CN105784611A - 基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置与方法，具有多个独立的子模块，每个子模块的外壳的上腔室的底板上固定有光度检测接收管、顶板上固定有位于光度检测接收管正上方的光度检测光发射管，检测光发射管和光度检测接收管之间是水平的玻璃载物台，玻璃载物台上表面上置放微流控芯片；主控制器向选择电路模块发送信号，选择各单元主控芯片模块的开始或停止的工作状态，被选择工作的单元主控芯片模块发送控制信号让光度检测光接收模块、光度检测光发射模块和温度传感器开始工作，温度传感器实时检测当前微流控芯片所处环境的温度并反馈给主控芯片模块；每个单元模块可同时单独进行操控，可以实现多芯片的同时试验检测。

Description

基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置与方法

技术领域

本发明涉及光度检测和微流控芯片检测技术，具体是一种基于微流控光度检测的试验装置。

背景技术

光度检测技术又称为分子光谱检测法，是一种光学检测手段，它是利用检测仪器（例如分光光度计）在某一特定波长或一定的波长范围内对被检测物进行吸光度或者是发光强度的检测。光度检测是一种定性或者定量的检测方法，并具有仪器简单、操作方便、检测快速等特点，在实际的材料学、表面化学、物理学以及流体力学等领域有着广泛的应用。

在微流控芯片检测方法中，光电检测方法的集成化特性最好，其中光度法是普适性最优的方法。然而，目前基于微流控的光度检测装置，如中国专利号CN201510034319.0的文献中所设计的光度检测装置不能提供暗室的操作环境、光度检测环境温度也不可控，并且体积庞大，不能实现便携，这些在一定程度上限制了基于微流控的光度检测装置的广泛使用。因此，如何设计一种具有暗室环境、温度可控、装置便携的光度检测装置已成为目前微流控光度检测领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前基于微流控芯片的光度检测试验装置存在的集成化程度低、环境不可控等问题，提出的一种基于微流控光度检测的多单元集成化试验装置与方法，提供暗室环境，实现环境可控且结构紧凑便于携带。

本发明基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置采用的技术方案是：具有多个独立的子模块，每个子模块的外部是外壳，每个子模块的外壳内部被一块横隔板分隔成上、下两个腔室，上腔室的底板上固定有光度检测接收管、顶板上固定有位于光度检测接收管正上方的光度检测光发射管，检测光发射管和光度检测接收管之间是水平的玻璃载物台，玻璃载物台上表面上置放微流控芯片，玻璃载物台左端通过左滑道连接外壳的左侧板、右端通过右滑道连接外壳的右侧板，玻璃载物台的边缘上放置有温度传感器，在外壳上腔室内部设有加热片和从前至后有间隔地竖直布置的矩形的第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板，第一隔板和第二隔板位于光度检测光发射管的前方，第二隔板和第三隔板位于光度检测光发射管的后方，每块隔板的左端都与外壳上腔室的左侧板密封固定连接，每块隔板的右端都与外壳上腔室的右侧板密封固定连接；第一隔板和第三隔板的顶端均与外壳上腔室的顶板紧密相连、底部均与上腔室底面之间留有间隙；第二隔板和第四隔板的底部均与玻璃载物台有间隙、顶部均与外壳上腔室的顶板之间留有间隙，风扇位于第一隔板的前方顶部且固定在外壳上腔室顶板上；每个外壳的下腔室内部设有光度检测光接收模块、光度检测光发射模块、主控芯片模块和风扇及加热片控制模块，在其中任意一个子模块的外壳的下腔室内部设有主控制器和选择电路模块，主控制器输出端连接选择电路模块输入端，选择电路模块输出端分别连接每个主控芯片模块的输入端；每个主控芯片模块通过不同的端口分别连接属于同一个子模块的光度检测光接收模块、光度检测光发射模块、温度传感器和风扇及加热片控制模块。

本发明基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的试验方法采用的技术方案是：其特征是包括以下步骤：

