一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀的製作方法

2023-05-26 10:54:31

專利名稱：一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微流控晶片分析儀技術領域，具體涉及一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀。
背景技術：
目前，微流控晶片技術正在快速發展，它是一種把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶片上，自動完成分析全過程的技術，它在生物、化學、醫學等領域有著巨大的應用潛力。晶片分析儀主要由兩部分組成:一是動力源。廣義的動力源包括電、磁、聲、光、熱，現階段仍以電源為主，電源提供包括流體驅動在內的各種動力。二是檢測器，檢測器則用於捕捉微流控晶片產生的信號。檢測器是微流控晶片實驗室的重要組成部分，最常用的是雷射誘導螢光檢測器，此外還有紫夕卜、電化學、質譜、化學發光、拉曼光譜檢測器等。其中拉曼光譜是一種免標記的、無損的、高信息量(指紋光譜)的檢測方式，而且方便與其他檢測手段聯用，如質譜等。拉曼光譜是一種對樣品種類進行分析的非常有效的手段。如果配合表面增強技術，甚至可以實現單分子水平的檢測，因此它還是一種高靈敏的檢測手段。拉曼光譜是微流控晶片分析技術中一個很有潛力的發展新趨勢。目前市場上的微流控晶片分析儀器品種比較少，在中國市場上能見到的僅有的兩種均採用雷射誘導螢光檢測，有很大的局限性。其中一種是加拿大Albert大學派生出的Micralyne公司生產的名為Microfluidic Tool Kit的儀器，其聚焦為手動式；另一種是Agilent公司的Bioanalyzer2100,其晶片、電極以至試劑盒均為固定模式，不能調節變更，更適用於固定檢測項目的應用。拉曼光譜可以提供比螢光檢測更多的信息，是一種分子指紋光譜，在分析物質種類等方面有著明顯的優勢，但是目前沒有一臺商品化的、可以檢測拉曼信號的微流控晶片分析儀，這就限制了拉曼光譜技術在微流控晶片系統上的應用。目前用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀還停留在實驗室研究階段，適用於各種微流控晶片檢測的通用型拉曼 晶片分析儀還未見報導。如St Andrews大學研製的和文獻(OpticsExpressl87642)報導的用拉曼光譜檢測的微流控晶片生物分析儀都是將檢測部件固定到晶片上，不便於調節和變更晶片，不適用於通用型實驗室。而傳統的大型顯微拉曼光譜儀作為通用型儀器，不適合直接對微流控晶片進行檢測。因為大型顯微拉曼光譜儀的檢測對象一般為粉末或者玻璃管中的液體，一般採用正置的背反射檢測方式，但這樣的結構不適合用於微流控晶片的檢測及相關技術的開發。因為微流控晶片上表面需要布置一些管路來將待分析物注入和輸出，如果採用正置的背反射的檢測方式，顯微鏡頭與管路會相互碰撞而影響檢測。因此倒置檢測的結構更適合進行拉曼光譜的激發和檢測，即從微流控晶片的底面來進行檢測就可以避免上述問題。對於光纖拉曼探頭式的光譜儀，雖然可以實現探頭的位置和檢測方向的靈活控制，卻不能顯微成像，無法精確定位到晶片上微米級的檢測區域。另外，傳統的拉曼光譜儀都是通過移動樣品臺來改變樣品與物鏡的位置來實現定位和聚焦等功能，但這不適合於微流控晶片。因為晶片上可能會連接一些剛性的和不易彎曲的管路或者光纖等其他結構，移動晶片位置在操作上有一定的困難，甚至有些微流控晶片是固定在其他模塊上，根本無法移動。因此在微流控晶片上進行拉曼檢測最好能保證晶片位置固定，通過檢測探頭的移動來實現定位和聚焦。微流控晶片發展的目的是為了實現實驗室晶片化，一種可移動的晶片分析儀對於該技術發展很有必要，而大型顯微拉曼光譜儀都不可移動，無法現場檢測。微流控晶片作為一種特殊的「樣品」，目前通用型的拉曼光譜儀都無法方便、有效的對其進行分析，開發一臺通用型的用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀將對微流控晶片技術的發展很有必要。