基于光度检测的旋转碟式微流控浓度测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微流控光度检测技术，具体是一种基于光度检测的微流控混合溶液浓 度测量装置与方法。
【背景技术】
[0002] 微流控光度检测技术是目前普适性最广的微流控检测方法，然而微流控芯片的光 度检测池往往是固定的，其光程并不能根据待检测液的浓度而随意变化。但是根据分光光 度误差理论，测量中的最佳吸光度為"为l/lnio,相应的最佳光程长为0. 434 〇 G (G为溶液 中吸收物的浓度，〃为吸收物的吸光系数）。因此只有浓度与检测光程相适应时，光度检测 噪声才最小，检测误差也最小。
[0003]目前，为了减少光程不适应引起的光度检测噪声，中国专利申请号为 201210109396. 4、名称为"用于C0D吸光度检测的比色皿光程自适应调整方法与装置"所公 开的装置能够在调节范围内精确调整到要求的光程值，实现对比色皿光程的自动调节。然 而，实际检测过程中，对于待检测物浓度值往往并不能提前知晓，因此对于最佳光程值的选 择很难提前判断。此外，该装置只适用于传统尺度下的光度检测，对于对光程要求更高的微 流控光度检测系统往往不能适用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对目前微流控光度检测设备存在的光程固定引起的检测误差， 提出的一种基于光度检测的旋转碟式微流控高精度浓度测量装置与方法，结构简单，进样、 检测以及浓度计算过程均为自动化完成，操作方便，能实现稀释浓度的有效定位和快速计 算出稀释比例，通过已知光程与最佳浓度产生吸光度的对应关系，乘以稀释比例反推待检 测液的精确浓度。 本发明基于光度检测的旋转碟式微流控高精度浓度测量装置采用技术方案是：具有一 个密封暗室，在密封暗室内部设置旋转碟式微流控芯片、光度检测装置支架以及交流伺服 电机，光度检测装置支架底端垂直固定在密封暗室靠近左边缘的中心位置，交流伺服电机 固定设置在密封暗室靠近右边缘的中心位置，交流伺服电机的输出轴电机轴垂直向上且同 轴装有水平的旋转碟式微流控芯片，靠近旋转碟式微流控芯片的中心且相对该中心前后对 称地各设置一个原试液池，旋转碟式微流控芯片上设有N级试液相互渗透带，3 < N < 100， 每级试液相互渗透带均是以旋转碟式微流控芯片的中心为圆心的圆弧形，两个原试液池分 别通过直流道连接且连通于最内侧的第一级试液相互渗透带，相邻两级试液相互渗透带之 间弹簧状试液流道连接且连通，最外侧最后一级试液相互渗透带是宽度大于前级试液相互 渗透带的混合试液测量带；在混合试液测量带的两端之间是上下贯通的激光测量定位孔， 光度检测装置支架通过第一个支架装载臂的右端连接处于激光测量定位孔正上方的激光 光源、通过第二个支架装载臂的右端连接处于激光测量定位孔正下方的光电倍增管；激光 光源和光电倍增管各通过导线分别与位于密封暗室外部的光源控制模块连接，光源控制模 块经信号转换模块与计算机连接；交流伺服电机通过电机控制线与位于密封暗室之外的 电机控制模块连接，电机控制模块与计算机连接。
[0005] 本发明基于光度检测的旋转碟式微流控高精度浓度测量方法采用技术方案是：依 次按以下步骤； 1) 将浓度为〇的稀释液注入一个原试液池中，待测液注入另一个原试液池中，计算机 控制旋转碟式微流控芯转动，两种不同的试液受到离心力从两个原试液池流出，在各级试 液相互渗透带和弹簧状试液流道中混合，计算机根据激光光源所发射的光信号通过激光测 量定位孔直接照射到光电倍增管上的次数m及计时器测量的时间（算出旋转碟式微流控 芯片的实时转动速度调节交流伺服电机转速直到实时转动速度〇|定在目标转 速K set为止； 2) 当时间达到1/2时记录当前信号转换模块传递给计算机的光强值/，计算此处的吸 光度為=/〇_/，；是原始光强信号，G是旋转碟式微流控芯片转动的周期，G=2 n/Ksrt，计算 机多次检测并判断吸光度為的值是否有变化，若有变动则继续检测，若稳定则混合试液测 量带内的试液浓度扩散已稳定； 3) 计算机依次计算从第一时刻到第时刻得到的吸光度儿并逐次与最佳吸光度為以乍 差即為P1-儿将差值最小时的吸光度值為和周期7]内得到吸光度值為的相对时间记录下 来，经多个周期取平均得到平均吸光度值及和平均时间4,若每个周期^内的吸光度屈勺 最大值疋"均小于為P1^，则混合试液浓度过低，根据吸光度最大值疋#与最佳吸光度為P1^ 差距量计算出浓缩倍数，需将初始检测试液浓缩后再检测；若4-為">式 3时， 则试液相互渗透带的级数顺S置不足，需逐级增大级数再次检测，直到为止， 是计算机预设的吸光度检测误差最小允许值； 4) 计算机按式/〇=4><Z/7；计算出激光测量定位孔与距离最佳吸光度值為"距离最近 的吸光度值平均位置之间的弧长4,再根据公式计算出待测试液G的浓度，其 中，6=4/0. 434 ^4为激光透过旋转碟式微流控芯片经过的光程长，a为吸光系数，z为 混合试液测量带的弧长。 本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点： (1) 本发明采用了一种新颖的旋转碟式微流控芯片并结合旋转稀释定位技术，实现稀 释浓度的有效定位，从而快速计算出稀释比例，通过在噪声最小的最佳吸光度所在位置乘 以稀释比例的方法来反推待测液浓度，有效降低了光程固定所引起检测误差，弥补了光程 固定所引起的检测精度缺陷。 (2) 该装置基于旋转离心进样技术，无需外加进样泵和复杂的进样设备，进样和检测装 置均由一套结构完成，并且进样、检测以及浓度计算过程均为计算机自动化控制完成，自动 化程度高。