A、通过左滑道和右滑道将玻璃载物台滑动拉出，放置已经进样的微流控芯片，通过左滑道和右滑道将玻璃载物台滑动推入；

B、主控制器向选择电路模块发送信号，选择各单元主控芯片模块的开始或停止的工作状态：

C、被选择工作的单元主控芯片模块发送控制信号让光度检测光接收模块、光度检测光发射模块和温度传感器开始工作，光度检测光接收模块控制光度检测光发射管的亮暗程度，光度检测光接收管将其所采集到的信号通过光度检测光接收模块发送给主控芯片模块，温度传感器实时检测当前微流控芯片所处环境的温度并反馈给主控芯片模块。

进一步地，在被选择工作的单元主控芯片模块所在的子模块中，温度传感器将所检测的环境温度输入主控芯片模块，主控芯片模块将检测的环境温度与预先设定的标准温度范围对比，如果需要调节温度，则经风扇及加热片控制模块控制对应的风扇及加热片工作，实现温度调节。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

（1）本发明试验装置由N（N>=4）个独立单元模块组成，每个单元模块可同时单独进行操控，可以实现多芯片的同时试验检测，面向多形式、单试验点的微流控芯片。

（2）本发明试验装置提供了暗室的试验环境，通过错位夹层板的设置，很好地隔绝了外界光源，对杂散光进行了有效地屏蔽。

（3）本发明试验装置在一定误差范围内实现了温度可控，通过风扇、加热片与错位夹层板形成的空气流道，为检测环境提供了合适的温度。

（4）本发明试验装置实现了波长可变的光度检测，通过更换内部顶板上的发射管实现不同波长的试验。

（5）本发明试验装置能方便光度检测的定位，通过载物台记号试验点与芯片试验点的手动对准定位即可。

（6）本发明试验方法操作简单，只需要定位放置芯片即可操控装置进行检测。

（7）本发明试验装置体积较小，便于携带，方便移位。

附图说明

图1是本发明基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的总体结构示意图；

图2是图1中的第一种常见微流控芯片的结构示意图；

图3是图1中的第二种常见微流控芯片的结构示意图；

图4是图1中的第三种常见微流控芯片的结构示意图。

图5是图1中的玻璃载物台滑动推拉的过程示意图；

图6是图1中光度检测接收管5和光度检测光发射管18的装配结构放大示意图；

图7是图1中外壳的上腔室内部风扇、加热片及隔板的布置结构放大示意图；

图8是图7中风扇、加热片及隔板布置原理右视图；

图9是图1中外壳的下腔室内部结构放大示意图；

图10是图1的控制框图。

附图中各部件的序号和名称：1.控制显示触摸屏，5.光度检测光接收管，9.左滑道，10.右滑道，14.玻璃载物台，18.光度检测光发射管，22.风扇，26.试验点，30，31，34，35，36，39，40，41，42.芯片进样点，32，38，44.芯片试验点，33，37，43.芯片流样通道，45.微流控芯片，46.外壳，48.第一隔板，49.第二隔板，50.第三隔板，51.第四隔板，52.加热片，53.电压转换模块，54.光度检测光接收模块，55.光度检测光发射模块，57.主控芯片模块，58.触摸屏显示控制模块，59.控制模块电路板，60.风扇及加热片控制模块，61.温度传感器，62.圆形小插槽，63.小滑轮,64.主控制器，65.选择电路模块。

具体实施方式

参见图1，本发明基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的总体结构共有多个独立的子模块，子模块的数量N（N>=4），图1中仅示出了4个独立的子模块，多个子模块从左到右一字型布置，并列成一行。每个子模块的外部是不透光密封的外壳46，相邻的两个外壳46之间共用一个侧板，例如：第二个子模块的外壳46的右侧板和第三个子模块的外壳46的左侧板共用。