因此，除傳統的靈敏度、解析度及穩定性等參數需要滿足要求外，為方便在微流控晶片上檢測拉曼信號，微流控晶片分析儀中的拉曼檢測器還需要滿足以下技術要求:(I)檢測探頭與微流控晶片分離，且在微流控晶片上採用倒置檢測拉曼光譜的方式，(2)可對微流控晶片顯微成像，(3)微流控晶片位置固定，檢測探頭可在XYZ方向實現精細微調和定位，(4)集成化，便於移動，可用於現場檢測。微流控晶片技術是當前微全分析系統領域發展的重點，是未來分析和檢測發展的方向。它的目標是實現實驗室晶片化及「個人化驗室」。設計一種方便的、有效的，採用拉曼光譜檢測的通用型晶片分析儀器是推動該技術發展的重要工具。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種通用型的應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀，是專門為在微流控晶片上檢測被分析物的拉曼光譜而設計開發的分析儀器，微流控晶片分析儀由與微流控晶片分離的光路模塊和調節光路模塊的三維自動位移定位臺組成，實現了在微流控晶片上精確定位和對樣品的拉曼光譜進行檢測。具有(I)檢測探頭與微流控晶片分離，且在微流控晶片上採用倒置檢測拉曼光譜的方式，(2)可對微流控晶片顯微成像，(3)微流控晶片位置固定，檢測探頭可在XYZ方向實現精細微調和定位等主要技術特徵。光路模塊和三維自動位移定位臺均置於具有外殼的儀器框架內，待測微流控晶片固定於儀器框架的上表面，實現了集成化，便於移動。該裝置各個參數均滿足在微流控晶片進行拉曼檢測的要求，而且體積小，成本低，是一種新型的可移動式的微流控晶片分析儀，在該領域有著重要的應用潛力 和商品市場。光路模塊包括倒置的顯微成像光路和倒置的拉曼光譜檢測光路。顯微成像光路由白光光源、會聚透鏡和CXD組成；拉曼光譜檢測光路由雷射器、濾光片、會聚透鏡和模塊化光譜儀組成。由雷射器發出的激發光經濾光片、會聚透鏡後，在三維自動位移定位臺的控制下，由微流控晶片的下表面定位和聚焦到微流控晶片中的樣品上，激發樣品的拉曼信號由模塊化光譜儀進行收集，從而實現對待測微流控晶片(3)中樣品的拉曼光譜檢測；由白光光源發出的白光經會聚透鏡會聚後，同樣由微流控晶片的下表面照射到微流控晶片上，反射光由C⑶成像；照射到微流控晶片下表面的雷射光斑也由CXD成像。結合顯微成像光路，可以用外部計算機通過程序控制三維自動位移定位臺的移動，實現雷射在微流控晶片表面任意位置的精確定位和聚焦，進而實現光譜儀、CCD的協調工作。本實用新型結構緊湊，儀器的解析度、靈敏度等指標均可以滿足在微流控晶片上進行拉曼光譜檢測的需要，採用本實用新型所述設計，將會方便在各種微流控晶片上進行拉曼光譜的檢測，從而對晶片內的樣品進行識別和分析。本實用新型具有以下有益特徵:(I)本實用新型拉曼檢測探頭與微流控晶片分離，適用於各種微流控晶片，晶片更換方便，對晶片無特殊加工和處理的要求，通用性強。(2)本實用新型拉曼檢測器採用的倒置檢測結構有利於避免晶片上方檢測的結構所遇到的管路阻擋問題，方便微流控晶片拉曼光譜的檢測及微流控晶片的設計。(3)可顯微成像有利於實現在複雜結構的微流控晶片上精確的定位和測量，使儀器具有通用性。(4)用固定樣品臺移動檢測探頭的設計可以避免移動微流控晶片時管路等的幹擾。(5)實現了集成化，便於移動，可用於現場檢測。


[0009]下面將結合附圖和結合具體實施例詳細說明本實用新型所述的檢測方法和裝置，但不限於所提的這幾種方法和裝置。[0010]圖1:本實用新型實施例1所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀的整體結構示意圖；[0011]圖2:本實用新型實施例2所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀中光路1旲塊的正視圖；[0012]圖3:本實用新型實施例2所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀中計算機控 制三維自動位移定位臺的操作流程圖；[0013]圖4:本實用新型實施例2所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀中拉曼檢測探頭結構示意圖；[0014]圖5:本實用新型實施例3所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀中光路1旲塊的正視圖；[0015]圖6:本實用新型實施例3所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀檢測的微流控晶片通道內經典銀溶膠增強的對巰基苯胺分子的表面增強拉曼光譜。
