专利名称：高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode, LED)诱导荧光检测 微流控生化分析仪，可对多种生化样本(如DNA、蛋白质、毒品等)进行自 动检测和分析，属分析检验仪器技术领域。
技术背景现代科学仪器已经被一些发达国家作为信息的源头和基础纳入其未来发 展的战略重点，分析仪器是其中重要的组成部分之一。基于以微机电系统(MEMS)为基础的微全分析系统(MicroTotal Analysis Systems, )aTAS)的 生化分析仪器是发展的重要前沿领域。微全分析系统或称芯片实验室(Lab-on-a-Chip， LOC)是一个跨学科的新领域，其目标是通过微机电加工、 计算机、电子学、分析化学、材料科学、医学和生物学等多交叉学科实现生 化分析，系统地完成从试样处理到检测的全过程，用来对DNA、蛋白质等生 物样品进行分析。这样不仅减少了实验试剂和样品用量，而且其实验装置体 积小而轻便、易于控制，并可现场进行采样和分析。应用于生物医学领域的 微机电系统通常称为生物微机电系统(Bio-MEMS)，应用Bio-MEMS技术 不仅可以对现有的生命科学及医疗仪器进行改进和完善，而且可以创造出新 的分析操作手段，极大地推动生物工程技术和医疗事业的发展。微流控分析仪器是芯片实验室研究中的重要内容，目前，它主要应用于生 命科学，在多肽、蛋白质、核酸等生物大分子的分离分析上发挥着极其重要 的作用，同时微流控芯片的应用也涉及到食品化学、药物化学、医学、环境 科学、法医学等领域。国外一些大的厂家如美国Micronics公司、美国Nanogen 公司、加拿大Micralyne公司都在大力进行商品化仪器的开发研究。美国 Agilent公司于2001年推出了 Agilent 2100生化分析仪，该仪器主要用于PCR产物、蛋白质等的分离分析；中国科学院大连化学物理研究所开发了紫外吸 收检测微流控芯片分析仪用于核酸和药物成分分析；中国科学院上海微系统 所与信息技术研究所开发了一套四色激光诱导荧光检测系统用于核酸的快速 分离和分析，可以实现寡核苷酸的单碱基分辨和大片段DNA的有效分离。在微流控分析仪器中，荧光检测是最常用的一种检测方法，具有灵敏度高 的优点，而激光诱导荧光检测也是目前灵敏度最高的检测手段之一。在激光 诱导荧光检测系统中，气体激光器(如Ar+， He-Ne激光器)应用比较普遍， 但气体激光器存在体积大、功耗大、成本高、与微型化仪器难以匹配等缺点。 半导体泵浦固体激光器是一种较新型的激光光源，但仍存在体积较大和价格 昂贵等不足。近几年，随着发光二极管技术的日益成熟，高功率(瓦级)、短 波长(470nm左右)、单色性及稳定性良好的LED已在市场上出现。这类型 号的LED己能够满足生化分析中荧光激发的要求，同时相比较于激光器来 说，LED具有成本低(几元人民币)，体积小(厘米见方)、使用寿命长(5 万小时)的优点，适合于小型化、便携式现场检测生化分析仪的要求，将在 生化分析领域发挥重要作用。 发明内容本发明的目的是基于LED诱导荧光结合微流控分析技术构建一种集成化 便携式生化分析仪，实现对多种生化样本的自动化检测和分析。该生化分析 仪采用LED作为激发光源，其成本更低、体积更小、便于携带、操作简单， 检测灵敏度与激光诱导荧光检测相当，同时采用微流控分析技术，使之具有 快速高效的优点。本发明所要解决的技术关键是LED光源稳定性控制、光束准直对准以及微 流控分析过程的自动控制。本发明所阐述的生化分析仪采用模块化设计，主要由三个部分组成微流 控分析和控制模块、LED光斑转换及荧光采集模块、触摸屏液晶显示和控制 模块。