本發(fā)明涉及一種生化分析儀及其檢測方法，特別涉及一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀及其檢測方法，可用于液體和氣體樣品的分析檢測。

背景技術(shù)：

對(duì)液體(或氣體)樣品的光學(xué)特性進(jìn)行分析檢測，是生化分析的一個(gè)重要領(lǐng)域(Scientific Reports，5，10476(2015))。例如，分光光度計(jì)可以對(duì)樣品的吸光度進(jìn)行檢測，熒光分析儀(或激光誘導(dǎo)型熒光分析儀)可以對(duì)待測物(如生物基團(tuán)等有機(jī)物)的受激發(fā)光進(jìn)行檢測。分光光度計(jì)與熒光分析儀屬于不同的兩種分析器件。

目前，無論是光度檢測還是熒光檢測，通常都是將樣品置于比色皿中進(jìn)行檢測，激發(fā)光通過比色皿中的樣品時(shí)，樣品會(huì)吸收部分激發(fā)光(甚至?xí)椛涑鰺晒?(Sensors andActuators B，191，561-566(2014))。因此，為了增加檢測靈敏度，通常需要增加光與物質(zhì)的相互作用，即增加激發(fā)光在樣品中的傳輸距離(簡稱“光程”)。對(duì)于比色皿，增大尺寸可以增加光程、增加靈敏度，但是樣品需求量也會(huì)增加。

利用導(dǎo)光毛細(xì)管(專利CN201210105716.9)可以大幅增加光程(如采用長的毛細(xì)管)，并且可以從一定程度上減少樣品需求量。但是，長的毛細(xì)管會(huì)增加氣泡在毛細(xì)管內(nèi)的產(chǎn)生和堆積的幾率，影響探測光束和樣品在毛細(xì)管內(nèi)的傳輸。

熒光檢測的原理是待測物吸收激發(fā)光，會(huì)輻射出熒光，從而對(duì)輻射出的熒光進(jìn)行分析檢測。為了提高檢測靈敏度，現(xiàn)有的熒光分析儀的設(shè)備相對(duì)來說體積較大，需要較多的試驗(yàn)樣品，限制了熒光儀在便攜檢測領(lǐng)域和微樣品領(lǐng)域的使用。因此設(shè)計(jì)研發(fā)新的熒光分析儀，縮短毛細(xì)管長度以減小設(shè)備體積的同時(shí)，可以提高檢測靈敏度、并能減少樣品需求量，是本發(fā)明的創(chuàng)研動(dòng)機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、樣品需求量少、高靈敏度的基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀及其檢測方法。

本發(fā)明提供的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀，其技術(shù)方案是：

一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀，包括光源、熒光探測器和導(dǎo)光毛細(xì)管，導(dǎo)光毛細(xì)管的側(cè)壁能夠反射光源發(fā)射的激發(fā)光和待測樣品吸收激發(fā)光后輻射出的熒光，導(dǎo)光毛細(xì)管的樣品出口端設(shè)置有能夠反射激發(fā)光的第一反射鏡，熒光探測器能夠接收從第一反射鏡上射出的熒光。第一反射鏡位于毛細(xì)管端面，可以將激發(fā)光反射回毛細(xì)管內(nèi)，使得激發(fā)光在毛細(xì)管兩端之間來回反射傳輸，從而在不增加毛細(xì)管長度的情況下大幅增加光程，從而提高了傳感器的靈敏度。此時(shí)，在毛細(xì)管的側(cè)壁和端面反射鏡的共同約束下，可以阻止激發(fā)光泄露出毛細(xì)管。

