CN106841042A - 微流控芯片对焦控制***及微流控芯片荧光检测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微流控芯片对焦控制***和微流控芯片荧光检测***，微流控芯片对焦控制***包括光发射装置、散射光检测装置、移动装置和控制装置；光发射装置发射激发光至微流控芯片，散射光检测装置采集微流控芯片的散射光的光强度得到强度值并发送至控制装置；控制装置控制移动装置带动微流控芯片在固定平面内沿预设方向移动，使激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片的流道，并获取微流控芯片的位移以及接收散射光检测装置采集的不同位移处的强度值；控制装置根据强度值生成固定平面对应的强度曲线，根据强度曲线获取微流控芯片的对焦位置点，并控制移动装置带动微流控芯片移动至对焦位置点。如此，可自动进行对焦，准确度高且成本低。

Description

微流控芯片对焦控制***及微流控芯片荧光检测***

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种微流控芯片对焦控制***及微流控芯片荧光检测***。

背景技术

微流控芯片是利用微纳加工方法把微纳米尺度的流道制作在光学材料上、将光学材料与玻璃基板键合形成的内有流道的结构，可在微纳米尺度里对流体进行操控。微流控芯片荧光检测***通过采用泵和阀等液流控制技术，可把微量的待检测样品注入到微流控芯片中，利用光诱导荧光、化学发光和生物化学等手段，可对待检测样品的生物和化学参数进行检测。

为准确地对待检测样品进行检测，通常需要在检测前调整微流控芯片的位置，使用于发射光的光源聚焦在微流控芯片的流道。传统的微流控芯片荧光检测***更换微流控芯片时，常常采用手动调整或相机拍照的方式进行微流控芯片的对焦，寻找管道焦点。然而，手动调整存在人为调节误差，准确度低；利用相机拍照对焦定位，成本高。

发明内容

基于此，有必要针对传统的对焦调节准确度低、成本高的问题，提供一种自动准确对焦且成本低的微流控芯片对焦控制***及微流控芯片荧光检测***。

一种微流控芯片对焦控制***，包括光发射装置、散射光检测装置、移动装置和控制装置，所述移动装置上载有微流控芯片，所述散射光检测装置和所述移动装置均连接所述控制装置；

所述光发射装置用于发射激发光至所述微流控芯片，所述散射光检测装置用于采集所述微流控芯片的散射光的光强度得到强度值并发送至所述控制装置；

所述控制装置发送移动指令至所述移动装置，控制所述移动装置带动所述微流控芯片在固定平面内沿预设方向移动，使所述激发光依次靠近、照射、远离所述微流控芯片的流道，并获取所述微流控芯片在所述预设方向的位移以及接收所述散射光检测装置采集的不同位移处的强度值；

所述控制装置根据不同位移对应的强度值生成所述固定平面对应的强度曲线，根据所述强度曲线获取所述微流控芯片的对焦位置点，发送对焦指令至所述移动装置，控制所述移动装置带动所述微流控芯片移动至所述对焦位置点。

上述微流控芯片对焦控制***，通过光发射装置发射激发光至微流控芯片，控制装置控制移动装置带动微流控芯片在固定平面的预设方向上移动，使激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片的流道，同时获取微流控芯片的不同位移并接收散射光检测装置检测的不同位移处的散射光对应的强度值，根据强度值和位移生成强度曲线并获取对焦位置点，以控制微流控芯片移动至对焦位置点。如此，通过控制微流控芯片移动、根据移动过程中的散射光进行分析得到对焦位置点，一方面，可自动对微流控芯片进行对焦，无需人工手动调整位置，对焦位置准确度高；另一方面，采用光发射装置、散射光检测装置、移动装置和控制装置组成，相比于传统的采用相机进行拍照对焦的方式，可降低对焦控制的成本。

一种微流控芯片荧光检测***，包括微流控芯片、荧光检测装置和上述微流控芯片对焦控制***，所述微流控芯片设置于所述微流控芯片对焦控制***的移动装置上，所述荧光检测装置连接所述微流控芯片对焦控制***的控制装置；

