一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，由半导体泵浦固体绿光激光器、聚焦透镜、激发光纤、玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片、接收光纤、窄带滤光片、光子计数器、ARM9嵌入式开发平台和高压电源组成；半导体泵浦固体绿光激光器、聚焦透镜、激发光纤、玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片、接收光纤、窄带滤光片、光子计数器、和ARM9嵌入式开发平台依次连接，高压电源与单通道毛细管电泳芯片连接。采用上述方案，本实用新型结构紧凑、集成度及检测灵敏度较高、噪声较低，具有很好的市场应用价值。
【专利说明】
一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及分析化学检测领域，尤其涉及的是，一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统。
【背景技术】
[0002]毛细管电泳芯片(Capillary Electrophoresis Microchip)是微流控生物芯片的一种，广泛应用于蛋白质组分研究、药物筛选、基因诊断等生化分析领域。在利用电泳芯片进行生化分析的过程中，被测样品的组分及含量等相关信息需要由检测系统来测定。由于芯片中微通道的直径一般为10μπι~100μπι，样品进样量极少，因而对检测系统的灵敏度、分辨率及响应速度等都有较高的要求，检测系统的性能将直接决定芯片分析系统的整体性能。
[0003]目前，应用到毛细管电泳芯片分析系统中的检测方法主要有激光诱导荧光检测、化学发光检测、电化学检测、吸收光度检测和质谱检测等。其中，激光诱导荧光检测具有较高的灵敏度，对某些荧光效率高的物质，通过光子计数、双光子激发等技术甚至可以达到单分子检测。同时，它还具有很好的选择性，仅对产生荧光或被选择性荧光标记的分子产生影响，能有效消除其它成分的干扰。常规的共聚焦式激光诱导荧光检测系统激光器和光学对准装置体积庞大，多是将接收到的荧光信号送到个人计算机进行处理并绘制检测曲线，必须依赖个人计算机。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统。
[0005]为实现上述目的，本实用新型所采用了下述的技术方案:一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，该系统由半导体栗浦固体绿光激光器(1)、聚焦透镜(2)、激发光纤
(3)、玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)、接收光纤(5)、窄带滤光片(6)、光子计数器
(7)、ARM9嵌入式开发平台(8)和高压电源(9)组成；
[0006]所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)通过聚焦透镜(2)与激发光纤(3)的一端连接，所述激发光纤(3)的另一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道；
[0007]所述接收光纤(5)的一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道，接收荧光信号;所述接收光纤(5)的另一端通过窄带滤光片(6)与光子计数器(7)连接；
[0008]所述光子计数器(7)与ARM9嵌入式开发平台(8)连接;所述高压电源(9)与单通道毛细管电泳芯片(4)连接。
[0009]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述单通道毛细管电泳芯片(4)包括样品池(10 )、样品废液池(11)、缓冲液池(12)、缓冲废液池(13)、光纤通道
(14)、进样通道(15)、分离通道(16)和检测区域(17)，所述样品池(10)与样品废液池(11)通过进样通道(15)连通，所述缓冲液池(12)与分离通道(16)连接，所述分离通道(16)穿过检测区域(17)与缓冲废液池(13)连接，所述光纤通道(14)设置于检测区域(17)的两侧。
[0010]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述单通道毛细管电泳芯片(4)的结构为“十”字构型，所述进样通道(15)与所述分离通道(16)垂直交叉设置，所述样品池(10)与所述样品废液池(11)设置于所述进样通道(15)的两端；
[0011]所述缓冲液池(12)设置于分离通道(16)临近所述样品池(10)与所述样品废液池
[11]的一端；
