CN202216907U

CN202216907U - 生物芯片荧光微光谱检测装置

Info

Publication number: CN202216907U
Application number: CN2011201922465U
Authority: CN
Inventors: 吴坚; 宣胜蓝; 陈涛; 刘世炳
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-06-09

Abstract

一种生物芯片荧光微光谱检测装置，(1)为上部的盖芯片，(2)为下部的载芯片；(11)为充有待检测的生物微流体的微通道；在微通道(11)的上下侧设有光激发单元(12)(13)，在微通道(11)的左右对称分布有光检测单元(14)(15)；从激发光源(3)发出的光在滤光片(4)处被滤光，选出的激发光通过激发单元顶部的光学微透镜(5)聚焦，传播到微通道(11)里，照射待检测对象生物微流体；待检测物质由激发光激发出荧光，被检测单元顶部的光学微透镜(7)采集，通过滤光片滤出的荧光被半导体光电转换器件(9)所接收，变成电信号输出。本实用新型集成了光谱检测的全部非电要素，结构微小，实现了芯片检测装置微型化。

Description

生物芯片荧光微光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种生物芯片荧光微光谱检测装置，主要用于生物芯片中的微流体荧光微光谱的检测，属于生物学、分析化学及医学检测领域。

技术背景

生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它在微型化基础上可以实现全部生物工程分析过程和整个化验室功能，将采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等功能集成于一个芯片里，因而被通俗地称为“芯片实验室”，其科学性和先进性集中体现在结构缩微和功能集成这两个方面。生物芯片技术有4个基本要点：芯片制备、样品制备、生化反应和信号检测。信号检测是生物芯片技术的重要组成部分，主要包括信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别三部分。在各种生物芯片信号检测方法中，荧光微光谱检测法具有重复性好、选择性强、灵敏度高、非破坏性检测等优点，是目前应用最广泛的检测技术之一。如各类荧光生物医学微流控芯片微检测、各类病原生物医学微阵列微检测、各胶体金标定性定量微检测、各固相化学试纸定性定量微检测等。

目前微光谱检测技术中所使用的激发光源是传统的封装半导体发光器件，如半导体发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD)。而荧光微光谱检测器都是直接使用传统的封装光电管，如光电倍增管(PMT)或电荷耦合元件(CCD)。例如2008年上海光谱仪器有限公司与浙江大学化学系微分析装置研究所联合研制的《激光诱导荧光检测微流控芯片生化分析仪》(分析化学仪器装置与实验技术，36(1)：127～131，2008.1)、陈兴等人的“Portable Fluorescence Detection System Integrated with Dispo sable Microfluidic Chip”(纳米技术与精密工程，7(2)：127～131，2009.3)、林炳承等人的“微流控芯片分析化学实验室”(高等学校化学学报，30(3)：433～445，2009.3)、杨彬等人的“线扫描准共焦荧光成像”(光学精密工程，18(5)：1028～1034，2010.5)等。显然目前通用的生物芯片荧光微光谱检测装置存在如下缺点：

1、由于光电倍增管或电荷耦合元件自身的体积就很大，而且又是分体使用，需要有配套的光路装置，致使整个荧光微光谱检测装置的体积庞大，根本不可能嵌入到生物芯片中。

2、由于光激发单元和光接收单元都没有透镜进行聚焦，同时又使用许多光纤作为光传输装置，不可避免在光纤耦合过程中存在光能量损耗，使得整个检测装置灵敏度的提高受到严重限制。

3、由于在激发光传导和反射光采集时需要各类光学器件和光纤组成的光路进行光传输，这影响了光谱检测装置在实际使用中的稳定性。

4、由于检测并未达到零距离接触的测量方式，使得微光谱检测受到非检测对象物质，如组成微通道壁物质的干扰，造成测量误差。

目前的生物芯片荧光微光谱检测现状，是在PC机主机大小的***设备中，去检测指甲大小的芯片，其仪器制造的科学意义与生物芯片理念的科学先进性是背道而驰的，这种状况大大地阻碍了生物芯片集成化的提高，成为生物芯片发展的瓶颈。2007年Bambang Kuswandi等人在“Optical sensing systems for micro-fluidic devices：A review”中综述概括了从上世纪九十年代到2007年期间各国在生物芯片微流体光学检测装置研究领域中的106篇文献，指出基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)微细加工技术的光谱学检测装置微型化集成回路的研究，是生物芯片微流体光学检测装置的发展方向，研制体积小到可嵌入芯片和灵敏度高到能达到生物技术要求的微光谱检测装置已成为当前各国研究的热点之一。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种生物芯片荧光微光谱检测装置，将信号检测中的信号产生、信号收集与传输、信号处理及识别这三个部分集成，实现芯片集成化。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种生物芯片荧光微光谱检测装置，1为上部的盖芯片，2为下部的载芯片；11为充有待检测的生物微流体的微通道；在微通道11的上下侧设有有光激发单元12、13，在微通道11的左右对称分布有光检测单元14、15；光激发单元为管状，由激发光源3、激发光滤光片4、激发单元的光学微透镜5和将整个激发单元的四周包围起来的多层薄膜6组成；光检测单元为管状，由检测单元的光学微透镜7、检测光滤光片8、光电转换器件9和将整个检测单元的四周包围起来的多层薄膜10组成；从激发光源3发出的光在滤光片4处被滤光，选出的激发光通过激发单元顶部的光学微透镜5聚焦，传播到微通道11里，照射待检测对象生物微流体；待检测物质由激发光激发出荧光，被检测单元顶部的光学微透镜7采集，通过滤光片8后，滤出的荧光被半导体光电转换器件9所接收，变成电信号输出。