所述光发射装置还用于收集流经所述微流控芯片的流道的待检测样品的荧光，所述荧光检测装置用于采集所述光发射装置收集的荧光得到光电信号并发送至所述控制装置。

上述微流控芯片荧光检测***，由于包含了上述微流控芯片对焦控制***，同理可自动对微流控芯片进行对焦，无需人工手动调整位置，对焦位置准确度高，且对焦控制成本低。

附图说明

图1为一实施例中微流控芯片对焦控制***的结构示意图；

图2为一实施例中微流控芯片对焦控制***的具体结构图；

图3为激发光照射微流控芯片的光学示意图；

图4为强度曲线示意图；

图5为一实施例中微流控芯片荧光检测***的结构图。

具体实施方式

参考图1和图2，一实施例中的微流控芯片对焦控制***，包括光发射装置110、散射光检测装置120、移动装置130和控制装置140，移动装置130上载有微流控芯片200，散射光检测装置120和移动装置130均连接控制装置140。

光发射装置110用于发射激发光至微流控芯片200，散射光检测装置120用于采集微流控芯片200的散射光的光强度得到强度值并发送至控制装置140。

其中，微流控芯片200用于对待检测样品进行检测，待检测样品流经微流控芯片200的流道。激发光为用于激发荧光的光。由于相邻两个介质的折射率不同，激发光在微流控芯片200两种介质界面上发生多次折射与反射可引起散射，如图3所示。垂直照射微流控芯片200的流道中心的激发光，大部分将穿透过待检测样品，只是在微流控芯片200的上下界面处发生反射而损失部分能量；而照射到微流控芯片200的流道边缘的激发光，会有大部分偏离原来的直线轨迹，发生散射。散射光检测装置120采集微流控芯片200的散射光的光强度。

控制装置140发送移动指令至移动装置130，控制移动装置130带动微流控芯片200在固定平面内沿预设方向移动，使激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片200的流道，并获取微流控芯片200在预设方向的位移以及接收散射光检测装置120采集的不同位移处的强度值。

控制装置140根据不同位移对应的强度值生成固定平面对应的强度曲线，根据强度曲线获取微流控芯片200的对焦位置点，发送对焦指令至移动装置130，控制移动装置130带动微流控芯片200移动至对焦位置点。

其中，固定平面为微流控芯片200朝向或背向光发射装置110的一侧所在的平面。具体地，激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片200的流道，指微流控芯片200的流道的从激发光的光束的一侧移动至另一侧，使流道的相对两边缘依次经过激发光的照射后离开。例如，参考图3，光发射装置110在微流控芯片200的下方发射激发光，控制装置140控制移动装置130带动微流控芯片200沿图的左右方向移动，使流道从未被照射到被照射最后到未被照射。

具体地，微流控芯片200移动过程中，控制装置140可以通过读取移动装置130的移动距离以获取微流控芯片200的位移。微流控芯片200移动过程中，散射光检测装置120实时采集散射光的光强度，可得到对应不同位移处的强度值并发送给控制装置140。

上述微流控芯片对焦控制***，通过光发射装置110发射激发光至微流控芯片200，控制装置140控制移动装置130带动微流控芯片200在固定平面的预设方向上移动，使激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片200的流道，同时获取微流控芯片200的不同位移并接收散射光检测装置120检测的不同位移处的散射光对应的强度值，根据强度值和位移生成强度曲线并获取对焦位置点，以控制微流控芯片200移动至对焦位置点。如此，通过控制微流控芯片200移动、根据移动过程中的散射光进行分析得到对焦位置点，一方面，可自动对微流控芯片200进行对焦，无需人工手动调整位置，对焦位置准确度高；另一方面，采用光发射装置110、散射光检测装置120、移动装置130和控制装置140组成，相比于传统的采用相机进行拍照对焦的方式，可降低对焦控制的成本。

移动装置130可以调整微流控芯片200前后、左右和上下移动，具体地，移动装置130的控制精度可以达到1um(微米)。

具体地，控制装置140在发送移动指令至移动装置130控制移动装置130移动之前，预先将微流控芯片200的流道通入纯水，从而激发光可照射流道内的纯水。控制装置140可以为上位机。

具体地，控制装置140在接收不同位移处的强度值后，对各强度值进行归一化处理，根据不同位移处对应的归一化后的强度值进行画图，得到强度曲线。通过对强度值归一化，可简化后续数据处理。

具体地，强度曲线为包括有两个散射峰的曲线。控制装置140查找两个散射峰的峰值之间的最小幅值，根据最小幅值对应的位移获取微流控芯片200在固定平面上的对焦位置点。

由于移动装置130带动微流控芯片200移动过程中，激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片200的流道，使得激发光依次从流道的横截面一侧边缘照射到流道的横截面另一侧边缘，对应散射光检测装置120检测到的散射光的光强度经历增大、减小、增大、减小的过程，从而对应的强度曲线包括两个散射峰。散射峰的顶点为峰值，对应着微流控芯片200流道边缘的位置，两个峰值之间的最小幅值对应为流道在移动的预设方向上的中心位置。通过查找最小幅值作为在固定平面上的对焦位置点，准确性高。

