一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，其包括：电控双磁场富集分离系统、光学检测系统和恒温加热系统，所述电控双磁场富集分离系统用于产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集；所述光学检测系统采用全内反射检测技术，以实现光学图像的检测和分析处理；所述恒温加热系统包括温度传感器和加热片，用于控制检测环境的温度。本发明的检测仪采用电控双磁场技术、全内反射光学检测技术和图像分析软件技术，实现样品中低浓度物质的自动快速检测，仪器便携、一步操作、简单快捷。
【专利说明】
一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪
技术领域
[0001]本发明属于生物医学检测技术领域，具体涉及一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪。
【背景技术】
[0002]样品中(尤其是血液样品中)低浓度物质检测，通常采用免疫检测技术。为了减少干扰，首先需要对血液样品进行离心分离、去除血细胞等前处理步骤，这样就增加了检测时间和检测步骤。为了增加检测的准确性和灵敏性，很多免疫反应采用磁粒子分离技术将低浓度的待检测物从样品中分离出来，也需要将磁粒子复合物通过离心分离出来并进行洗涤，检测灵敏度高，但是步骤繁琐。而且，使用的仪器庞大而昂贵，操作复杂，成本高，并且需要专业的检验人员来操作，限制了检测时间和检测场所，无法用于基层和现场检测。
[0003]尿微量白蛋白(urinary microalbumin，英文缩写:mAlb)的增高多见于糖尿病肾病、高血压、妊娠子痫前期，是肾损伤的早期敏感指标。如果在体检后发现尿中的微量白蛋白在20mg/L-200mg/L范围内，就属于微量白蛋白尿，如果患者能够经过规范的修复肾单位，逆转纤维化治疗，尚可彻底修复肾小球，消除蛋白尿。而当尿中微量白蛋白超过200mg/L时，此时证明肾病患者已有大量白蛋白漏出，肾病发展离不可逆期只有一步之遥，如果不及时进行医治，就会进入尿毒症期。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的目的是制备一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪。本发明的检测仪采用电控双磁场技术、全内反射光学检测技术和图像分析软件技术，实现样品中低浓度物质的自动快速检测，仪器便携、一步操作、简单快捷。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其包括:电控双磁场富集分离系统、光学检测系统和恒温加热系统，所述电控双磁场富集分离系统用于产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集;所述光学检测系统采用全内反射检测技术，以实现光学图像的检测和分析处理;所述恒温加热系统包括温度传感器和加热片，用于控制检测环境的温度。
[0006]所述电控双磁场富集分离系统是通过放置在检测芯片上下两侧的(小型加强)磁柱或者磁片，交替加电/断电产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集。优选地，所述电控双磁场富集分离系统包括:电源、电磁控制电路程序以及两个相同的(小型)磁柱。
[0007]其中，所述电磁控制电路程序可以实现按照设定的频率分别给两个磁柱加电产生磁性和去电消除磁性，从而实现磁粒子的分离和富集。
[0008]优选地，所述加电的时间范围是0.1?30秒;循环周期为O?100个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间是0.5?100s;加电的强度为0.1?50V。更优选地，所述加电的时间范围是2?10秒;循环周期为5?20个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间是5?20s。
[0009]在一较佳的实例中，其中两个小型磁柱位于检测芯片的两侧，需要匹配光学检测池合适的小线圈，为了实现最小的磁体产生最大的磁场，小型磁柱是可被加电产生磁场和去电消除磁场的线圈，并具有加强磁性的铁芯或者钴镍铁芯。
[0010]所述光学检测系统采用全内反射检测技术，其包括发射光路和检测光路两部分。
[0011]其中，所述发射光路主要为光源发射模块，其包含光源控制电路板及程序、LED或者激光平行光源。
