导光棒传光无透镜照明成像装置及微流控芯片检测系统的制作方法

本实用新型涉及生物芯片，尤其涉及一种导光棒传光无透镜照明成像装置及微流控芯片检测系统。

背景技术：

生物芯片是20世纪末兴起的先进生物医学测量方法，在一块固相支持物上实现成百上千生物分子的快速、并行、高效检测分析与精准医学分子诊断。生物芯片主要分为微阵列（microarray）芯片和微流控(microfluidics)芯片。微阵列芯片也被称为基因芯片（genechip）或dna芯片（dnachip）。微流控芯片又称微型全分析系统(μtas：micro-separationinminiaturizedtotalanalysissystem)，是把样品制备、生化反应、结果检测等主要功能单元集成到一块芯片上，实现从样本采集到结果报告的集成化、自动化和微小型化，能够自动完成检测分析的全部过程。在实际应用中，微流控芯片目前主要是部分实现微型全分析系统的功能。

荧光标记检测方法是生物芯片检测的常用方法，包括共焦扫描和ccd成像两种类型，采用透镜对光源进行聚焦或准直照明被测对象（如dna碱基），然后利用荧光标记dna碱基，在接受不同波长激发光照射下产生发射荧光，通过滤色片过滤，被光电转换探测器接收，获得感兴趣的生物分子相互结合（杂交）或生物分子数量发生变化的信息。利用多色荧光标记，还可以在一个分析中同时对二个或多个生物样品进行多重分析，大大增加基因表达和突变检测结果的准确性。不过，这种基于透镜对光源进行聚焦或准直照明的方法，不仅结构比较复杂，成本比较高，而且镜片多将导致光信号存在较大的衰减，影响激发光的效率和检测灵敏度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种导光棒传光无透镜照明成像装置及微流控芯片检测系统。

本实用新型提供了一种导光棒传光无透镜照明成像装置，包括成像单元、光源、导光棒、激发滤光片、底部反射匀光密光筒和微流控芯片，所述光源发出的光先经过所述导光棒的传输，再经过所述激发滤光片的过滤后，形成准单色光扩展照明光束，所述准单色光扩展照明光束的一部分直接射入所述微流控芯片，对所述微流控芯片的成像区域进行照明，所述准单色光扩展照明光束的另一部分在所述底部反射匀光密光筒的筒壁的反射下射入所述微流控芯片，对所述微流控芯片的成像区域边缘进行补偿照明，通过成像单元接收被测物体产生的荧光，实现对被测物体的荧光成像。

作为本实用新型的进一步改进，所述导光棒无缝靠近所述光源的发光面，直接接收从所述光源发出的光。

作为本实用新型的进一步改进，所述光源、导光棒之间设有非球面镜，所述光源通过非球面镜与所述导光棒耦合，所述光源产生的光先经所述非球面镜聚光后，耦合进入所述导光棒传输，再经过所述激发滤光片过滤，形成准单色光扩展照明光束。

作为本实用新型的进一步改进，所述激发滤光片、底部反射匀光密光筒之间设有分束镜，所述激发滤光片过滤后形成的准单色光扩展照明光束射入所述分束镜，被所述分束镜反射，一部分直接射入所述微流控芯片，另一部分在所述底部反射匀光密光筒的筒壁的反射下射入所述微流控芯片。

作为本实用新型的进一步改进，所述分束镜反射出的光垂直射入所述微流控芯片，所述微流控芯片反射出的光被所述分束镜的二向色选通功能所截止，不会再透过所述分束镜进入成像单元。

作为本实用新型的进一步改进，所述激发滤光片过滤后形成的准单色光扩展照明光束从侧向射入所述微流控芯片。

作为本实用新型的进一步改进，所述光源连接有散热片，所述成像单元、底部反射匀光密光筒、微流控芯片同轴设置，所述底部反射匀光密光筒位于所述成像单元、微流控芯片之间，所述光源、导光棒、激发滤光片位于所述微流控芯片的侧边。

作为本实用新型的进一步改进，所述底部反射匀光密光筒位于所述微流控芯片的正上方，所述底部反射匀光密光筒的上层部分为消光区，所述底部反射匀光密光筒的下层部分为反射区，所述准单色光扩展照明光束的另一部分在所述底部反射匀光密光筒的反射区的反射下射入所述微流控芯片。

本实用新型还提供了一种微流控芯片检测系统，包括如上述中任一项所述的导光棒传光无透镜照明成像装置，所述微流控芯片的反应通道底部分别固定核酸检测用的特异基因引物序列，如适合检测耶氏肺孢子虫(pneumocystisjiroveci)的核酸等温扩增分子诊断的特异核酸片段序列：