进一步地，参考图2，散射光检测装置120的数量可以为两个，控制装置140根据两个散射光检测装置120采集的不同位移处的强度值分别生成强度曲线。

控制装置140分别查找两个强度曲线的最小幅值，计算两个最小幅值所在的位移的平均值，将位移的平均值对应的位置点作为微流控芯片200在固定平面上的对焦位置点。

通过采用两个散射光检测装置120进行散射光的检测，可提高散射光检测的准确性，从而提高对焦位置点的准确性。

具体地，参考图2，两个散射光检测装置120设置在微流控芯片200同一侧、对称分布于流道的两侧。根据对称性，控制装置140根据两个散射光检测装置120发送的强度值得到的强度曲线呈镜像关系或近似镜像关系。通过对称设置两个散射光检测装置120，便于利用对称关系对两个强度曲线进行分析处理。

在一实施例中，固定平面到光发射装置110的垂直距离为定值，固定平面的数量有多个且不同固定平面到光发射装置110的垂直距离不同。此时，预设方向与激发光的发射方向垂直，强度曲线的两个散射峰的峰值之间的最小幅值为峰值之间的对称轴所在的位置，即控制装置140根据两个峰值之间的对称轴对应的位移获取对焦位置点。

控制装置140控制移动装置130带动微流控芯片200调整至不同的固定平面后，发送移动指令至移动装置130，分别获取微流控芯片200在不同的固定平面上的对焦位置点。即，控制装置140控制移动装置130调整至不同的固定平面后，都要重复执行操作：发送移动指令至移动装置130，控制移动装置130带动微流控芯片200在当前的固定平面内沿预设方向移动，使激发光依次靠近、照射、远离微流控芯片200的流道，并获取微流控芯片200在预设方向的位移以及接收散射光检测装置120采集的不同位移处的强度值，根据不同位移对应的强度值生成当前的固定平面对应的强度曲线，根据强度曲线获取微流控芯片200对应当前的固定平面的对焦位置点。

控制装置140分别获取各固定平面对应的两个强度曲线中两个散射峰在预设幅度处的峰宽度，分别计算各强度曲线的两个峰宽度的平均值的得到强度曲线对应的均值，再计算同一固定平面的两个强度曲线对应均值的平均值作为对应固定平面的宽度平均值。

其中，以幅度为纵轴，峰宽度为散射峰的预设幅度处对应的两个横轴的数值之差。一个固定平面对应两个强度曲线，同一个强度曲线有两个散射峰，一个散射峰对应一个峰宽度，因此，一个固定平面对应可获取四个峰宽度。通过先计算同一个强度曲线的两个峰宽度的平均值得到均值，再计算两个强度曲线对应均值的平均值，作为对应固定平面的宽度平均值；如此，可对固定平面对应的四个峰宽度进行求平均。

控制装置140从各固定平面的宽度平均值中选取最小值，根据最小值对应固定平面到光发射装置110的垂直距离以及最小值对应固定平面的对焦位置点确定最终的对焦位置点。

散射峰的峰宽度对应微流控芯片200所在固定平面的激光束宽度，因此，宽度平均值越小，表示激光束照射的宽度越小，聚焦效果越好。在最终的对焦位置点上，微流控芯片200的流道的中心与激发光的聚焦光斑重合。由于不同的固定平面到光发射装置110的垂直距离不同，最终的对焦位置点不仅需要确定平面内的对焦位置点，还需确定所在的平面。对应地，获取最终的对焦位置后，控制装置140发送对焦指令至移动装置130，控制移动装置130带动微流控芯片200移动至最小值对应的固定平面上的对焦位置点。

具体地，预设幅度为峰值的一半对应的幅度，即获取的峰宽度为散射峰的半高宽度。可以理解，在其他实施例中，也可以采用散射峰的其他幅值处的宽度进行计算得到宽度平均值。

参考图4，为一固定平面对应的强度曲线示意图，S1为根据第一个散射光检测装置120采集的强度值生成的强度曲线，S2为根据第二个散射光检测装置120采集的强度值生成的强度曲线，S3为对称轴，两个强度曲线的峰值之间的对称轴重合。

在一实施例中，参考图2，光发射装置110包括光源111和发射光聚焦透镜112，散射光检测装置120包括光电二极管121和接收光聚焦透镜122，光电二极管121连接控制装置140。