具體實施方式
[0016]實施例1:[0017]圖1為根據本實用新型構思設計的一種微流控晶片分析儀的整體示意圖，包括晶片動力源16和微流控晶片分析儀組成。晶片動力源16為採用壓力進樣的連續注射泵或者是採用電壓夾流進樣的高壓電極。倒置的拉曼光譜檢測光路及倒置的顯微成像光路集成到光路模塊I中，光路模塊I固定到三維自動位移定位臺2上，光路模塊I和三維自動位移定位臺2置於具有外殼的儀器框架4內，待測微流控晶片3固定於儀器框架4的上表面，從而實現倒置拉曼光譜檢測、倒置顯微成像和檢測雷射精確定位等技術要求。[0018]實施例2:[0019]圖2為根據本實用新型構思設計的一種具體結構的光路模塊I示意圖。該光路由拉曼光譜檢測光路和顯微成像光路兩部分組成，為結構緊湊，在進行拉曼光譜檢測時，中性半透半反透鏡81、82由轉換器12切換到光路之外。由雷射器5 (可選用BWTEK公司的BRM785雷射器)產生的雷射經凸透鏡61後擴束或變成平行光，經過濾光片71濾掉除雷射以外的雜散光；再經長通雙色濾光片72 (785nm波長反射，785nm以上波長透過)將雷射反射，反射的雷射通過第一近紅外反射鏡152後由水平光路轉變為豎直光路，然後經物鏡62的下表面聚焦到微流控晶片3中的樣品上；所激發樣品的拉曼信號(波長大於785nm)由物鏡62收集，由第一近紅外反射鏡152將豎直光路轉變為水平光路，再經過長通雙色濾光片72和長通濾光片73後濾掉瑞利散射光，最後經透鏡63聚焦到模塊化光譜儀10中，完成拉曼光譜的激發及檢測；當進行顯微成像時，中性半透半反透鏡81、82由轉換器12切換到光路之內，由白光光源11發射出的照明光經透鏡64聚焦、經半透半反透鏡81反射、經半透半反透鏡82、再經第一近紅外反射鏡152反射將水平光路轉變為豎直光路後會聚到物鏡62的後焦平面上，經物鏡62後變成平行光均勻的照射到微流控晶片3的下表面；反射光經物鏡62變為平行光，通過第一近紅外反射鏡152將豎直光路轉變為水平光路後，經半透半反透鏡82反射，再經成像透鏡65成像到(XD9上。同時雷射照射到微流控晶片3下表面所成的像也經同一光路成像到(XD9上，在(XD9中的圖像是由微流控晶片的顯微圖像和雷射照明光斑組成。上述整個光路除了物鏡62和微流控晶片3外，其餘部件均位於同一水平平面內，物鏡62和微流控晶片3位於與該水平平面垂直的豎直平面內；長通雙色濾光片72、半透半反透鏡81、82，第一近紅外反射鏡152均與入射光成45°角設置。[0020]圖3為計算機控制三維自動位移定位臺2的流程圖。主要流程為:在計算機上的Labview主程序所產生的控制指令經過USB數據線傳送到數據檢測卡中，數據檢測卡產生驅動信號控制步進電機驅動器產生驅動電流，驅動三維自動位移定位臺2 (VERTEX五相步進電機平移臺)的步進電機運動，從而實現三維自動位移定位臺的控制。結合顯微成像系統，可以用外部計算機實現在微流控晶片表面任意位置的精確定位和聚焦。位移臺移動最小距離為1.2微米，滿足在微流控晶片上的精確定位的要求。[0021]圖4為本實用新型中微流控晶片分析儀的探頭部分示意圖。探頭部分與微流控晶片3是分離的，通用性強。待測樣品13位於微流控晶片3內部的通道內，長工作距離的物鏡62將雷射聚焦到微流控晶片3內部通道的樣品13中，從而有效的激發和檢測樣品的拉曼信號。[0022]實施例3:[0023]圖5根據本實用新型設計的另一個光路模塊I的俯視圖，整個光路集成為一個光路模塊並安裝在XYZ三軸自動位移定位臺2上。為實現結構緊湊和便於光路調節的目的，本實施例在圖2的基礎上添加了第二近紅外反射鏡151、第三近紅外反射鏡153和第四近紅外反射鏡154 (反射率95%以上)。該光路同樣包括顯微成像光路及拉曼光譜激發和檢測光路兩部分。[0024]在進行拉曼光譜的激發和檢測時，半透半反透鏡81、82由轉換器12切換到光路之夕卜。