每个子模块的外壳46内部被一块横隔板分隔成上、下两个腔室，上腔室的底板上固定光度检测接收管5，上腔室的顶板上固定有光度检测光发射管18和风扇22，其中，光度检测光发射管18位于光度检测接收管5的正上方。在检测光发射管18和光度检测接收管5之间是水平的玻璃载物台14，玻璃载物台14上表面上置放微流控芯片45，微流控芯片45外形尺寸不超过玻璃载物台14外形尺寸，微流控芯片45上具有一个试验点26，试验点26和光度检测光发射管18、光度检测接收管5上下正对，三者的中心位于同一条垂线上。玻璃载物台14上设有定位记号点，该定位记号点与微流控芯片45上的试验点26重合，以此定位。玻璃载物台14左端通过左滑道9连接外壳46的左侧板，玻璃载物台14右端通过右滑道10连接外壳46的右侧板，玻璃载物台14通过左滑道9和右滑道10沿外壳46前后滑动，实现玻璃载物台14的前后滑动推拉，方便手动置换微流控芯片45。在外壳46的下腔室的前侧板上安装触摸屏1，实现人机通讯。

参见图2所示的第一种常见的微流控芯片45的结构，该微流控芯片45为二进样点、一试验点的矩形微流控芯片，具有芯片进样点30、芯片进样点31、芯片试验点32和芯片流样通道33。试液分别通过芯片进样点30和芯片进样点31进入，流经芯片流样通道33，到达芯片试验点32混合反应。

参见图3所示的第二种常见的微流控芯片45的结构，该微流控芯片45为三进样点、一试验点的矩形微流控芯片，具有芯片进样点34、芯片进样点35、芯片进样点36、芯片试验点38和芯片流样通道37，试液分别通过芯片进样点34、芯片进样点35、芯片进样点36进入，流经芯片流样通道37，到达芯片试验点38混合反应。

参见图4所示的第三种常见的微流控芯片45的结构，该微流控芯片45为四进样点、一试验点的圆盘形微流控芯片，具有芯片进样点39、芯片进样点40、芯片进样点41、芯片进样点42、芯片试验点44和芯片流样通43，芯片试验点44位于中间，四进样点分布在芯片试验点44的四周，试液分别通过芯片进样点39、芯片进样点40、芯片进样点41、芯片进样点42、芯片试验点44进入，流经芯片流样通道43，到达芯片试验点44混合反应。

由图2、3、4可知，微流控芯片45是具有单试验点26的芯片，试液在试验点26处进行混合反应，在试验点26的正上方是光度检测光发射管18、正下方是光度检测接收管5，光度检测光发射管18和光度检测接收管5两者协调工作实现光度检测。

参见图5，外壳46内部的玻璃载物台14，其左端和右端前后的底部均安装滑轮63，玻璃载物台14左端的滑轮63与左滑道9配合，玻璃载物台1右端的滑轮63与右滑道10配合，使玻璃载物台14通过滑轮63在左滑道9和右滑道10上前后自由滑动，滑动推拉玻璃载物台14，面向多形式、单试验点，同时，方便了微流控芯片45的更换。

参见图6，在外壳46上腔室的顶板中央固定有两个圆形小插槽62，用以固定光度检测光发射管18，将光度检测光发射管18的两只管脚倒插在两个圆形小插槽62内，实现不同波长发光管的可更换性。光度检测光发射管18、试验点26和光度检测接收管5的中心位一条垂线上，满足光度检测中光度检测接收管5对发射光的最大程度吸收。温度传感器61放置在玻璃载物台14的边缘上，用于实时检测微流控芯片所处环境温度。