[0006](3)本发明所述溶液浓度测量装置，具备具自动等比例稀释功能，圆形碟式结构能 够提高稀释次数，从而保证较高的稀释均匀度。
[0007](4)本发明所述溶液浓度测量装置，微流控芯片采用圆形碟式结构，使得进样和检 测均在旋转模式下进行，工作模式的均一性保证了进样和检测装置的统一性，从而使得整 个装置结构简单。
[0008](5)本发明所述溶液浓度测量装置，所需进样和检测设备都比较常见，易于便携 化、商品化，可使用于所有微流控光度检测，普适性强。
【附图说明】
[0009]图1是本发明一种基于光度检测的旋转碟式微流控浓度测量装置的结构示意图； 图2是图1中旋转碟式微流控芯片1的结构俯视放大图； 图3是图1中旋转碟式微流控芯片1与交流伺服电机13的连接结构放大示意图； 图4是图3的左视图； 图5是图1中安装光电倍增管18及激光光源23的支撑及连接结构示意图； 图6是本发明一种基于光度检测的旋转碟式微流控溶液浓度测量方法的具体工作流 程图。
[0010] 附图中各部件的序号和名称：1.旋转碟式微流控芯片；2.试液流道；3.原试液 池；4.混合试液测量带；5.旋转碟式微流控芯片中心孔；6.试液相互渗透带；7.旋转碟式 微流控的芯片固定凹槽；8.激光测量定位孔；9.微流控芯片废液池；10.轴固定六角螺母； 11.芯片固定垫片；12.电机轴定位固定套筒；13.交流伺服电机；14.电机轴；15.微流控 芯片定位键；16.光度检测装置支架；17.支架上装载臂的定位固定旋钮；18.光电倍增管； 19.导线；20.电机控制线；21.伺服电机固定底座；22.检测装置底座；23.激光光源；24、 29.支架装载臂；25、30.固定螺丝；26.可调伸缩连接臂；27.激光光源安装孔；28.固定 螺纹孔；31.可调伸缩光电倍增管连接臂；32.光电倍增管固定螺纹孔；33.电机控制模块； 34.光源控制模块；35.信号转换模块；36.计算机；37.密封暗室。
【具体实施方式】
[0011] 参见图1，为本发明一种基于光度检测的旋转碟式微流控浓度测量装置的整体结 构图。在一个密封暗室37内部设置旋转碟式微流控芯片1、实验装置底座22、光度检测装 置支架16、交流伺服电机13等部件。其中，实验装置底座22固定在密封暗室37的底壁上， 光度检测装置支架16与实验装置底座22相垂直，也与密封暗室37的底面相垂直，光度检 测装置支架16的底端垂直焊接固定在实验装置底座22以及密封暗室37的靠近左边缘的 中心位置。实验装置底座22与光度检测装置支架16组成整个装置的最基本支撑框架。伺 服电机固定底座21固定在实验装置底座22以及密封暗室37靠近右边缘的中心位置，交流 伺服电机13固定于电机底座21的中心位置，交流伺服电机13的输出轴电机轴14垂直向 上，并且电机轴14的中心与光度检测装置支架16的中心对齐，在电机轴14上同轴安装水 平的旋转碟式微流控芯片1。在光度检测装置支架16上通过两个定位固定旋钮17分别固 定连接两个水平的支架装载臂24、29,支架装载臂24、29均沿实验装置底座22的左右方向 的横向中心线向右水平伸出。在支架装载臂24上的右端安装激光光源23,使支架装载臂 24以及激光光源23处于旋转碟式微流控芯片1的上方，与旋转碟式微流控芯片1相平行； 在支架装载臂29上的右端安装光电倍增管18,使支架装载臂29以及光电倍增管18处于旋 转碟式微流控芯片1的下方，也与旋转碟式微流控芯片1相平行。通过调节两个定位固定 旋钮17,可沿光度检测装置支架16移动两个支架装载臂24、29以调节上下高度。激光光源 23和光电倍增管18各通过导线19分别与位于密封暗室37外部的光源控制模块34连接， 光源控制模块34连接信号转换模块35,信号转换模块35与计算机36连接；交流伺服电机 13通过电机控制线20与位于密封暗室37之外的电机控制模块33连接，电机控制模块33 则与计算机36连接。
[0012] 参见图1和图2,旋转碟式微流控芯片1是本发明的关键部件，该芯片的厚度是一 定的，假设厚度为5mm时，那么激光透过芯片经过的光程长所以可以知道在最佳吸 光度位置对应的溶液浓度G-定，即6=4/0. 434 〇，〇为吸光系数。旋转碟式微流控芯片 1的中心孔5位于芯片的圆心位置，在中心孔5处开有芯片固定凹槽7,芯片固定凹槽7是 一个矩形凹槽，芯片固定凹槽7的中心与中心孔5的中心保持一致，芯片固定凹槽7的宽度 与中心孔5的直径相等，芯片固定凹槽7的长度约为其宽度的3倍