由發射波長為785nm的半導體雷射器5產生的雷射經光纖14 (芯徑100微米，透過波長為可見近紅外波段，數值孔徑0.22)傳輸，後經過透鏡61 (d=12.7, f=25，d為直徑，f為焦距，單位是毫米)變成平行光，經過濾光片71 (透過波長785nm)濾掉除雷射以外的雜散光；再經第二近紅外反射鏡151、長通雙色濾光片72、第一近紅外反射鏡152三次反射後由水平光路轉變為豎直光路，經物鏡62 (放大倍數10倍，數值孔徑0.22，長工作距離復消色差物鏡)聚焦到待測微流控晶片3中的樣品上；所激發樣品的拉曼信號由物鏡62收集，經第一近紅外反射鏡152將豎直光路轉變為水平光路，經長通雙色濾光片72後由第四近紅外反射鏡154和第三近紅外反射鏡153兩次反射，然後再經長通濾光片73濾掉瑞利散射光，最後經透鏡63 (d=12.7，f=25)聚焦到模塊化光譜儀10 (BWTEK112E光譜儀)中，完成拉曼光譜的激發和檢測。[0025]當進行顯微成像時，半透半反鏡81、82由轉換器12切換到光路之內。顯微成像系統包括照明光路和成像光路。照明光路採用柯勒照明系統:由白光光源11 (發光二極體)發射出的照明光經透鏡64 (d=25.4，f=50)聚焦、經半透半反透鏡81反射、經半透半反透鏡82、再經第一近紅外反射鏡152反射將水平光路轉變為豎直光路後會聚到物鏡62的後焦平面上，經物鏡62後變成平行光均勻的照射到微流控晶片3的下表面；反射光經物鏡62變為平行光，通過第一近紅外反射鏡152將豎直光路轉變為水平光路後，經半透半反透鏡82反射，再經成像透鏡65 (d=25.4，f=150)成像到(XD9上。同時雷射照射到微流控晶片3下表面所成的像也經同一光路成像到(XD9上，在(XD9中的圖像是由微流控晶片的顯微圖像和雷射照明光斑組成。[0026]上述整個光路除了物鏡62和微流控晶片3外，其餘部件均位於同一水平平面內，物鏡62和微流控晶片3位於與該水平平面垂直的豎直平面內；長通雙色濾光片72、半透半反透鏡81、82，第二近紅外反射鏡151、第一近紅外反射鏡152與入射光成45°角設置,第三近紅外反射鏡153、第四近紅外反射鏡154與入射光成22.5°角設置。[0027]圖6為根據本實施例由光譜儀10檢測的微流控晶片通道內的經典銀溶膠(J.Phys.Chem.1982，86，3391所述方法獲得)增強的對巰基苯胺分子的表面增強拉曼光譜。微流控晶片動力源為連續注射泵，與微流控晶片一同安裝在儀器框架4的上表面。將濃度為10_5摩爾每升的對巰基苯胺分子與經典銀溶膠按體積比1:9混合後再一起泵入微流控晶片的通道中，並用本實用新型所設計的裝置檢測銀溶膠增強的對巰基苯胺分子的拉曼信號。雷射的激發波長為785納米，光強為30mW，積分時間10秒。圖中較強的峰強度證明此裝置滿足在微流控晶片上檢測低濃度樣品的要求，即儀器的靈敏度達到了要求。此外圖中各拉曼峰可以清晰的分開，證明此裝置的波長解析度滿足在微流控晶片上檢測拉曼光譜的要求。從圖中1585、1443、1385、1072波數等譜線可以分析出此檢測物為對巰基苯胺。因此，此實施例表明本實用 新型可以勝任微流控晶片中低濃度樣品種類的分析和識別。
權利要求1.一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀，其特徵在於:由與微流控晶片(3)分離的光路模塊(I)和調節光路模塊(I)的三維自動位移定位臺(2 )組成；光路模塊(I)和三維自動位移定位臺(2)置於具有外殼的儀器框架(4)內，待測微流控晶片(3)固定於儀器框架(4)的上表面；光路模塊(I)包括倒置的顯微成像光路和倒置的拉曼光譜檢測光路。
2.如權利要求1所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀，其特徵在於:拉曼光譜檢測光路由雷射器(5)、濾光片、會聚透鏡和模塊化光譜儀(10)組成；顯微成像光路由白光光源、會聚透鏡和CCD組成；由雷射器(5)發出的激發光經濾光片、會聚透鏡後，在三維自動位移定位臺(2)的控制下，由待測微流控晶片(3)的下表面定位和聚焦到微流控晶片中的樣品上，激發樣品的拉曼信號由模塊化光譜儀(10)進行收集，從而實現對待測微流控晶片(3)中樣品的拉曼光譜檢測；由白光光源(11)發出的白光經會聚透鏡會聚後，同樣由待測微流控晶片(3)的下表面照射到微流控晶片上，反射光由CXD (9)成像，照射到微流控晶片下表面的雷射光斑也由(XD (9)成像。