参见图7和图8，在外壳46上腔室内部还设有加热片52和四块从前至后有间隔地竖直布置的矩形的隔板，四块隔板的大小和厚度均相同，四块隔板从前至后分别是第一隔板48、第二隔板49、第三隔板50和第四隔板51，第一隔板48和第二隔板49位于光度检测光发射管18的前方，第二隔板49和第三隔板50位于光度检测光发射管18的后方，即光度检测光发射管18位于第二隔板49和第三隔板50之间。每块隔板的左端都与外壳46上腔室的左侧板密封固定连接，每块隔板的右端都与外壳46上腔室的右侧板密封固定连接。其中，第一隔板48和第三隔板50的顶端均与外壳46上腔室的顶板紧密相连，而底部均与上腔室底面之间留有间隙，距离玻璃载物台14有一定的间隙，约留5cm的垂直距离。第二隔板49和第四隔板51的底部均与玻璃载物台14有一定的垂直距离，约留3cm的间隙，第二隔板49和第四隔板51的顶部均与外壳46上腔室的顶板之间留有5cm间隙，使四块隔板沿前后方向上下交错放置。风扇22位于第一隔板48的前方顶部，固定在外壳46上腔室顶板上。根据光的直线传播原理，因四块隔板的交错放置，可以实现对外界光的屏蔽，为光度检测实验提供暗室环境。加热片52置于第一隔板48和第二隔板49之间，固定在第一隔板48上，可以对流经气流进行加热，从而到达控制试验环境温度的目的。图8中的箭头代表风的流动方向，通过风扇22将外界的气流经由第一隔板48底部间隙吹入，经过加热片52时，气流被加热，再经过第二隔板49的顶部间隙进入外壳46上腔室的微流控芯片45处，由第三隔板50的底部间隙及第四隔板51的顶部间隙排出。当气流经过加热片52时，控制加热片52的加热温度范围即可达到控制气流温度的效果，从而满足在一定误差范围内达到控制微流控芯片45所处环境温度的目的。

参见图9和图10，每个独立的子模块的外壳46的下腔室内部设有电压转换模块53、光度检测光接收模块54、光度检测光发射模块55、主控芯片模块57、触摸屏显示控制模块58和风扇及加热片控制模块60这六个模块，除电压转换模块53和主控芯片模块57外，其余的光度检测光接收模块54、光度检测光发射模块55、触摸屏显示控制模块58和风扇及加热片控制模块60均集成在一个控制模块电路板59上。

在多个子模块的其中任意一个子模块的外壳46的下腔室内部设有主控制器64和选择电路模块65，即主控制器64和选择电路模块65各只有一个，可以安装在任意一个子模块内。主控制器64的输出端连接选择电路模块65的输入端，选择电路模块65的输出端分别连接每个主控芯片模块57的输入端，主控制器64通过选择电路模块65达到控制主控芯片模块57工作与否的功能。主控芯片模块57通过不同的端口分别连接与其属于同一个子模块的光度检测光接收模块54、光度检测光发射模块55、温度传感器61、触摸屏显示控制模块58和风扇及加热片控制模块60。电压转换模块53通过电压转换芯片将外接电压转换为其余各个模块所需电压，从而控制各个模块的正常工作。

参见图10，图10中仅示出了其中一个独立子模块内部的控制结构。主控制器64向选择电路模块65发送控制信号，选择电路模块65的选择端口分别与各个单元中的主控芯片模块57相连接，向主控芯片模块57发送选择信号，由选择信号决定各单元主控芯片模块57的工作状态：开始工作、停止工作。若主控芯片模块57处在停止工作状态，则该单元将不工作；若主控芯片模块57处在开始工作状态，则该单元开始正常工作。主控芯片模块57通过各端口分别与触摸屏显示控制模块58、光度检测光发射模块55、光度检测光接收模块54、温度传感器61和风扇及加热片控制模块60相连接。主控芯片模块57向光度检测光发射模块55发送控制信号，该控制信号决定光度检测光发射模块55的工作状态。光度检测光发射模块55通过端口与光度检测光发射管18相连接，并向其发送控制信号用于控制光度检测光发射管18的亮灭以及亮暗程度。主控制芯片模块57向光度检测光接收模块54发送控制信号，用于决定光接收模块54的工作状态；同时，光度检测光接收模块54通过端口与光度检测接收管5相连接，光度检测光接收管5采集得到的模拟量数据将通过端口发回到光度检测光接收模块54，经过光度检测光接收模块54处理成数字量后再发送给主控芯片模块57，由主控芯片模块57存储并发送给触摸屏显示控制模块58，触摸屏显示控制模块58将数据处理后通过端口发送到触摸屏1显示。主控芯片模块57通过端口接收温度传感器61采集得到微流控芯片所处环境的温度数据，存储后发送给触摸屏显示控制模块58，触摸屏显示控制模块58将温度数据处理后通过端口发送到触摸屏1显示。主控芯片模块57向风扇及加热片控制模块60发送控制信号，用于决定风扇及加热片控制模块60的工作状态。风扇及加热片控制模块60通过端口与风扇22以及加热片52相连接，并向其发送控制信号用于控制风扇的开关及转速、加热片的温度。