发射光聚焦透镜112设于光源111与微流控芯片200之间且正对光源111，接收光聚焦透镜122设于光电二极管121与微流控芯片200之间且正对光电二极管121，发射光聚焦透镜112与接收光聚焦透镜122的焦点重合。

光源111用于发射激发光，发射光聚焦透镜112用于将光源111发射的激发光聚焦后照射到微流控芯片200。接收光聚焦透镜122用于将散射光聚焦到光电二极管121，光电二极管121接收聚焦的散射光得到强度值发送给控制装置140。一方面，发射光聚焦透镜112可提高激发光的聚焦效果，接收光聚焦透镜122可避免散射光发散而无法收集，提高散射光检测准确性；另一方面，发射光聚焦透镜112与接收光聚焦透镜122的焦点重合，可增强散射光收集的准确性。

其中，光源111可以为激光光源，也可以为单色LED光源。采用激光光源时，激光光源的功率可调，以满足光电二极管121不饱和的情况下有足够高的信噪比。

具体地，光发射装置110还包括发射光滤光片113，发射光滤光片113位于光源111和发射光聚焦透镜112之间。通过设置发射光滤光片113，可滤除激发光的中心波长以外的杂散光。进一步地，激发光为发射光滤光片113可以为窄带滤光片。

具体地，光源111发射的激发光经发射光聚焦透镜112聚焦后，得到直径小于微流控芯片200的流道的直径的光斑。如此，可增强对微流控芯片200的检测效果。

具体地，接收光聚焦透镜122的垂直中心线与光源111发出的激发光的光线的夹角为10度至80度。夹角的具体数值可根据散射光强度情况而定。

参考图5，一实施例中的微流控芯片荧光检测***，包括微流控芯片200、荧光检测装置150和上述微流控芯片对焦控制***，微流控芯片200设置于微流控芯片对焦控制***的移动装置130上，荧光检测装置150连接微流控芯片对焦控制***的控制装置140。

光发射装置110还用于收集流经微流控芯片200的流道的待检测样品的荧光，荧光检测装置150用于采集光发射装置110收集的荧光得到光电信号并发送至控制装置140。如此，控制装置140可以根据光电信号进行荧光检测。

上述微流控芯片荧光检测***，由于包含了上述微流控芯片对焦控制***，同理可自动对微流控芯片200进行对焦，无需人工手动调整位置，对焦位置准确度高，且对焦控制成本低。

在一实施例中，荧光检测装置150包括二向色镜151、荧光滤光片152、荧光聚焦透镜153和光电倍增管154，微流控芯片对焦控制***的光发射装置110包括光源111和发射光聚焦透镜112，光电倍增管154连接控制装置140。

发射光聚焦透镜112收集待检测样品的荧光，二向色镜151倾斜设置于光源111和发射光聚焦透镜112之间，用于将发射光聚焦透镜112收集的荧光反射到荧光滤光片152，反射的荧光通过荧光滤光片152的滤光和荧光聚焦透镜153的聚焦后到达光电倍增管154，光电倍增管154根据接收的荧光发送光电信号至控制装置140。

通过采用二向色镜151、荧光滤光片152、荧光聚焦透镜153和光电倍增管154构成荧光检测装置150，可对待检测样品中的荧光进行过滤和聚焦处理，增强荧光检测效果。

具体地，二向色镜151可以为低通高反二向色镜，二向色镜151的截止波长在激发光和荧光光谱峰值波长之间。

具体地，光电倍增管154的数量与待检测样品中包含荧光的种类相等。光源111的数量与待检测样品中包含荧光对应的最佳激发波长的个数相等。进一步地，光源111采用激光光源时，激光光源发射的激光的中心波长为荧光的最佳激发波长。如此，需要不同激发光的荧光采用不同的光源111，对不同的荧光采用不同的光电倍增管154，有针对性的进行荧光激发和检测，可进一步增强荧光检测效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微流控芯片对焦控制***，其特征在于，包括光发射装置、散射光检测装置、移动装置和控制装置，所述移动装置上载有微流控芯片，所述散射光检测装置和所述移动装置均连接所述控制装置；

所述光发射装置用于发射激发光至所述微流控芯片，所述散射光检测装置用于采集所述微流控芯片的散射光的光强度得到强度值并发送至所述控制装置；

所述控制装置发送移动指令至所述移动装置，控制所述移动装置带动所述微流控芯片在固定平面内沿预设方向移动，使所述激发光依次靠近、照射、远离所述微流控芯片的流道，并获取所述微流控芯片在所述预设方向的位移以及接收所述散射光检测装置采集的不同位移处的强度值；