[0012]其中光源控制电路板及程序可以对LED或者激光的强度进行设定，其中电流调整范围优选O?ImA;通过按键输入或上位计算机由RS485接口修改LED电流数值，进而改变光源的光亮度。
[0013]所述LED或者激光平行光源包括扩束镜和光阑等部件，光源的发散角、光斑等参数可通过准直、光阑等方式来调节，形成一束均匀的平行光。
[0014]其中，所述激光平行光源采用红色平行光束，波长优选600?650nm。
[0015]其中，所述检测光路包括光学检测模块、图像识别软件、显微镜头或远心镜头。
[0016]其中，所述光学检测模块可以采用CCD、CM0S、发光二极管或光电倍增管等来进行光学图像检测，其中优选CCD相机，更优选CCD相机的像素在100万像素以上；同时需要配合显微镜头或者远心镜头进行图像的拍摄。本发明优选光学采集速率和分辨率达到可检测微米尺寸的图像。
[0017]在一较佳的实例中，所述发射光路和检测光路的核心采集部分采用暗盒进行封闭，暗盒进行内壁发黑处理，消除杂散光干扰，入射角度和接受光路的角度随芯片材料变化而不同，材料确定，角度固定。
[0018]其中，优选地，所述图像识别软件采用MATLAB或C等软件实现对图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。
[0019]所述恒温加热系统包括温度传感器和加热片。恒温加热系统通过温度传感器和加热片控制检测环境的温度，优选控制在37°C恒温状态，以使免疫反应在特定温度环境下进行，消除温度造成的反应差异误差。
[0020]温度传感器实时获取反应区域温度数据，然后采用PID算法计算出加热片电压输出变化量，并由加热片驱动电路输出调整后的加热电压，实现对区域温度的精确控制。
[0021]本发明在检测时，具体操作优选为:加入芯片，预热仪器，设置磁场和光源的合适数值，加入样品，仪器自动开始进入检测模式，检测完毕，图像拍摄，软件识别图像，并根据预标定值，计算出样品中的待测物浓度，显示数值。
[0022]在本发明中，检测样品可以是全血、血浆、血清、尿液、唾液、体液等。本发明采用免疫检测原理，适用于样品中含量低的待检物。在芯片上固定多种抗体，检测仪可以实现一个芯片上一次检测多个指标。
[0023]适用于本发明检测仪的芯片可以是高透明的塑料材料、玻璃或水晶材料等。
[0024]本发明具有下述有益效果:
[0025](I)本发明采用电控双磁场富集分离模式，有效提高了反应速度，简化了实验步骤，实现了一步式检测。
[0026](2)本发明采用的全内反射光学检测技术结合磁粒子技术，实现了仪器的便携式设计，仪器简便有效，利于现场检测，因此具有非常好的应用前景。
【附图说明】
[0027]图1显示的是本发明的光学检测仪的系统框图。
[0028]图2显示的是本发明的光学检测仪在工作时实现磁富集和分离检测的原理图。
[0029]图3显示的是本发明的光学检测仪在工作时集成磁分离和全内反射的检测原理图。
[0030]图4显示的是本发明的光学检测仪的系统硬件框图。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0032]实施例1
[0033]本发明的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其包括:电控双磁场富集分离系统、光学检测系统和恒温加热系统，电控双磁场富集分离系统用于产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集;光学检测系统采用全内反射检测技术，以实现光学图像的检测和分析处理;恒温加热系统包括温度传感器和加热片，用于控制检测环境的温度。
[0034]电控双磁场富集分离系统包括:电源、电磁控制电路程序以及两个相同的小型磁柱，通过交替加电/断电产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集。
[0035]其中，电磁控制电路程序可以实现按照设定的频率分别给两个磁柱加电产生磁性和去电消除磁性，从而实现磁粒子的分离和富集。
[0036]光学检测系统采用全内反射检测技术，其包括发射光路和检测光路两部分。发射光路主要为光源发射模块，其包含光源控制电路板及程序、LED或者激光平行光源。其中光源控制电路板及程序可以对LED或者激光的强度进行设定;通过按键输入或上位计算机由RS485接口修改LED电流数值，进而改变光源的光亮度。
[0037]LED或者激光平行光源包括扩束镜和光阑等部件，光源的发散角、光斑等参数可通过准直、光阑等方式来调节，形成一束均勾的平行光。
