說的光學(xué)部件由激光激發(fā)單元和探測單元組成，激光激發(fā)單元與探測單元的光軸垂直；激光激發(fā)單元包括半導(dǎo)體激光器(1)，從右而左依次在同一光軸上接的激發(fā)光窄帶濾色片(11)和擴束物鏡(12)；探測單元包括同一光軸上斜置的二色鏡(7)，在二色鏡(7)的上方裝有主物鏡(8)，在二色鏡(7)的下方從上而下依次裝有能轉(zhuǎn)動的反射鏡(14)，目鏡(15)，探測針孔(10)，發(fā)射光窄帶濾色片(5)，光電倍增管(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微流控芯片檢測裝置，其特征在于在同一光軸上的擴束物鏡(12)左面增加準直物鏡(13)，在二色鏡(7)和反射鏡(14)的光路上放置鏡筒透鏡(9)。
專利摘要本實用新型公開了一種微流控芯片檢測裝置。它包括光學(xué)部件，用來處理光電倍增管輸出的電信號的接口電路和具有顯示、存儲、打印功能的嵌入式系統(tǒng)。光學(xué)部件包括激光激發(fā)單元和探測單元。激光激發(fā)單元與探測單元的光軸垂直，嵌入式系統(tǒng)通過信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元與探測單元相連，同時也通過信號處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元控制電泳電壓和光電倍增管的負高壓輸出。整個探測單元采用倒置結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)保持靜止不動，不僅光路折疊，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的小型化，而且便于放置芯片，調(diào)節(jié)芯片的位置，滿足共焦原理，獲得信噪比較高的信號，可獨立操作或與計算機通信。
文檔編號G01N21/64GK2575662SQ0226142
公開日2003年9月24日 申請日期2002年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月8日
發(fā)明者岑兆豐, 李曉彤, 李艷 申請人:浙江大學(xué)