所述控制装置根据不同位移对应的强度值生成所述固定平面对应的强度曲线，根据所述强度曲线获取所述微流控芯片的对焦位置点，发送对焦指令至所述移动装置，控制所述移动装置带动所述微流控芯片移动至所述对焦位置点。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，所述强度曲线为包括有两个散射峰的曲线，所述控制装置查找两个散射峰的峰值之间的最小幅值，根据所述最小幅值对应的位移获取所述微流控芯片在所述固定平面上的对焦位置点。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，所述散射光检测装置的数量为两个，所述控制装置根据两个散射光检测装置采集的不同位移处的强度值分别生成强度曲线；

所述控制装置分别查找两个强度曲线的最小幅值，计算两个最小幅值所在的位移的平均值，将位移的平均值对应的位置点作为所述微流控芯片在所述固定平面上的对焦位置点。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，所述固定平面到所述光发射装置的垂直距离为定值，所述固定平面的数量有多个且不同固定平面到所述光发射装置的垂直距离不同；

所述控制装置控制所述移动装置带动所述微流控芯片调整至不同的固定平面后，发送所述移动指令至所述移动装置，分别获取所述微流控芯片在不同的固定平面上的对焦位置点；

所述控制装置分别获取各固定平面对应的两个强度曲线中两个散射峰在预设幅度处的峰宽度，分别计算各强度曲线的两个峰宽度的平均值的得到所述强度曲线对应的均值，再计算同一固定平面的两个强度曲线对应均值的平均值作为对应固定平面的宽度平均值；

所述控制装置从各固定平面的宽度平均值中选取最小值，根据所述最小值对应固定平面到所述光发射装置的垂直距离以及所述最小值对应固定平面的对焦位置点确定最终的对焦位置点。

5.根据权利要求1或4所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，所述光发射装置包括光源和发射光聚焦透镜，所述散射光检测装置包括光电二极管和接收光聚焦透镜，所述光电二极管连接所述控制装置；

所述发射光聚焦透镜设于所述光源与所述微流控芯片之间且正对所述光源，所述接收光聚焦透镜设于所述光电二极管与所述微流控芯片之间且正对所述光电二极管，所述发射光聚焦透镜与所述接收光聚焦透镜的焦点重合。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，所述光发射装置还包括发射光滤光片，所述发射光滤光片位于所述光源和所述发射光聚焦透镜之间。

7.根据权利要求5所述的微流控芯片对焦控制***，其特征在于，包括以下两项中的至少一项：

所述光源发射的激发光经所述发射光聚焦透镜聚焦后，得到直径小于所述微流控芯片的流道的直径的光斑；

所述接收光聚焦透镜的垂直中心线与所述光源发出的激发光的光线的夹角为10度至80度。

8.一种微流控芯片荧光检测***，其特征在于，包括微流控芯片、荧光检测装置和权利要求1-7任一项所述的微流控芯片对焦控制***，所述微流控芯片设置于所述微流控芯片对焦控制***的移动装置上，所述荧光检测装置连接所述微流控芯片对焦控制***的控制装置；

所述光发射装置还用于收集流经所述微流控芯片的流道的待检测样品的荧光，所述荧光检测装置用于采集所述光发射装置收集的荧光得到光电信号并发送至所述控制装置。

9.根据权利要求8所述的微流控芯片荧光检测***，其特征在于，所述荧光检测装置包括二向色镜、荧光滤光片、荧光聚焦透镜和光电倍增管，所述微流控芯片对焦控制***的光发射装置包括光源和发射光聚焦透镜，所述光电倍增管连接所述控制装置。

所述发射光聚焦透镜收集所述待检测样品的荧光，所述二向色镜倾斜设置于所述光源和所述发射光聚焦透镜之间，用于将所述发射光聚焦透镜收集的荧光反射到所述荧光滤光片，反射的荧光通过所述荧光滤光片的滤光和所述荧光聚焦透镜的聚焦后到达所述光电倍增管，所述光电倍增管根据接收的荧光发送所述光电信号至所述控制装置。

10.根据权利要求9所述的微流控芯片荧光检测***，其特征在于，所述光电倍增管的数量与所述待检测样品中包含荧光的种类相等。所述光源的数量与所述待检测样品中包含荧光对应的最佳激发波长的个数相等。