本发明基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置工作时，首先通过左滑道9和右滑道10将玻璃载物台14滑动拉出，然后放置已经进样的微流控芯片45，并使玻璃载物台14上的定位记号点与微流控芯片45的试验点26重合。通过左滑道9和右滑道10将玻璃载物台14滑动推入装置内。

打开电源后，电压转换模块53将220V的交流电压转换为各个模块所需要的电压。由主控制器65发送选择信号给选择电路模块64，使其选择各个子模块中的主控芯片模块57进行工作，未选择的子模块中的主控芯片模块57将处在不工作状态。对于选择的子模块，其中的温度传感器61将所检测的环境温度输入主控芯片模块57，主控芯片模块57将检测的环境温度与预先设定的标准温度范围对比，如果需要调节温度，则经每个风扇及加热片控制模块60控制对应的风扇22及加热片52工作，实现温度调节。然后，主控芯片模块57首先发送控制信号，让光度检测光接收模块54、光度检测光发射模块55、触摸屏显示控制模块58和温度传感器61处于开始工作状态。其中，光度检测光接收模块54与光度检测光发射模块55开始配合工作，由光度检测光接收模块54控制光度检测光发射管18的亮暗程度，光度检测光接收管5将其所采集到的光度检测光信号、模拟量信号通过光度检测光接收模块54转变为数字信号后，发送给主控芯片模块57存储，再由主控芯片模块57发送给触摸屏显示控制模块58由控制显示触摸屏1显示数据。同时，温度传感器61实时检测当前微流控芯片所处环境的温度，并将数字量的温度信号反馈给主控芯片模块57，主控芯片模块57不仅将它发送给触摸屏显示控制模块58由控制显示触摸屏1显示数据，还将它与初始设定的温度上下值相比较。若不在设定的温度范围内，主控芯片模块57向风扇及加热片控制模块60发送控制信号，使其处于开始工作状态，风扇及加热片控制模块60通过端口向风扇22及加热片52发送控制信号，用于控制当前加热片52的温度以及风扇22的进风量、进风速度；若在设定的温度范围内，风扇及加热片控制模块60不需要工作。试验过程中，整个实验装置内部智能完成自动控制、自主检测以及实时反馈；同时，整个过程循环进行，直至试验结束。最终，整个试验装置为微流控芯片45进行光度检测提供了智能化操作以及良好的试验环境。

Claims (9)