[0012]所述缓冲废液池(13)设置于分离通道(16)的另一端；
[0013]所述检测区域(17)临近所述缓冲废液池(13)设置，所述光纤通道(14)设置于检测区域(17)的两侧。
[0014]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述光纤通道(14)包括3条光纤通道，所述光纤通道(14)的一侧插入激发光纤(3)，引入激光;所述光纤通道
[14]的另一侧连接接收光纤(5)，接收荧光信号;所述光纤通道(14)与所述分离通道(16)垂直。
[0015]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)的中心发射波长为532 nm，功率为O?5 mW连续可调，激发罗丹明B样品产生的荧光信号峰值波长为580 nm。
[0016]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述窄带滤光片(6)中心波长为578 nm，半峰宽I?10 nm，峰值透射率为50%，用以滤除掉荧光信号以外的噪声信号。
[0017]优选的，所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统中，所述高压电源(9)由三个高压模块组成，每一个模块可输出连续可调的O?5 KV电压，输出电流不超过0.25 mA,三路输出中的第二路电压的正负极可相互切换。
[0018]相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本实用新型利用光源、聚焦透镜、多模光纤、滤光片、光子计数器等器件的有效组合，大大简化了传统的毛细管电泳芯片荧光信号检测系统中复杂的光路结构，组建出结构紧凑、集成度及检测灵敏度较高、噪声较低的毛细管电泳芯片检测系统，具有很好的市场应用价值。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的一个实施例的结构示意图；
[0020]图2为本实用新型的图1实施例的毛细管电泳芯片结构示意图；
[0021]图3-1为本实用新型的图1实施例的不同浓度的罗丹明B样品溶液在优化条件下的电泳分离检测示意图之一；
[0022]图3-2为本实用新型的图1实施例的不同浓度的罗丹明B样品溶液在优化条件下的电泳分离检测示意图之二；
[0023]图3-3为本实用新型的图1实施例的不同浓度的罗丹明B样品溶液在优化条件下的电泳分离检测示意图之三；
[0024]图3-4为本实用新型的图1实施例的不同浓度的罗丹明B样品溶液在优化条件下的电泳分离检测示意图之四；
[0025]其中，1-半导体栗浦固体绿光激光器;2-聚焦透镜;3-激发光纤;4-单通道毛细管电泳芯片；5-接收光纤;6-窄带滤光片；7-光子计数器;8-ARM9嵌入式开发平台；9-高压电源；10-样品池；11-样品废液池；12-缓冲液池；13-缓冲废液池；14-光纤通道;15-进样通道；16-分离通道;17-检测区域。
【具体实施方式】
[0026]为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
[0027]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0028]除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。
[0029]如图1所示，本实用新型的一个实施例是，该光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，由半导体栗浦固体绿光激光器(I)、聚焦透镜(2)、激发光纤(3)、玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)、接收光纤(5)、窄带滤光片(6)、光子计数器(7)、ARM9嵌入式开发平台(8)和高压电源(9)组成;所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)通过聚焦透镜(2)与激发光纤(3)的一端连接，所述激发光纤(3)的另一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道;所述接收光纤(5)的一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道，接收荧光信号;所述接收光纤(5)的另一端通过窄带滤光片(6)与光子计数器(7)连接;所述光子计数器(7)与ARM9嵌入式开发平台(8)连接;所述高压电源(9)与单通道毛细管电泳芯片
(4)连接。