引物no.1-gtagtgaaatacaaatcggact；

引物no.2-ctgttctgggctgtttcc；

引物no.3-agtgctatacctactatttttaagaggaggatatagctggttttctgc；

引物no.4-tcgagggagtatgaaaatatttatctcaccttatcgcacatagtctga；

引物no.5-ataaacaatttgccaaaacaattttc；

引物no.6-gatatttaatctcaaaataactatttcttaa。

作为本实用新型的进一步改进，所述微流控芯片内部包埋有进行核酸等温或变温扩增检测的生物分子检测探针，所述成像单元包括探测器、成像镜头、发射滤光片，所述成像镜头位于所述探测器、发射滤光片之间，所述微流控芯片检测系统还包括加热膜、温度控制模块、运动控制模块和计算机显示处理器，所述加热膜位于所述微流控芯片的正下方，所述加热膜与所述温度控制模块连接，所述微流控芯片与所述运动控制模块连接，所述温度控制模块、运动控制模块、探测器分别与所述计算机显示处理器连接，所述计算机显示处理器将运动控制信号发送至所述运动控制模块，所述运动控制模块根据接收到的运动控制信号，控制所述微流控芯片做一维或二维平面运动，实现对微流控芯片上不同区域反应通道的检测分析；所述计算机显示处理器将温度控制信号输送至所述温度控制模块，所述温度控制模块根据接收到的温度控制信号控制所述加热膜的温度，满足微流控芯片核酸扩增温度控制条件要求；所述微流控芯片上不同区域反应通道的核酸扩增产物，在光源的激发光照射下产生荧光信号，经过所述发射滤光片过滤，被所述成像镜头会聚在所述探测器上，在经过光电转化后输入进所述计算机显示处理器，并通过所述计算机显示处理器的进一步数字信号处理，将核酸扩增荧光信号以数字或图形的方式进行显示，实现微流控芯片上不同反应通道核酸扩增信号的可视化。

作为本实用新型的进一步改进，所述生物分子检测探针优选为6段引物组成的核酸检测用分子探针，所述微流控芯片6包含6个以上反应通道。

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，采用导光棒传光无透镜照明，结构变得简单，成本低，荧光收集效率比较高，有利于提高微流控芯片检测的准确性和灵敏度。

附图说明

图1是本实用新型一种导光棒传光无透镜照明成像装置的斜入射示意图。

图2是本实用新型一种导光棒传光无透镜照明成像装置的同轴正入射示意图。

图3是本实用新型一种导光棒传光无透镜照明成像装置的照明示意图。

图4是本实用新型一种导光棒传光无透镜照明成像装置的照明示意图。

图5是本实用新型一种导光棒传光无透镜照明成像装置的底部反射匀光密光筒的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种导光棒传光无透镜照明成像装置，包括成像单元、光源2、导光棒3、激发滤光片4、底部反射匀光密光筒5和微流控芯片6，所述光源2发出的光先经过所述导光棒3的传输，再经过所述激发滤光片4的过滤后，形成准单色光扩展照明光束，所述准单色光扩展照明光束的一部分直接射入所述微流控芯片6，对所述微流控芯片6的成像区域进行照明，所述准单色光扩展照明光束的另一部分在所述底部反射匀光密光筒5的筒壁的反射下射入所述微流控芯片6，对所述微流控芯片6的成像区域边缘进行补偿照明，通过成像单元接收被测物体产生的荧光，实现对被测物体的荧光成像。

如图3所示，所述导光棒3无缝靠近所述光源2的发光面，直接接收从所述光源2发出的光。

如图4所示，所述光源2、导光棒3之间设有非球面镜15，所述光源2通过非球面镜15与所述导光棒3耦合，所述光源2产生的光先经所述非球面镜15聚光后，耦合进入所述导光棒3传输，再经过所述激发滤光片4过滤，形成准单色光扩展照明光束。

如图2所示，所述激发滤光片4、底部反射匀光密光筒5之间设有分束镜14，所述激发滤光片4过滤后形成的准单色光扩展照明光束射入所述分束镜14，被所述分束镜14反射，一部分直接射入所述微流控芯片6，另一部分在所述底部反射匀光密光筒5的筒壁的反射下射入所述微流控芯片6。

如图2所示，所述分束镜14反射出的光垂直射入所述微流控芯片6，所述微流控芯片6反射出的光被所述分束镜14的二向色选通功能所截止，不会再透过所述分束镜14进入成像单元。