3.如權利要求1所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀，其特徵在於:拉曼光譜檢測光路由雷射器(5)、凸透鏡(61)、濾光片(71)、長通雙色濾光片(72)、第一近紅外反射鏡(152 )、物鏡(62 )、長通濾光片(73 )、透鏡(63 )和模塊化光譜儀(10 )組成，由雷射器(5)產生的雷射經凸透鏡(61)後變成平行光，經過濾光片(71)濾掉除雷射以外的雜散光；再經長通雙色濾光片(72)將雷射反射，反射的雷射通過第一近紅外反射鏡(152)後由水平光路轉變為豎直光路，然後經物鏡(62)的下表面聚焦到微流控晶片(3)中的樣品上；所激發樣品的拉曼信號由物鏡(62)收集，由第一近紅外反射鏡(152)將豎直光路轉變為水平光路，再經過長通雙色濾光片(72)和長通濾光片(73)後濾掉瑞利散射光，最後經透鏡(63)聚焦到模塊化光譜儀(10)中，完成拉曼光譜的激發及檢測；當進行顯微成像時，中性半透半反透鏡(81、82)由轉換器(12)切換到光路之內，由白光光源(11)發射出的照明光經透鏡(64)聚焦、經半透半反透鏡(81)反射、經半透半反透鏡(82)、再經第一近紅外反射鏡 (152)反射將水平光路轉變為豎直光路後會聚到物鏡(62)的後焦平面上，經物鏡(62)後變成平行光均勻的照射到微流控晶片(3)的下表面；反射光經物鏡(62)變為平行光，通過第一近紅外反射鏡(152)將豎直光路轉變為水平光路後，經半透半反透鏡(82)反射，再經成像透鏡(65)成像到CXD (9)上；同時雷射照射到微流控晶片(3)下表面所成的像也經同一光路成像到CXD (9)上，在CXD (9)中的圖像是由微流控晶片的顯微圖像和雷射照明光斑組成；上述整個光路除了物鏡(62 )和微流控晶片(3 )外，其餘部件均位於同一水平平面內，物鏡(62)和微流控晶片(3)位於與該水平平面垂直的豎直平面內；長通雙色濾光片(72)、半透半反透鏡(81、82 )、第一近紅外反射鏡(152)均與入射光成45 °角設置。
4.如權利要求3所述的一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀，其特徵在於:在拉曼檢測光路中增加光纖(14)、第二近紅外反射鏡(151 )、第三近紅外反射鏡(153)和第四近紅外反射鏡(154);由雷射器(5)產生的雷射經光纖(14)傳輸，後經過透鏡(61)變成平行光，經過濾光片(71)濾掉除雷射以外的雜散光；再經第二近紅外反射鏡(151)、長通雙色濾光片(72)、第一近紅外反射鏡(152)三次反射後由水平光路轉變為豎直光路，經物鏡(62)聚焦到待測微流控晶片(3)中的樣品上；所激發樣品的拉曼信號由物鏡(62)收集，經第一近紅外反射鏡(152)將豎直光路轉變為水平光路，經長通雙色濾光片(72)後由第四近紅外反射鏡(154)和第三近紅外反射鏡(153)兩次反射，然後再經長通濾光片(73)濾掉瑞利散射光，最後經透鏡(63)聚焦到模塊化光譜儀(10)中，完成拉曼光譜的激發和檢測；第二近紅外反射鏡(151)、第一近紅外反射鏡(152)與入射光成45°角設置，第三近紅外反射鏡(153)、第四近 紅外反射鏡(154)與入射光成22.5°角設置。
專利摘要本實用新型屬於微流控晶片分析儀技術領域，具體涉及一種應用拉曼光譜檢測的微流控晶片分析儀。微流控晶片分析儀由與微流控晶片分離的光路模塊和固定光路模塊的三維自動位移定位臺組成，實現了在微流控晶片上精確定位和對樣品的拉曼光譜進行檢測。具有(1)檢測探頭與微流控晶片分離，且在微流控晶片上採用倒置檢測拉曼光譜的方式，(2)可對微流控晶片顯微成像，(3)微流控晶片位置固定，檢測探頭可在XYZ方向實現精細微調和定位等主要技術特徵。該裝置各個參數均滿足在微流控晶片進行拉曼檢測的要求，而且體積小，成本低，是一種新型的可移動式的微流控晶片分析儀，在該領域有著重要的應用潛力和商品市場。
文檔編號G01N21/65GK203117110SQ20122072519
公開日2013年8月7日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者徐蔚青, 李海波, 耿乙迦, 田中群, 徐杼平, 趙冰, 谷玥嬌, 陳剛, 王海龍, 周向華 申請人:吉林大學