[0030]优选的，所述单通道毛细管电泳芯片(4)包括样品池(10)、样品废液池(11)、缓冲液池(12)、缓冲废液池(13)、光纤通道(14)、进样通道(15)、分离通道(16)和检测区域(17)，所述样品池(10)与样品废液池(11)通过进样通道(15)连通，所述缓冲液池(12)与分离通道
(16)连接，所述分离通道(16)穿过检测区域(17)与缓冲废液池(13)连接，所述光纤通道
(14)设置于检测区域(17)的两侧。优选的，所述单通道毛细管电泳芯片(4)的结构为“十”字构型，所述进样通道(15)与所述分离通道(16)垂直交叉设置，所述样品池(10)与所述样品废液池(11)设置于所述进样通道(15)的两端;所述缓冲液池(12)设置于分离通道(16)临近所述样品池(10)与所述样品废液池(11)的一端;所述缓冲废液池(13)设置于分离通道
(16)的另一端;所述检测区域(17)临近所述缓冲废液池(13)设置，所述光纤通道(14)设置于检测区域(17)的两侧。优选的，所述光纤通道(14)包括3条光纤通道，所述光纤通道(14)的一侧插入激发光纤(3)，引入激光;所述光纤通道(14)的另一侧连接接收光纤(5)，接收荧光信号；所述光纤通道(14)与所述分离通道(16)垂直，这样可以使光源尽量的靠近检测区域，减小激发光的传输损耗，同时使进入荧光信号采集单元的噪声信号尽可能的小。
[0031]优选的，所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)的中心发射波长为532nm，功率为O?5 mW连续可调，激发罗丹明B样品产生的荧光信号峰值波长为580 nm。优选的，所述窄带滤光片(6)中心波长为578 nm，半峰宽I?10 nm，峰值透射率为50%，用以滤除掉荧光信号以外的噪声信号。优选的，所述高压电源(9)由三个高压模块组成，每一个模块可输出连续可调的O?5 KV电压，输出电流不超过0.25 mA，三路输出中的第二路电压的正负极可相互切换。
[0032]优选的，高压电源控制完成芯片各储液池(10、11、12、13)所加电压的切换，实现样品的进样与分离，当样品在高压电场的驱动下经分离通道(16)移动到检测区域(17)时，罗丹明B样品被激光激发，产生的荧光由另一端的光纤收集，经滤光片到达光子计数器，光子计数器将检测到的荧光信号传送给ARM9嵌入式平台，最终完成信号的处理以及测试结果的实时显不等。
[0033]系统中所用的毛细管电泳芯片为玻璃材质，结构如图2所示。芯片结构为基本的“十”字构型，微通道深60 μπι，宽约100 μπι;样品进样通道(15)长10 mm，分离通道(16)长40mm，十字交叉点处离检测区域(17)的距离为30 mm;每对光纤通道(14)相距I mm，光纤通道与分离通道的距离分别为200 μπι、250 μπι,500 μπι;各储液池直径为2 mm，容积约为5 yL。此外，100 nm的光纤通道既能保证光纤顺利插入，又不会过于松动影响信号检测。
[0034]每次电泳实验前，分别使用I mol/L的NaOH溶液、去离子水(18 ΜΩ)和Tris-Borate-EDTAC2 X TBE, pH 8.3)缓冲溶液清洗毛细管电泳芯片的微通道。取清洗干净的电泳芯片，在四个储液池中加入适量的??Ε缓冲溶液(100 mmo I /L的Tr i s，1 mmo I /L的Boric Acid和2 mmol/L的EDTA，用去离子水配制而成)，确保通道内无气泡产生。在光纤通道处插入激发光纤和接收光纤。将罗丹明B样品溶液用微量移液器取少量滴入样品池中，再将电极架移至芯片上方，将四个电极插入储液池中。开启高压电源至外控状态，打开激光器和光子计数器的电源，运行检测程序。打开高压电源，设定进样、分离电压:进样阶段，样品从样品池(10，600 V)迀移至样品废液池(11)，缓冲液池(12)和缓冲废液池(13)的电压分别为400 V和600 V，样品废液池电极接地;进样30 s后，高压电源切换，十字交叉口处的样品从进样通道(15)进入分离通道(16)进行分离及检测，此时，缓冲液池施加800 V电压，样品池和样品废液池电压均为600 V，缓冲废液池电极接地。每次电泳操作结束后，立即用去离子水清洗芯片微通道，以免缓冲溶液水分蒸发堵塞通道。
[0035]将四种不同浓度(1.0X 10—4 mol/LU.0 X 10—5 mol/L、1.0 X 10—6 mol/L、1.0 X 10—7 mol/L)的罗丹明B样品溶液分别注入毛细管电泳芯片的样品池，利用组建好的检测系统进行电泳分离实验。其中，进样电压设置为:样品池600 V，样品废液池O V，缓冲液池400 V，缓冲废液池600 V;分离电压设置为:缓冲液池800 V，样品池、样品废液池均为600V，缓冲废液池O V ο得到的检测结果如图3-1，图3-2，图3-3，图3_4所示，图中的四条曲线依次代表四种浓度由大到小的样品溶液电泳分离时检测到的荧光信号强度，样品溶液浓度越大，受激发产生的荧光信号强度越强，对应的响应曲线峰值越大。