如图1所示，所述激发滤光片4过滤后形成的准单色光扩展照明光束从侧向射入所述微流控芯片6。

如图1、2所示，所述光源2连接有散热片1，所述成像单元、底部反射匀光密光筒5、微流控芯片6同轴设置，所述底部反射匀光密光筒5位于所述成像单元、微流控芯片6之间，所述光源2、导光棒3、激发滤光片4位于所述微流控芯片6的侧边。

如图1、2所示，所述底部反射匀光密光筒5位于所述微流控芯片6的正上方，所述底部反射匀光密光筒5的上层部分为消光区51，所述底部反射匀光密光筒5的下层部分为反射区52，所述准单色光扩展照明光束的另一部分在所述底部反射匀光密光筒5的反射区52的反射下射入所述微流控芯片6。

如图1、2所示，一种微流控芯片检测系统，包括如上述中任一项所述的导光棒传光无透镜照明成像装置。

所述微流控芯片的反应通道底部分别固定核酸检测用的特异基因引物序列，所述特异基因引物序列采用适合检测耶氏肺孢子虫(pneumocystisjiroveci)的核酸等温扩增分子诊断的特异核酸片段序列：

引物no.1-gtagtgaaatacaaatcggact；

引物no.2-ctgttctgggctgtttcc；

引物no.3-agtgctatacctactatttttaagaggaggatatagctggttttctgc；

引物no.4-tcgagggagtatgaaaatatttatctcaccttatcgcacatagtctga；

引物no.5-ataaacaatttgccaaaacaattttc；

引物no.6-gatatttaatctcaaaataactatttcttaa。

如图1、2所示，所述微流控芯片6内部包埋有进行核酸等温或变温扩增检测的生物分子检测探针，所述生物分子检测探针优选为6段引物组成的核酸检测用分子探针，所述微流控芯片6包含一个以上反应通道，所述成像单元包括探测器（ccd）10、成像镜头9、发射滤光片8，所述成像镜头9位于所述探测器10、发射滤光片8之间，所述微流控芯片检测系统还包括加热膜7、温度控制模块（hcp）13、运动控制模块（mcp）12和计算机显示处理器（ccp）11，所述加热膜7位于所述微流控芯片6的正下方，所述加热膜7与所述温度控制模块13连接，所述微流控芯片6与所述运动控制模块12连接，所述温度控制模块13、运动控制模块12、探测器10分别与所述计算机显示处理器11连接，所述计算机显示处理器11将运动控制信号发送至所述运动控制模块12，所述运动控制模块12根据接收到的运动控制信号，控制所述微流控芯片6做一维或二维平面运动，实现对微流控芯片6上不同区域反应通道的检测分析；所述计算机显示处理器11将温度控制信号输送至所述温度控制模块13，所述温度控制模块13根据接收到的温度控制信号控制所述加热膜7的温度，满足微流控芯片6核酸扩增温度控制条件要求；所述微流控芯片6上不同区域反应通道的核酸扩增产物，在光源2的激发光照射下产生荧光信号，经过所述发射滤光片8过滤，被所述成像镜头9会聚在所述探测器10上，在经过光电转化后输入进所述计算机显示处理器11，并通过所述计算机显示处理器11的进一步数字信号处理，将核酸扩增荧光信号以数字或图形的方式进行显示，实现微流控芯片上不同反应通道核酸扩增信号的可视化。

如图1所示，本实用新型提供了一种优选的无透镜照明方案，即斜入射暗场照明方式，采用导光棒3无缝靠近光源2发光面，直接接收从光源2发出的光，并通过导光棒3传光到照明区域附近；然后以一定发散角（10°～45°）将光扩展开，从被测物体侧向暗场照明被测物体，并利用底部反射匀光密光筒5的筒壁的反射余光，以一定角度（10°～45°）对成像区域边缘进行补偿照明，提高对被测物体侧向暗场照明的均匀性；最后通过成像单元接收被测物体产生的荧光，实现对被测物体的荧光成像，本方案通过底部反射匀光密光筒5将椭圆照明光斑的外围余光反射回来，补充照明微流控芯片6边缘，提高微流控芯片6整个表面照射光的均匀性。