其中，導(dǎo)光毛細(xì)管的樣品入口端設(shè)置有能夠反射激發(fā)光和熒光的第二反射鏡。

其中，第二反射鏡是金屬膜反射鏡或者介質(zhì)膜反射鏡，金屬膜反射鏡或者介質(zhì)膜反射鏡上具有小于導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)徑的透光孔(即在反射鏡的透光孔區(qū)域，未鍍介質(zhì)膜或金屬膜，因此光束可以自由通過透光孔)。透光孔用以把激發(fā)光耦合進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)，金屬膜反射鏡或者介質(zhì)膜反射鏡可以是將金屬膜或者介質(zhì)膜鍍?cè)谕腹馍w板上形成的反射鏡。透光孔面積小于導(dǎo)光毛細(xì)管端面的面積，激發(fā)光初次通過透光孔進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管之后，經(jīng)過導(dǎo)光毛細(xì)管側(cè)壁(及另一端的反射鏡)的反射后，返回的激發(fā)光會(huì)偏離透光孔的位置，因此部分激發(fā)光無法再次通過反射鏡，從而實(shí)現(xiàn)將激發(fā)光約束在導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)傳輸?shù)哪康摹ｋS著透光孔的減小，返回的激發(fā)光通過透光孔泄露出毛細(xì)管的比例會(huì)降低，因此，減小透光孔，更有利于約束激發(fā)光。

其中，第二反射鏡是布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡(簡稱FP腔反射鏡)，用于反射特定波段的光束。FP腔反射鏡，當(dāng)激發(fā)光的波長滿足FP腔的諧振條件時(shí)，激發(fā)光可以初次通過FP腔、并進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)；之后，經(jīng)過毛細(xì)管側(cè)壁(及另一端的反射鏡)的反射，返回的激發(fā)光再次入射到FP腔時(shí)，由于入射角會(huì)發(fā)生偏離(與初次通過FP腔的入射角相比)，返回的部分激發(fā)光無法再次通過FP腔；因此部分激發(fā)光無法重新通過反射鏡，從而實(shí)現(xiàn)將激發(fā)光約束在毛細(xì)管內(nèi)傳輸?shù)哪康?。?duì)于更高品質(zhì)因子的FP腔，更小的入射角偏離，就可以阻礙激發(fā)光的通過，從而更有效的將激發(fā)光約束在導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)。

其中，第二反射鏡是金屬膜反射鏡或者介質(zhì)膜反射鏡，光源發(fā)射的激發(fā)光耦合到光纖中，并經(jīng)過光纖傳輸進(jìn)入毛細(xì)管內(nèi)，光纖的引入可以更好的把激發(fā)光和熒光約束在導(dǎo)光毛細(xì)管中傳輸。金屬膜反射鏡或者介質(zhì)膜反射鏡可以是將金屬膜或者介質(zhì)膜鍍?cè)谕腹馍w板上形成的反射鏡。

其中，導(dǎo)光毛細(xì)管的內(nèi)徑為0.02微米至9毫米，采用小孔徑的毛細(xì)管有助于減小樣品需求量、縮短樣品切換時(shí)間，從而降低噪聲響、提高測試精度。導(dǎo)光毛細(xì)管是石英管、鍍金屬膜的石英管、涂覆聚合物的石英管、聚合物管、或金屬管。其中，優(yōu)選內(nèi)壁拋光的金屬管。

其中，導(dǎo)光毛細(xì)管的形狀可以是彎曲的、直的或彎曲的與直的結(jié)合的任一種；本發(fā)明的導(dǎo)光毛細(xì)管，無論是直的還是彎曲的毛細(xì)管，其均可以約束激發(fā)光。因此毛細(xì)管可以彎曲，以減小分析儀的長度和體積。彎曲的毛細(xì)管的形狀可以是環(huán)形、弧形、螺旋形中的一種或者任意形狀的毛細(xì)管。

其中，導(dǎo)光毛細(xì)管的內(nèi)表面存在光滑的波紋起伏，可以使激發(fā)光的入射角發(fā)生改變，從而增加光程、提高檢測精度。同時(shí)，光滑的毛細(xì)管內(nèi)壁，可以減少光學(xué)散射損耗，從而降低激發(fā)光的傳輸損耗。

其中，光源是激光二極管、發(fā)光二極管或經(jīng)過分光的寬光譜光源(如鎢燈、氘燈、氙燈等)。分析不同物質(zhì)選用不同波長的光源和激發(fā)光可以提高檢測精度。