[0036]利用ARM处理器体积小、功耗低、寻址方式灵活及执行效率高等优点，为进一步简化光路系统结构，使检测结果脱离个人计算机的依赖，搭建出以ARM9处理器为控制核心的光纤嵌入式单通道毛细管电泳芯片激光诱导荧光检测系统。系统以半导体栗浦固体绿光激光器为光源，使用两条多模光纤分别传输激发光和接收荧光信号；利用嵌入式应用程序开发软件设计系统控制界面，将处理后的荧光信号在Win CE平台的TFT-LCD上绘制成荧光曲线。系统充分利用光源、聚焦透镜、多模光纤、滤光片、光子计数器等器件的有效组合，大大简化了传统的毛细管电泳芯片荧光信号检测系统中复杂的光路结构，组建出结构紧凑、集成度及检测灵敏度较高、噪声较低的毛细管电泳芯片检测系统。
[0037]需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，该系统由半导体栗浦固体绿光激光器(I)、聚焦透镜(2)、激发光纤(3)、玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)、接收光纤(5)、窄带滤光片(6)、光子计数器(7)、ARM9嵌入式开发平台(8)和高压电源(9)组成； 所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)通过聚焦透镜(2)与激发光纤(3)的一端连接，所述激发光纤(3)的另一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道； 所述接收光纤(5)的一端接入玻璃材质的单通道毛细管电泳芯片(4)的光纤通道，接收荧光信号;所述接收光纤(5)的另一端通过窄带滤光片(6)与光子计数器(7)连接； 所述光子计数器(7)与ARM9嵌入式开发平台(8)连接;所述高压电源(9)与单通道毛细管电泳芯片(4)连接。2.根据权利要求1所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述单通道毛细管电泳芯片(4 )包括样品池(1 )、样品废液池(11)、缓冲液池(12)、缓冲废液池(13)、光纤通道(14)、进样通道(15)、分离通道(16)和检测区域(17)，所述样品池(10)与样品废液池(11)通过进样通道(15)连通，所述缓冲液池(12)与分离通道(16)连接，所述分离通道(16)穿过检测区域(17)与缓冲废液池(13)连接，所述光纤通道(14)设置于检测区域(17)的两侧。3.根据权利要求2所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述单通道毛细管电泳芯片(4)的结构为“十”字构型，所述进样通道(15)与所述分离通道(16)垂直交叉设置，所述样品池(10)与所述样品废液池(11)设置于所述进样通道(15)的两端； 所述缓冲液池(12)设置于分离通道(16)临近所述样品池(10)与所述样品废液池(11)的一端； 所述缓冲废液池(13)设置于分离通道(16)的另一端； 所述检测区域(17)临近所述缓冲废液池(13)设置，所述光纤通道(14)设置于检测区域(17)的两侧。4.根据权利要求3所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述光纤通道(14)包括3条光纤通道，所述光纤通道(14)的一侧插入激发光纤(3)，引入激光;所述光纤通道(14)的另一侧连接接收光纤(5)，接收荧光信号;所述光纤通道(14)与所述分离通道(16)垂直。5.根据权利要求2所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述半导体栗浦固体绿光激光器(I)的中心发射波长为532 nm，功率为O?5 mW连续可调，激发罗丹明B样品产生的荧光信号峰值波长为580 nm。6.根据权利要求5所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述窄带滤光片(6)中心波长为578 nm，半峰宽I?10 nm，峰值透射率为50%，用以滤除掉荧光信号以外的噪声信号。7.根据权利要求6所述的光纤嵌入式毛细管电泳芯片荧光检测系统，其特征在于，所述高压电源(9)由三个高压模块组成，每一个模块可输出连续可调的O?5 KV电压，输出电流不超过0.25 mA，三路输出中的第二路电压的正负极可相互切换。
【文档编号】G01N21/64GK205426792SQ201620253860
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】杨晓博, 王磊, 贾琳
【申请人】许昌学院