设置发光二极管稳流驱动电路控制发光二极管光源稳定性，采用柱面镜等透镜组件将LED发散光源转换为线光源利于光斑与微通道对准，采用荧光收集透镜、滤光片和针孔等进行荧光信号高效采集和降低背景光，程控高压直 流电源的工作顺序和时间自动控制微流控生化分析过程，并由液晶触摸屏实 现检测过程的控制、数据显示处理和打印输出。下面分别介绍这三个部分第一部分，微流控分析和控制模块，主要是由微流控芯片、安置和定位微 流控芯片的芯片台和对微流控芯片供电的高压直流电源等组成。其中，微流控芯片选择石英或聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基片材料，采用微加工工艺制作完成。芯片台按照芯片的标准尺寸进行设计和制造，可以很好地放置、 定位和取下微流控芯片。选择铂金属丝作为高压直流电源电极连接，电极集 成在一块电路板上，可以通过插拔方式与生化分析仪连接或分离，方便电极 布局的调整。为了满足集成化和便携式的要求，生化分析仪的高压直流电源选用集成模块式电源。通过EMCO公司Q系列高压直流电源模块将低压转 换为高压，高压直流电源模块为毛细管电泳芯片提供进样和分离高压，利用 继电器工作实现进样高压与分离高压之间的切换。第二部分，LED光斑转换及荧光采集模块，主要由LED光源、LED驱动 电路、准直透镜Fraen、柱面透镜、半反半透镜、聚焦和荧光收集透镜、滤 光片、限光针孔和光电倍增管等组成。根据待检荧光染料和检测所需的灵敏 度要求选择合适波长和功率的LED光源激发荧光。设计的LED驱动电路和 散热装置为LED工作提供稳定的电流，使LED光源稳定以满足高灵敏度检 测的要求。根据LED发出的光束特性设计和配置准直透镜、柱面透镜等透镜 组件实现发散光斑转换为线光斑并与微管道垂直交叉，满足聚焦、对准和激 发荧光的要求，这有利于提高仪器的分离度。激发出的荧光由物镜收集，再 经过带通滤波片和限光针孔滤去背景光，最后由高灵敏度的光电倍增管 (PhotoMultiplier Tube， PMT)将荧光信号转换为电信号。整个光学元件模 块封闭在一个暗盒中，在暗盒上面制作了一个光滑的金属平台作为芯片台， 易于操作。第三部分，触摸屏液晶显示和控制模块，主要由低压电源模块、主控制电路板、液晶显示屏、触摸屏、打印机和USB存储接口芯片等部分依此连接组 成。高性能的低压直流电源提供稳定且纹波系数小的电压，以满足LED光源 和PMT检测的要求，使生化分析仪能够达到高灵敏度检测。主控制板上集 成了 D/A转换电路和A/D采集电路。通过D/A转换电路，输出两路0~5V的 电压分别控制进样电压和分离电压，输出0~1V的电压调节PMT的灵敏度。 LED诱导激发的荧光通过系列光学器件后，经PMT输出电流信号。所述的 电流信号通过I/V电路转换为电压信号，该电压信号再经低通滤波电路滤除 噪声，然后通过后置放大电路放大，最后通过A/D转换得到数字信号。单片 机对数字信号进行处理，并以图形的形式将结果显示在液晶上。单片机通过 SPI串口与液晶显示屏和触摸屏进行通信，可在液晶显示屏上显示菜单和检 测结果图形，通过触摸屏可设定参数进行检测。单片机通过I力总线与USB 接口芯片进行通信，通过USB接口可将数据传送至存储设备中。通过微型打 印机可将检测结果图形打印出来。软件程序控制系统的有序工作，系统软件 设计包括单片机的初始化、PMT信号采集程序、可调高压的控制程序、结果 存储和打印程序、液晶显示屏和触摸屏的驱动程序以及菜单和结果显示的程 序等。本发明阐述的生化分析仪的性能特点本发明的检测装置选用波长为470nm的高功率蓝光LED为光源，能激 发多种荧光试剂，从而扩大可检测样品的种类。LED的发射光经过透镜准直， 柱面镜光斑转换再经透镜聚焦后，垂直照射到微流控芯片的微管道上，该线 光源激发微管道中的荧光物质产生荧光，经荧光收集透镜充分收集，经过滤 光片和针孔消除本体光及焦点外的杂散光，由光电倍增管接收转换为电信号， 该信号由数据采集卡接收后并处理，确定待测样品的种类和含量，最后将结 果曲线图显示在液晶屏上。