[0038]激光平行光源采用红色平行光束。检测光路包括光学检测模块、图像识别软件、显微镜头。其中，光学检测模块采用CCD相机，像素在100万像素以上；同时需要配合显微镜头进行图像的拍摄。图像识别软件采用MATLAB或C等软件实现对图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。
[0039]恒温加热系统通过温度传感器和加热片控制检测环境的温度在37°C恒温状态，以使免疫反应在特定温度环境下进行，消除温度造成的反应差异误差。
[0040]温度传感器实时获取反应区域温度数据，然后采用PID算法计算出加热片电压输出变化量，并由加热片驱动电路输出调整后的加热电压，实现对区域温度的精确控制。
[0041 ]在检测时，具体操作为:加入芯片，预热仪器，设置磁场和光源的合适数值，加入样品，仪器自动开始进入检测模式，检测完毕，图像拍摄，软件识别图像，并根据预标定值，计算出样品中的待测物浓度，显示数值。
[0042]具体地可参见图1和图4所示，图1为本发明的光学检测仪的系统框图，图4为硬件框图。在工作时，光学检测仪主要由检测芯片1、控制电路2、光源3、电磁线圈4-1和4-2、检测摄像头5、上位计算机6等构成。
[0043]开机后，预热自启动，完成仪器自检工作，包括电磁驱动电路2-1驱动电磁线圈4-1和4-1进行磁场驱动扫描、光源驱动电路2-2进行光源3亮度校准、温控电路2-3进行区域恒温自检、指示灯2-4提示、控制电路2通过通讯接口 7与上位计算机6和摄像头5完成参数设定等工作。
[0044]进行检测时，将检测芯片I放置到仪器芯片托架上，区域恒温控制电路2-3驱动加热片将检测芯片I升温至37°C，滴加样品(含mAlb，尿微量白蛋白)1滴至检测芯片I的样品池1-2，虹吸作用下样品经通道1-3进入反应池1-1，实现自动进样。
[0045]芯片通道1-3位置旁有光学探测器，捕捉样品通过时光信号的变化，并触发检测，实现仪器检测自启动。
[0046]检测启动后，进入反应池1-1的样品待测物与反应池中的抗mAlb-纳米磁粒子进行结合反应，形成mAl b-抗mAl b-纳米磁粒子复合物。控制电路2中的电磁线圈驱动电路2-1将电控双磁场富集分离模式开启，交替给上电磁线圈4-1和下电磁线圈4-2上电，形成方向上下交替变换的磁场。在变换磁场的作用下，抗mAlb-纳米磁粒子在反应池1-1中上下运动，增加了与样品中mAlb的接触，提高了反应结合速度，可缩短反应时间。
[0047]mAlb-抗mAlb-纳米磁粒子复合物受到交替的磁场作用，会碰撞到反应池1-1底部，将与牢固固定在反应池1-1底部的配对抗体相结合，形成抗体2-mAlb-抗mAlb-纳米磁粒子复合物，从而使磁粒子固定在反应池1-1底部的表面上。
[0048]反应三分钟后，mAlb-抗mAlb-纳米磁粒子复合物被固定在反应池底部，数量趋于稳定，停止变换磁场方向，上电磁线圈4-1保持上电，磁场方向维持向上。在向上磁场力的作用下，多余的未被固定的磁粒子将被吸至反应池1-1上侧。
[0049]与待测物结合的mAlb-抗mAlb-纳米磁粒子复合物通过双抗结合作用固定在反应池1-1下侧，其密度与待测物的浓度成正比。由于磁粒子固定在反应池1-1底部，将破坏反应池1-1底部全内反射界面。原先光源3的发射光束在反应池1-1底部的界面发生全反射，此时由于固定磁力子的存在，反射光将被削弱，反射光强与固定磁粒子的数量存在反比关系。
[0050]在向上磁场作用10秒钟后，未固定的磁粒子基本被吸至上层。将摄像头5开启图像采集，捕捉拍摄反应池1-1底部的磁粒子全内反射图像，并发送至上位计算机6进行软件识别和分析，获得反射光强信息，进一步计算得出样品中mAlb的浓度，并显示检测结果。
[0051]图2和图3为本发明的光学检测仪在工作时实现磁富集和分离检测的原理图。首先将两种反应物(例如抗体I结合磁粒子形成复合磁微粒子固定在芯片内的上方;抗体2固定在芯片内的下方)分别固定在芯片内表面膜上，然后加入待测样品，样品中的抗原与芯片上的复合磁微粒子发生结合反应;通过电控双磁场按照一定频率分别给上下两个磁线圈加电，产生上下变换的磁场，下磁场作用时，结合抗原的复合磁微粒子加速向芯片下方移动，与抗体2结合，形成牢固的结合物，附着在芯片下方。上磁场作用时，将未结合的复合磁微粒子吸引至芯片上方。上下磁场分别反复施加，加速抗原——复合磁微粒子与下方抗体的结合和分离，抗体-磁粒子在反应池中上下运动，增加了与样品中待测物质的接触，提高了反应结合速度，大大减少了反应时间。反应充分后再施加上磁场作用，将未结合的多余的复合磁微粒子吸引至芯片上方，反应的抗原-复合磁微粒子则通过抗体2结合作用留在芯片下方，形成磁微粒子聚集，由于抗原浓度不同，由磁微粒子形成聚集区的灰度值会随之变化，待测物的浓度与最终被固定在反应池底侧的纳米磁粒子密度成正比。光源发出的会聚平行光通过芯片的光学角度面进入芯片后，聚集的磁粒子引起表面膜的折射率变化，全反射后光线照射到CCD面阵或者其它光学元件接收器上，实时地记录整个反应过程的信号变化，就可以用采集到的不同灰度的CCD图像或者其它光学图像，采用相应的软件处理，模数转化为得出光强数据曲线，经过标定后，获得被测物的浓度等参数。