1.一种基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：具有多个独立的子模块，多个子模块从左到右一字型布置，每个子模块的外部是外壳（46），每个子模块的外壳（46）内部被一块横隔板分隔成上、下两个腔室，上腔室的底板上固定有光度检测接收管5、顶板上固定有位于光度检测接收管（5）正上方的光度检测光发射管（18），检测光发射管（18）和光度检测接收管（5）之间是水平的玻璃载物台（14），玻璃载物台（14）上表面上置放微流控芯片（45），玻璃载物台（14）左端通过左滑道（9）连接外壳（46）的左侧板、右端通过右滑道（10）连接外壳（46）的右侧板，玻璃载物台（14）的边缘上放置有温度传感器（61），在外壳（46）上腔室内部设有加热片（52）和从前至后有间隔地竖直布置的矩形的第一隔板（48）、第二隔板（49）、第三隔板（50）和第四隔板（51），第一隔板（48）和第二隔板（49）位于光度检测光发射管（18）的前方，第二隔板（49）和第三隔板（50）位于光度检测光发射管（18）的后方，每块隔板的左端都与外壳（46）上腔室的左侧板密封固定连接，每块隔板的右端都与外壳（46）上腔室的右侧板密封固定连接；第一隔板（48）和第三隔板（50）的顶端均与外壳（46）上腔室的顶板紧密相连、底部均与上腔室底面之间留有间隙；第二隔板（49）和第四隔板（51）的底部均与玻璃载物台（14）有间隙、顶部均与外壳（46）上腔室的顶板之间留有间隙，风扇（22）位于第一隔板（48）的前方顶部且固定在外壳（46）上腔室顶板上；每个外壳（46）的下腔室内部设有光度检测光接收模块（54）、光度检测光发射模块（55）、主控芯片模块（57）和风扇及加热片控制模块（60），在其中任意一个子模块的外壳46的下腔室内部设有主控制器（64）和选择电路模块（65），主控制器（64）输出端连接选择电路模块（65）输入端，选择电路模块（65）输出端分别连接每个主控芯片模块（57）的输入端；每个主控芯片模块（57）通过不同的端口分别连接属于同一个子模块的光度检测光接收模块（54）、光度检测光发射模块（55）、温度传感器（61）和风扇及加热片控制模块（60）。

2.根据权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：多个子模块从左到右一字型布置，相邻的两个子模块的外壳（46）之间共用一个侧板。

3.根据权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：外壳（46）的下腔室的前侧板上装有触摸屏（1），外壳（46）的下腔室内部设有触摸屏显示控制模块（58），触摸屏（1）经触摸屏显示控制模块（58）连接对应的主控芯片模块（57）。

4.根据权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：外壳（46）的下腔室的前侧板上装有触摸屏（1），外壳（46）的下腔室内部设有触摸屏显示控制模块（58），触摸屏（1）经触摸屏显示控制模块（58）连接对应的主控芯片模块（57）。

5.根据权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：玻璃载物台（14）的左端和右端前后的底部均装有滑轮（63），玻璃载物台（14）左端的滑轮（63）与左滑道（9）配合，玻璃载物台（1）右端的滑轮（63）与右滑道（10）配合。

6.根据权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置，其特征是：微流控芯片（45）上具有一个试验点（26），试验点（26）和光度检测光发射管（18）、光度检测接收管（5）上下正对。

7.一种如权利要求1所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的试验方法，其特征是包括以下步骤：

A、通过左滑道（9）和右滑道（10）将玻璃载物台（14）滑动拉出，放置已经进样的微流控芯片（45），通过左滑道（9）和右滑道（10）将玻璃载物台（14）滑动推入；

B、主控制器（64）向选择电路模块（65）发送信号，选择各单元主控芯片模块（57）的开始或停止的工作状态：

C、被选择工作的单元主控芯片模块（57）发送控制信号让光度检测光接收模块（54）、光度检测光发射模块（55）和温度传感器（61）开始工作，光度检测光接收模块（54）控制光度检测光发射管（18）的亮暗程度，光度检测光接收管（5）将其所采集到的信号通过光度检测光接收模块（54）发送给主控芯片模块（57），温度传感器（61）实时检测当前微流控芯片（45）所处环境的温度并反馈给主控芯片模块（57）。

8.根据权利要求7所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的试验方法，其特征是：在被选择工作的单元主控芯片模块（57）所在的子模块中，温度传感器（61）将所检测的环境温度输入主控芯片模块（57），主控芯片模块（57）将检测的环境温度与预先设定的标准温度范围对比，如果需要调节温度，则经风扇及加热片控制模块（60）控制对应的风扇（22）及加热片（52）工作，实现温度调节。

9.根据权利要求7所述基于微流控芯片光度检测的多单元集成试验装置的试验方法，其特征是：光度检测光接收管（5）将其所采集到的信号通过光度检测光接收模块（54）发送给主控芯片模块（57）后，再由主控芯片模块（57）发送给触摸屏显示控制模块（58），由控制显示触摸屏（1）显示。