如图1所示，光源2产生的激发光经过导光棒3传输和激发滤光片4过滤后，斜入射照明微流控芯片6，反射光以微流控芯片6垂轴为对称轴，在微流控芯片6垂轴的另一边以相同角度斜入射反射，调整斜入射角度的大小，可以实现在微流控芯片6正上方（垂轴方向）一定范围内没有激发光的反射光，有效降低激发光反射对荧光信号的影响，达到暗场照明的效果。微流控芯片6上不同区域反应通道的核酸扩增产物，在光源2的激发光照射下产生荧光信号，经过发射滤光片8过滤，被成像镜头9会聚在探测器10上，在经过光电转化输入进计算机显示处理器11，并通过计算机显示处理器11的进一步数字信号处理，将核酸扩增荧光信号以数字或图形的方式进行显示，实现微流控芯片6上不同反应通道核酸扩增信号的可视化。

如图2所示，本实用新型还提供了另一种优选的无透镜照明方案，即同轴正入射照明方式，本方案过底部反射匀光密光筒5将椭圆照明光斑的外围余光反射回来，补充照明微流控芯片6边缘，提高微流控芯片6整个表面照射光的均匀性。

如图2所示，光源2产生的激发光经过导光棒3传输和激发滤光片4过滤后，被分束镜14反射，正入射照明微流控芯片6，反射光沿微流控芯片6垂轴对称反回，被分束镜14的二向色选通功能所截止，不会再透过分束镜14进入探测器10。微流控芯片6上不同区域反应通道的核酸扩增产物，在光源2的激发光照射下产生荧光信号，经过分束镜14透射和发射滤光片8过滤，被成像镜头9会聚在探测器10上，在经过光电转化输入进计算机显示处理器11，并通过计算机显示处理器11的进一步数字信号处理，将核酸扩增荧光信号以数字或图形的方式进行显示，实现微流控芯片6上不同反应通道核酸扩增信号的可视化。

如图3所示，导光棒传光无透镜照明的一个优选的实施例为：光源2直接耦合导光棒3，光源2产生的激发光经过导光棒3传输和激发滤光片4过滤后，形成相对均匀的准单色光扩展照明光束。

如图4所示，导光棒传光无透镜照明的另一个优选的实施例为：光源2通过非球面镜15与导光棒3耦合，光源2产生的激发光先经非球面镜15聚光后，然后耦合进入导光棒3传输，再经过激发滤光片4过滤后，形成相对均匀的准单色光扩展照明光束。

如图5所示，为了提高微流控芯片6上不同区域反应通道的激发光照射均匀性，本实用新型设置有一个底部反射匀光密光筒5，通过底部反射匀光密光筒5的上半部消光区51处理，可以有效消除入射照明光路产生的杂散光影响，并进一步通过底部反射匀光密光筒5的下半部反射区52的反射作用，将入射照明光的余光以一定角度（10°～45°）反射折回，补充照明微流控芯片6周围一定范围的边缘区域，可以有效提高微流控芯片6上不同区域反应通道的激发光照明的均匀性，进一步提高微流控芯片6上不同反应通道产生荧光信号的稳定可靠性。

如图5所示，底部反射匀光密光筒5由上半部消光区51和下半部反射区52组成。上半部消光区51的内壁为同心消光环带，并通过黑氧化工艺进行表面处理，可以有效消除入射照明光路产生的杂散光影响。下半部反射区52的内壁为可变角度（10°～45°）扇形反射区，可以采用反射镜，或直接采用金属材料把下半部加工成具有一定反射角度（10°～45°）的光滑内壁，并进行亮白表面处理，可以将入射照明光的余光以一定角度（10°～45°）反射折回，补充照明微流控芯片6周围一定范围的边缘区域，提高微流控芯片6激发光照明的均匀性，从而达到提高微流控芯片6上不同反应通道产生荧光信号的稳定性目的。

本实用新型提供的一种微流控芯片检测系统，其检测过程如下：

1）、根据待检测的若干核酸指标，将相应的核酸检测用分子探针分别固定在微流控芯片6的反应通道底部；

其中，核酸检测用分子探针由6段引物组成，固定在微流控芯片6的反应通道底部，针对不同的核酸指标检测，6段引物被设计成不同t、g、a、c碱基序列顺序和长度的核酸片段，具有对不同种属的病原菌、病毒、微生物、真菌等的特异性检测识别功能；

核酸检测用分子探针可以用低熔点生物相融性材料包埋在微流控芯片mchip的反应通道底部，通过加热膜hf加热在30℃～95℃温度范围内熔化释放出引物，与被测样品和反应试剂混合，进行核酸扩增反应。

核酸检测用分子探针的6段引物适合核酸等温扩增分子诊断分析，其用于检测检测耶氏肺孢子虫(pneumocystisjiroveci)的一组特异核酸片段序列设计结果为：