本發(fā)明還提供了一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀的檢測方法，包括以下步驟：

第一步，將標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)入導(dǎo)光毛細(xì)管中，把光源發(fā)射出的激發(fā)光耦合進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管一端的內(nèi)孔中；激發(fā)光經(jīng)導(dǎo)光毛細(xì)管側(cè)壁、第一反射鏡和第二反射鏡的反射在導(dǎo)光毛細(xì)管中傳輸，標(biāo)準(zhǔn)樣品吸收激發(fā)光后輻射出熒光，輻射出的熒光透過第一反射鏡被熒光探測器接收；記錄此時(shí)熒光探測器接收到的光強(qiáng)度或光譜；

第二步，切換樣品，將待測樣品導(dǎo)入導(dǎo)光毛細(xì)管中，把光源發(fā)射出的激發(fā)光耦合進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管一端的內(nèi)孔中；激發(fā)光經(jīng)導(dǎo)光毛細(xì)管側(cè)壁、第一反射鏡和第二反射鏡的反射在導(dǎo)光毛細(xì)管中傳輸，待測樣品吸收激發(fā)光后輻射出熒光，輻射出的熒光透過第一反射鏡被熒光探測器接收；記錄此時(shí)熒光探測器接收到的光強(qiáng)度或光譜；

第三步，對(duì)比熒光探測器探測到的待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的光強(qiáng)度或光譜變化，從而獲知待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的熒光差異，并得到待測樣品的組分與含量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明在導(dǎo)光毛細(xì)管的端面設(shè)置反射鏡，可以增強(qiáng)對(duì)激發(fā)光的約束作用，從而提高光與物質(zhì)的相互作用、提高檢測靈敏度。并且，利用不同反射鏡的組合，使得激發(fā)光可以高效的耦合進(jìn)入毛細(xì)管，并能有效的阻止激發(fā)光泄露出毛細(xì)管。

附圖說明

圖1.本發(fā)明的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.本發(fā)明的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.本發(fā)明的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)的反射原理示意圖。

圖4.本發(fā)明的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5.本發(fā)明的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說明，需要指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化分析儀，包括激光二極管1，熒光探測器6，側(cè)壁可以反射激發(fā)光和熒光的導(dǎo)光毛細(xì)管9。生化分析儀還具有以下特征：導(dǎo)光毛細(xì)管9的形狀是直的；兩端設(shè)有密封蓋3；入口端設(shè)有樣品入口4(位于密封蓋內(nèi))和透光蓋板11；出口端設(shè)有樣品出口5(位于密封蓋內(nèi))和第一反射鏡10。激光二極管1發(fā)射的激發(fā)光2具有以下特征：激發(fā)光2經(jīng)透光蓋板11耦合進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管9的入口端；經(jīng)導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)壁反射，激發(fā)光2在導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)傳輸；在導(dǎo)光毛細(xì)管9的出口端，激發(fā)光2經(jīng)第一反射鏡10反射后，返回毛細(xì)管的入口端。

當(dāng)待測樣品通過樣品入口4和樣品出口5流經(jīng)導(dǎo)光毛細(xì)管9時(shí)，待測樣品吸收激發(fā)光2的能量、并發(fā)出熒光。由于該熒光的波長與激發(fā)光2的波長不同，該熒光可以通過第一反射鏡10、并被熒光探測器6探測接收。通過測量該熒光的波長和能量，可以獲知待測樣品的組分與含量。

本實(shí)施例的第一反射鏡10對(duì)激發(fā)光2具有高的反射率，同時(shí)對(duì)熒光具有高的透射率。因此，第一反射鏡10可以將激發(fā)光2反射回去，從而增加毛細(xì)管內(nèi)的光程、增加探測靈敏度；并且可以有效的將激發(fā)光2與熒光分開，從而避免激發(fā)光2干擾熒光探測器6對(duì)熒光的檢測。因此，第一反射鏡10的引入，即增加了檢測靈敏度，又降低了熒光檢測干擾。