本发明的生化分析仪由触摸屏和液晶提供人机交 互平台，用户可以编辑实验所需参数，实时显示样品信号的电泳图形、处理 和存储，以及打印输出。本发明的生化分析仪中的LED发散光束经系列透镜和柱面镜等光学组 件转换为满足检测要求的线光源，该光源取自光束能量最大的中心区域，能 减小光束能量被削弱的影响，线性光源与芯片上的微管道垂直交叉，有利于 光斑与微管道的对准，也避免直接用光束照射管道上引起的信号重叠，在实 际使用中，可以直接通过肉眼观察，将芯片上的微管道放置在狭缝出光口即 可，也省去了利用三维可动平台进行仔细对准的过程。同时激发产生的荧光 由透镜充分收集，收集效率高，杂散光采用针孔消除，大大提高了检测灵敏 度。本发明阐述的微流控生化分析仪的优点是:采用高功率LED诱导荧光检 测方法结合微流控分析技术，大大减少了仪器的体积和重量，也大大减少了 制造成本，同时微流控分析具有快速、高效等优点，适合于制造形成便携式 仪器，用于现场检测和床边检测(POCT)。
图1为本发明提供的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析仪 的工作原理框图。图2为本发明提供的光路系统模块示意图。图3为本发明提供的液晶显示屏工作界面示意图。图3-l主菜单界面， 图3-2 "检测"界面，图3-3检测结果显示界面。 图中l.主控制电路板、2.低压电源模块、3.触摸屏、4.液晶屏、5.打印机、6.USB 接口存储器、7.1000V高压直流电源模块、8.5000V高压直流电源模块、9丄ED 驱动电路、IO丄ED光源模块、ll.微流控芯片、12.透镜、13.带通滤波片、14. 光电倍增管(PMT)、 15.低通滤波电路、16.放大电路、17.铝基板、18.发光 二极管、19.准直(Fmen)透镜、20柱面境、21半反半透镜、22.聚焦及荧光 收集透镜、23.微流控芯片台、24.滤光片、25.聚焦透镜、26.限光针孔、27. 光路密闭外壳。
具体实施方式
下面结合具体实施例详细阐述本发明的实施过程第一部分，微流控分析和控制模块。其中，微流控芯片11选择优质石英玻璃或聚二甲基硅氧垸(PDMS)聚合物作为基片材料，采用微加工工艺制作完成，主要包括光刻、显影和键合等工艺。利用车床和冲孔装置制作了芯片台，选择铂金属丝作为高压电源电极连接。生化分析仪的低压电源模块2 由Victor公司的AC/DC和DC/DC构成，输出12V直流电压。低压电源模块 2为主控制电路板1、 LED驱动模块9和光电倍增管14提供12V直流电压。 两个高压电源模块最高输出1000V的高压直流电源模块7(EMCO， Q10-5) 和最高输出5000V的高压直流电源模块8 (EMCO， Q50-5)，前者用于样品 进样，后者用于样品分离。主控制电路板1通过两路D/A输出0 5V电压， 分别调控1000V高压直流电源7和5000V高压直流电源8。第二部分，LED光斑转换及荧光采集模块。光源采用波长为470nm的蓝 光LED 18 (LUXEON Rebel系列)，波谱范围为460~490nm。 Fraen公司 FHS-HNB1系列的透镜1用以减少LED发散，使其达到6度左右。Zetex半 导体公司的ZXLD1350芯片作为LED驱动芯片，LED驱动电路9可为LED 提供稳定的工作电流，使LED发出的光更加稳定。发光二极管LED18固定 在铝基板17上，这样可以更快地散热，不影响LED的发光性能。FHS系列 透镜19也固定在铝基板17上，这样经过透镜的光线的发散角减小到6度。 