[0052]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。例如:磁线圈的外观种类、光学器件的种类、不同的光路制备方式等。
【主权项】
1.一种基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，其包括:电控双磁场富集分离系统、光学检测系统和恒温加热系统，所述电控双磁场富集分离系统用于产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集;所述光学检测系统采用全内反射检测技术，以实现光学图像的检测和分析处理;所述恒温加热系统包括温度传感器和加热片，用于控制检测环境的温度。2.根据权利要求1所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述电控双磁场富集分离系统是通过放置在检测芯片上下两侧的磁柱或者磁片，交替加电/断电产生交替的磁场，以实现对芯片上磁粒子的双向驱动和富集;优选地，所述电控双磁场富集分离系统包括电源、电磁控制电路程序以及两个相同的磁柱。3.根据权利要求2所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，其中，所述电磁控制电路程序实现按照设定的频率分别给两个磁柱加电产生磁性和去电消除磁性，从而实现磁粒子的分离和富集； 优选地，所述加电的时间范围是0.1?30秒;循环周期为O?100个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间是0.5?100s;加电的强度为0.1?50V; 更优选地，所述加电的时间范围是2?10秒;循环周期为5?20个周期；用于磁粒子分离的最后次停留时间是5?20s。4.根据权利要求1所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述光学检测系统采用全内反射检测技术，其包括发射光路和检测光路两部分。5.根据权利要求4所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，其中，所述发射光路为光源发射模块，其包含光源控制电路板及程序、LED或者激光平行光源。6.根据权利要求5所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述光源控制电路板及程序可以对LED或者激光的强度进行设定，其中电流调整范围优选O?1mA。7.根据权利要求5所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述激光平行光源采用红色平行光束，波长优选600?650nm。8.根据权利要求4所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，其中，所述检测光路包括光学检测模块、图像识别软件、显微镜头或远心镜头。9.根据权利要求8所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述光学检测模块采用CCD、CMOS、发光二极管或光电倍增管来进行光学图像检测，其中优选CCD相机，更优选CCD相机的像素在100万像素以上； 所述图像识别软件采用MATLAB或C软件实现对图像的显示、存储和灰度识别分析对比以及尺度分析。10.根据权利要求1所述的基于磁富集和全内反射的光学检测仪，其特征在于，所述恒温加热系统通过温度传感器和加热片控制检测环境的温度，优选控制在37°C恒温状态。
【文档编号】G01N33/53GK105929149SQ201610266441
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】刘春秀, 贾建, 蔡浩原, 刘昶
【申请人】中国科学院电子学研究所