實(shí)施例2

如圖2所示，本實(shí)施例的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化分析儀，包括激光二極管1，熒光探測器6，側(cè)壁可以反射激發(fā)光和熒光的導(dǎo)光毛細(xì)管9。生化分析儀還具有以下特征：樣品入口4端設(shè)有透光蓋板11；樣品出口5端設(shè)有第一反射鏡10，第一反射鏡10優(yōu)選介質(zhì)膜反射鏡。透光蓋板11的表面鍍了金屬膜或介質(zhì)膜12作為第二反射鏡，用于反射激發(fā)光2，并且金屬膜或介質(zhì)膜12的中心具有透光孔13。該透光孔13的直徑小于導(dǎo)光毛細(xì)管9的內(nèi)徑。參見圖2和圖3所示，導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)徑8為0.02微米-9毫米，優(yōu)選0.09微米-0.9毫米，采用小孔徑的毛細(xì)管有助于減小樣品需求量、縮短樣品切換時(shí)間，從而降低噪聲響、提高測試精度。采用本實(shí)施例的帶有反射鏡的導(dǎo)光毛細(xì)管，因?yàn)榧ぐl(fā)光可以在導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)來回傳輸，導(dǎo)光毛細(xì)管長度L可以變短，從而減小傳感器的體積。

激光二極管1發(fā)射的激發(fā)光具有以下特征(反射原理如圖3所示)：初次入射的激發(fā)光21經(jīng)透光孔13耦合進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管9的入口端、并在導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)傳輸；在導(dǎo)光毛細(xì)管9的出口端，激發(fā)光經(jīng)第一反射鏡10反射后，返回毛細(xì)管的入口端，反射回的激發(fā)光22入射到金屬膜或介質(zhì)膜12上；由于經(jīng)過多次反射，返回的激發(fā)光會(huì)偏離透光孔的位置，此時(shí)部分激發(fā)光則入射在金屬膜或介質(zhì)膜12上(未入射到透光孔13內(nèi))并被反射回導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)。

當(dāng)待測樣品流經(jīng)導(dǎo)光毛細(xì)管9時(shí)，待測樣品在激發(fā)光2的激發(fā)下，發(fā)出熒光。由于該熒光的波長與激發(fā)光2的波長不同，該熒光可以通過第一反射鏡10、并被熒光探測器6接收。通過測量該熒光的能量，可以獲知待測樣品的組分與含量。

由于第一反射鏡10和金屬膜或介質(zhì)膜12對(duì)激發(fā)光2具有高的反射率，因此，利用金屬膜或介質(zhì)膜12和第一反射鏡10，可以將激發(fā)光2約束在導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)部來回傳輸，從而提高光程、提高檢測靈敏度。當(dāng)透光孔13的直徑減小時(shí)，激發(fā)光2通過透光孔13泄露出毛細(xì)管的比例降低，從而增強(qiáng)金屬膜或介質(zhì)膜12對(duì)激發(fā)光2的約束效果。

實(shí)施例3

如圖4所示，本實(shí)施例的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化分析儀，包括鎢燈1，熒光探測器6，側(cè)壁可以反射激發(fā)光和熒光的導(dǎo)光毛細(xì)管9。生化分析儀還具有以下特征：樣品入口4端設(shè)有透光蓋板11；樣品出口5端設(shè)有鍍有介質(zhì)膜的第一反射鏡10。透光蓋板上鍍膜形成第二反射鏡，本實(shí)施例中第二反射鏡是布拉格反射鏡或者是具有F曲ry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14。

鎢燈1發(fā)射的寬光譜光束，經(jīng)過布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14濾波后，只有特定波長λ₀的光束(該光束作為“激發(fā)光2”)可以初次通過布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14，并進(jìn)入導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)傳輸；然后，在導(dǎo)光毛細(xì)管9的樣品出口端，激發(fā)光2經(jīng)第一反射鏡10反射后，返回導(dǎo)光毛細(xì)管的樣品入口端，并再次入射到布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14上；此時(shí)，由于經(jīng)過多次反射，與初次通過布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14的入射角相比，激發(fā)光2的入射角會(huì)發(fā)生偏離，部分激發(fā)光2無法再次通過布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14(因?yàn)槿肷浣堑母淖?，?huì)使得FP腔的諧振波長發(fā)生變化)。因此，部分激發(fā)光無法重新通過布拉格反射鏡或者是具有Fabry-Perot濾波腔結(jié)構(gòu)的反射鏡14，從而實(shí)現(xiàn)將激發(fā)光約束在毛細(xì)管內(nèi)傳輸?shù)哪康?。?duì)于高品質(zhì)因子的FP腔，小的入射角偏離，就可以阻礙激發(fā)光的通過，從而更有效的將激發(fā)光約束在導(dǎo)光毛細(xì)管內(nèi)。