LED光再经柱面镜20转换成线光源、半反半透镜21，聚焦和荧光收集透镜 22后聚焦在芯片台23上微流控芯片11的微管道上，激发产生的荧光经22 收集，21反射，滤光片24、透镜25和针孔26聚焦并滤去杂散光，由光电倍 增管14收集并转换为电信号。整个光学元件采用同心柱设置和固定，由光路 密闭外壳封闭形成一个暗盒。在暗盒上面制作了一个光滑的金属平台作为芯 片台。其中，发光二极管选用波长为470nm的高功率蓝光为光源，蓝光光源的 波谱范围为460nm—490nm，发光二极管和FHS-HNB系列透镜均固定在铝 基板上，使经过透镜的光线发散角减少到6度，再经过准直透镜和聚焦透镜 光线聚焦成微小光斑。聚焦后的光斑尺寸为80微米宽，3毫米长。第三部分，触摸屏液晶显示和控制模块。主控制电路1通过3路D/A输 出，分别调节控制1000V高压电源7、 5000V高压电源8的输出电压和光电 倍增管14的灵敏度。光电倍增管14采集荧光信号并将其转换成电信号，对 检测区域的荧光信号强度进行实时采集。从PMT出来的电信号比较微弱， 首先经过低通滤波电路15滤出背景噪声，然后经放大电路16将信号放大， 最后信号进入主控制电路1的A/D通道。单片机对A/D转换的数字信号进行 处理，最后可将图形结果显示在液晶屏4上。触摸屏3提供人机交互方式， 可以设置生化分析仪器使用的各种检测参数。样品检测的数据结果以曲线的 形式在液晶4上实时图形化显示，可以让检测人员检测整个样品的电泳分析 过程。用户界面中的图像检测窗口可以随时实时的监控微管道中样品的分离 情况各电极的电压值，进样时间、分离时间和剩余时间，便于掌控整个实 验过程的每一步，以确定电泳条件的有效性。通过触摸屏上的"打印"可将 结果图形通过打印机5打印出来，通过"存储"可将数据存储到U盘或移动 存储设备6中。系统软件设计包括单片机初始化、A/D和D/A程序、打印存 储程序、触摸屏夜晶显示程序、USB驱动、液晶驱动和触摸屏驱动。各模块完成后，将各模块组合连成整个系统。组装时考虑下列几个因素1) LED光源位置的布局；2) 光学元件的布局；3) 光电倍增管的使用特性，尽量避免背景光的影响；4) 各个模块布局合理，仪器结构紧凑，仪器更加微型化。仪器在使用过程中，操作人员只需将装有样品的芯片放入检测区，然后 设置参数即可。
权利要求
1、一种高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析仪，其特征在于所述的微流控生化分析仪是由微流控分析和控制模块、发光二极管光斑转换和荧光收集模块和触摸屏液晶显示控制模块三部分组成，设置发光二极管稳流驱动电路控制发光二极管光源稳定性，采用柱面镜等透镜组件将LED发散光源转换为线光源利于光斑与微通道对准，采用荧光收集透镜、滤光片和针孔等进行荧光信号高效采集和降低背景光，程控高压直流电源的工作顺序和时间自动控制微流控生化分析过程，并由液晶触摸屏实现检测过程的控制、数据显示处理和打印输出。
2、 按权利要求1所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于所述的微流控分析和控制模块是由微流控芯片、芯片台和高 压直流电源组成，其中，微流控芯片选择石英或聚二甲基硅氧烷作为基片材 料；芯片台按照芯片的标准尺寸进行设计和制造，放置、定位和取下微流控 芯片；选择铂金属丝作为高压直流电源的电极连接，电极集成在一块电路板 上，通过插拔方式与生化分析仪连接或分离。
3、 按权利要求2所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于所述的高压直流电源选用集成模块式电源，通过EMCO公司 的Q系列高压电源模块将低压转换成高压。
4、 按权利要求2或3所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化 分析仪，其特征在于所述高压直流模块为毛细管电泳芯片提供进样和分离电 压，用继电器实现进样高压和分离高压之间的切换。