引物no.1-gtagtgaaatacaaatcggact；

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引物no.3-agtgctatacctactatttttaagaggaggatatagctggttttctgc；

引物no.4-tcgagggagtatgaaaatatttatctcaccttatcgcacatagtctga；

引物no.5-ataaacaatttgccaaaacaattttc；

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2）、将待分析的核酸样品溶入核酸检测用试剂中，采用移液器将已溶入了核酸样品的核酸检测用试剂，从微流控芯片6的各进样孔注入相应的微流控通道；

其中，核酸检测用试剂主要由dntps，evagreen，dtt，bstdnapolymerasebuffer，tris-hcl(ph8.8at25°c)，mgso4，m-mlvreversetranscriptase，rnasinplus，bstdnapolymerase，betaine组成，能够在微流控芯片6上实现核酸样品分子诊断应用，单指标核酸检测的反应体系≤10μl，检测限达到1000个核酸分子拷贝以内。

3）、计算机显示处理器11通过运动控制模块控制12，实现对微流控芯片6不同区域的检测；同时，计算机显示处理器11通过温度控制模块13控制加热膜7，对微流控芯片6进行均匀加热，根据实际应用保持微流控芯片6温度在30℃～95℃温度范围内变化，使微流控芯片6内各反应通道的引物被释放出，并与核酸样品和生物试剂混合，在变温或等温扩增条件下进行核酸扩增反应，实现核酸样品的分子诊断；

4）、采用导光棒传光的无透镜照明方法，将led激发光导入照射微流控芯片6，使微流控芯片6中的核酸样品在激发光的激发下产生荧光，通过发射滤光片8过滤，由成像镜头9收集荧光，汇聚在探测器10上产生模拟信号，探测器10将产生的模拟信号经过数字化转换后，发送给计算机显示处理器11生成实时荧光检测信号，并通过显示器显示荧光检测信号曲线。

核酸检测用分子探针通过表面吸附固定在微流控芯片6上的反应通道底部，或者采用琼脂糖或低聚糖或熔点在30℃～95℃范围内的生物相溶性材料包埋固定在微流控芯片6的反应通道底部。

所述核酸检测用分子探针由6段引物组成，针对不同的核酸指标检测，6段引物设计成不同a、t、g、c碱基序列顺序和长度的核酸片段；核酸检测用试剂主要由dntps，evagreen，dtt，bstdnapolymerasebuffer，ph8.8at25°c的tris-hcl，mgso4，m-mlvreversetranscriptase，rnasinplus，bstdnapolymerase和betaine组成，单指标反应体系≤10μl。

所述导光棒3优选为玻璃棒、塑料棒、石英光纤等，所述光源2优选为led、卤钨灯、激光、日光灯等。

所述分束镜14可以是一定反射透射比的分光平片、棱镜或按照一定波长范围进行选通的二向色镜。

所述加热膜7可以是电阻丝加热或半导体加热。

所述底部反射匀光密光筒5采用上下结构，上层的消光区51为黑色消光环，下层的反射区52为带有一定角度的镜面反射层，可以将照明光斑的外围余光反射回来，补充照明微流控芯片6边缘，提高微流控芯片6整个表面照射光的均匀性。

本实用新型提供的一种导光棒传光无透镜照明成像装置及微流控芯片检测系统，具有以下优点：

（1）、本实用新型由于采用由6段引物组成的核酸检测用分子探针，针对不同的核酸指标检测，6段引物设计成不同a、t、g、c碱基序列顺序和长度的核酸片段，因此具有对不同种属的病原菌、病毒、微生物、真菌等的特异性检测识别功能。

（2）、本实用新型由于采用核酸检测用试剂与被分析的核酸样品混合，能够在微流控芯片mc上实现痕量核酸样品分子诊断应用，实现单指标核酸检测的反应体系≤10μl，检测限达到1000个核酸分子拷贝以内。

（3）、本实用新型由于采用导光棒传光无透镜照明，系统结构变得简单，荧光收集效率比较高。

（4）、本实用新型由于采用底部反射匀光密光筒5，上层黑色消光环可以消除杂散光影响，下层带有一定角度（10°—45°）的镜面反射层，可以将照明光斑的外围余光反射回来，补充照明微流控芯片6边缘，提高微流控芯片6整个表面照射光的均匀性。

本实用新型提供的一种导光棒传光无透镜照明成像装置及微流控芯片检测系统，可以用于临床病原菌分子诊断、食品检验检疫、卫生防疫等领域，具有较大的经济社会效益。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。