實(shí)施例4

如圖5所示，本實(shí)施例的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化分析儀，包括發(fā)光二極管(LED)1，熒光探測器6，側(cè)壁可以反射激發(fā)光和熒光的金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9，金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9的內(nèi)壁經(jīng)過拋光處理。生化分析儀還具有以下特征：樣品入口4端設(shè)有透光蓋板11；樣品出口5端設(shè)有鍍有介質(zhì)膜或者金屬膜的第一反射鏡10。透光蓋板11的表面鍍了金屬膜或介質(zhì)膜12作為第二反射鏡。其中，金屬膜或介質(zhì)膜12對(duì)激發(fā)光2和熒光都具有高反射率，第一反射鏡10對(duì)激發(fā)光有高的反射率、對(duì)熒光具有低的反射率。

發(fā)光二極管1發(fā)射的激發(fā)光2耦合到光纖16中，并經(jīng)過光纖16傳輸進(jìn)入金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)；然后，經(jīng)過第一反射鏡10和金屬膜或介質(zhì)膜12反射，激發(fā)光2被約束在金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)來回傳輸。本實(shí)施例的光纖的端面直徑為4微米～100微米，遠(yuǎn)小于金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9的內(nèi)徑；并且激發(fā)光2經(jīng)過多次的反射傳輸后，光束直徑(束斑)會(huì)變得遠(yuǎn)大于光纖直徑；因此，激發(fā)光2返回光纖內(nèi)(即泄露出毛細(xì)管)的比例很低，大部分的激發(fā)光2被約束在金屬導(dǎo)光毛細(xì)管9內(nèi)來回反射傳輸，從而提高檢測靈敏度。

本實(shí)施例的一種基于導(dǎo)光毛細(xì)管的生化熒光分析儀的檢測方法，包括以下步驟：

第一步，將標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)入金屬導(dǎo)光毛細(xì)管中，把光源1發(fā)射出的激發(fā)光2通過光纖16耦合進(jìn)入金屬導(dǎo)光毛細(xì)管一端的內(nèi)孔中；激發(fā)光經(jīng)金屬導(dǎo)光毛細(xì)管側(cè)壁、第一反射鏡10和第二反射鏡的反射在金屬導(dǎo)光毛細(xì)管中傳輸，標(biāo)準(zhǔn)樣品吸收激發(fā)光后輻射出熒光，輻射出的熒光透過第一反射鏡被熒光探測器6接收；記錄此時(shí)熒光探測器接收到的光強(qiáng)度或光譜；

第二步，切換樣品，將待測樣品導(dǎo)入金屬導(dǎo)光毛細(xì)管中，把光源1發(fā)射出的激發(fā)光2通過光纖16耦合進(jìn)入金屬導(dǎo)光毛細(xì)管一端的內(nèi)孔中；激發(fā)光經(jīng)金屬導(dǎo)光毛細(xì)管側(cè)壁、第一反射鏡10和第二反射鏡的反射在金屬導(dǎo)光毛細(xì)管中傳輸，待測樣品吸收激發(fā)光后輻射出熒光，輻射出的熒光透過第一反射鏡被熒光探測器6接收；記錄此時(shí)熒光探測器接收到的光強(qiáng)度或光譜；

第三步，對(duì)比熒光探測器探測到的待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的光強(qiáng)度或光譜變化，從而獲知待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的熒光差異，并得到待測樣品的組分與含量。

本實(shí)施例的金屬導(dǎo)光毛細(xì)管存在以下優(yōu)點(diǎn)：①與塑料材質(zhì)毛細(xì)管相比，金屬材料致密，內(nèi)部不存在孔隙，并且金屬材料表面可以通過拋光處理，因此對(duì)光束的散射損耗極低，也不會(huì)吸附液體中的物質(zhì)；②金屬表面對(duì)光的全反射不受角度限制，因此可以大幅增加光程，提高檢測精度；③無需與玻璃或塑料材料混合使用，單一金屬材料即可實(shí)現(xiàn)約束光波傳輸?shù)墓δ?，因此消除了光波溢出到石英管或塑料管測壁內(nèi)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。