5、 按权利要求1所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于所述的发光二极管光斑转换和荧光收集模块由发光二极管光 源、发光二极管驱动电路、准直透镜、柱面镜、半反半透镜、聚焦和荧光收 集透镜、滤光片、限光针孔和光电倍增管依次光学连接组成；其中，发光二 极管选用波长为470nm的高功率蓝光为光源，发光二极管发出的光经准直透 镜和柱面镜转换成线光源，经聚焦后与微流控芯片中的微管道垂直交叉，线光源向上垂直会聚在微流控芯片的管道上并激发其中的荧光物质，激发出的 荧光由物镜收集，由半反半透镜发射，再经过带通滤波片和针孔滤除背景光， 最后由光电倍增管将荧光信号转换为电信号。
6、 按权利要求5所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析仪，其特征在于所述的蓝光光源的波谱范围为460nm 490nm;所述的准直透 镜为Fraen公司的FHS-HNB1系列；发光二极管和FHS-HNB1透镜均固定在 铝基板上，使经过透镜的光线发散角减少到6度，再经过准直透镜和聚焦透 镜光线聚焦成微小光斑。
7、 按权利要求5所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于由柱面镜、半反半透镜、滤波片、透镜、光电倍增管及相应 的支架组成光学元件模块封闭在一个暗盒中，在暗盒上方制作一个光滑的金 属平台作为芯片台，出射狭缝嵌入这一平台上。
8、 按权利要求5所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于聚焦后的光斑尺寸为80微米宽、3毫米长。
9、 按权利要求1所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析 仪，其特征在于所述的触模屏液晶显示和控制模块是由低压电源模块、主控 制电路板、液晶显示屏、触模屏、打印机和USB存储接口芯片依次连接；主 控制上集成D/A转换电路和A/D采集电路，通过D/A转换电路输出两路0 —5V的电压分别控制进样电压和分离电压；输出0 — 1V的电压调节PMT的 灵敏度。
10、 按权利要求9所述的高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分 析仪，其特征在于USB存储接口芯片通过fC总线与单片机进行通信，通过 USB接口将数据送至存储设备中。
全文摘要
本发明涉及一种高功率发光二极管诱导荧光检测微流控生化分析仪，其特征在于所述的微流控生化分析仪是由微流控分析和控制模块、发光二极管光斑转换和荧光收集模块和触摸屏液晶显示控制模块三部分组成，设置发光二极管稳流驱动电路控制发光二极管光源稳定性，采用柱面镜等透镜组件将LED发散光源转换为线光源利于光斑与微通道对准，采用荧光收集透镜、滤光片和针孔等进行荧光信号高效采集和降低背景光，程控高压直流电源的工作顺序和时间自动控制微流控生化分析过程，并由液晶触摸屏实现检测过程的控制、数据显示处理和打印输出。本发明采用高功率LED诱导荧光检测方法结合微流控分析技术，降低了仪器的体积和重量，以及降低成本。
文档编号G01N33/53GK101231244SQ20081003360
公开日2008年7月30日 申请日期2008年2月15日 优先权日2008年2月15日
发明者唐向荣, 廖锡昌, 张宏莲, 赵建龙, 金庆辉 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所;宁波瑞芯生物科技有限公司