前述的半导体光电转换器件9为光电二极管或硅蓝光电池。

前述的激发光的透射峰值波长为525nm。

本发明的荧光微光谱检测装置与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明集成了光谱检测的全部非电要素，如激发光源、分光装置、光的聚集、传输、光匀束、光采集、光检测等。由于取代了无法嵌入芯片的光电倍增管PMT或电荷耦合元件CCD，使得整个装置的特征尺寸缩小到只有毫米数量级，甚至还可以再进一步微缩至微米量级。

附图说明

图1为荧光微光谱检测装置沿前后方向的径向截面图；

图2为荧光微光谱检测装置沿左右方向的径向截面图；

图3为整体芯片结构示意图。

图中：1为盖芯片，2为载芯片，3为激发光源，4为激发光滤光片，5为激发单元的光学微透镜，6为激发单元的多层薄膜，7为检测单元的光学微透镜，8为检测光滤光片，9为光电转换器件，10为检测单元的多层薄膜，11为微通道，12、13为光激发单元，14、15为光检测单元。

具体实施方式

下面结合附图1～3详细说明本实施例。

本实施例的结构示意图如图1和2。图1为其沿前后方向的径向截面图，由上下两个光激发单元、左右两个光检测单元和中央的微道组成。图中1、2分别为上部的盖芯片1和下部的载芯片2，使用有机玻璃(PMMA)制作，上部盖芯片大约厚2mm，下部载芯片大约厚3.5mm。3、4、5、6组成光激发单元，其中3为激发光源，可以使用半导体发光二极管(LED)或半导体激光二极管(LD)，所发光的峰值波长为475nm；4为激发光滤光片，透射的峰值波长也为475nm；5为激发单元的光学微透镜，将激发光源所发光聚焦到被测生物微流体上；6为多层薄膜，将整个激发单元的四周包围起来，形成管状，起到对管内光波高反射和对管外光波完全阻隔的作用。7、8、9、10组成光检测单元，其中7为检测单元的光学微透镜，对被测生物微流体所产生波长为525nm的荧光进行聚焦；8为检测光滤光片，透射峰值波长为525nm；9为光电转换器件，可以是光电二极管(PIN)或硅蓝光电池，光电转换的峰值波长为525nm；10为多层薄膜，将整个检测单元的四周包围起来，形成管状，所起作用同上。11为截面呈方形的微通道，截面积大约为0.8mm×0.8mm，里面充满待检测的生物微流体。一般情况下，光电检测器件的光敏面积比激发光源的发光面积大，故光检测单元的直径比光激发单元要大些。整个微光谱检测装置的工作过程是，从激发光源3发出的光在滤光片4处被滤光，选出的475nm激发光通过激发单元顶部的光学微透镜5聚焦，传播到微通道11里，照射待检测对象生物微流体。待检测物质由激发光激发出荧光，被检测单元顶部的光学微透镜7采集，通过滤光片8后，滤出525nm的荧光被半导体光电转换器件9所接收，变成电信号输出。

图2为该检测装置沿左右方向的径向截面图，图中只能画出下部载芯片2、微通道11、以及光激发单元3、4、5、6和光检测单元中的微透镜7。而检测装置的横向截面图上将只能画出下部载芯片2、微通道11、以及光检测单元7、8、9、10和光激发单元中的微透镜5。使用两组光激发单元和两组光检测单元的目的是可以进一步提高检测灵敏度。

本发明的荧光微光谱检测装置具有以下特点：集成了光谱检测的全部非电要素，如激发光源、分光装置、光的聚集、传输、光匀束、光采集、光检测等。由于取代了无法嵌入芯片的光电倍增管PMT或电荷耦合元件CCD，使得整个装置的特征尺寸缩小到只有毫米数量级，甚至还可以再进一步微缩至微米量级。

在具体实施例中，分别制作光激发单元和光检测单元，光激发单元的制作过程是，首先将激发光源与激发光滤光片用多层薄膜包围成管状，然后在滤光片上用原位成型法制作微光学透镜，即将紫外光学固化胶液滴从一定高度垂直释放，滴落到滤光片上，并自上而下向四周扩散流淌，适时地用紫外激光对液滴进行照射，使其固化，形成微光学透镜。光检测单元的制作方法与光激发单元相似，首先将光电转换器件与检测光滤光片用多层薄膜包围成管状，然后在滤光片上用原位成型法制作微光学透镜。在上部盖芯片1上打一个孔，将光激发单元12置于其中，微透镜朝下，如图3所示。在下部芯片2上用激光刻蚀出方形沟槽11，作为待检测生物微流体的微通道，然后在微通道的底部及两侧打三个孔，将光激发单元13置于底部孔内，微透镜朝上。将光检测单元14和15分别置于两侧的孔内，光检测单元14的微透镜朝右、光检测单元15的微透镜朝左，如图3所示。最后将上部盖芯片1与下部载芯片2粘合在一起，便组装成生物芯片荧光微光谱检测装置，此时4个微透镜都是朝向流有待测物的微通道。

Claims

1.一种生物芯片荧光微光谱检测装置，包括：上部的盖芯片(1)，下部的载芯片(2)，充有待检测的生物微流体的微通道(11)；其特征在于：在微通道的上下侧设有光激发单元(12)(13)，在微通道(11)的左右对称分布有光检测单元(14)(15)；

所述的光激发单元为管状，由激发光源(3)、激发光滤光片(4)、激发单元的光学微透镜(5)和将整个激发单元的四周包围起来的多层薄膜(6)组成；

所述的光检测单元为管状，由检测单元的光学微透镜(7)、检测光滤光片(8)、光电转换器件(9)和将整个检测单元的四周包围起来的多层薄膜(10)组成；

从激发光源(3)发出的光在滤光片(4)处被滤光，选出的激发光通过激发单元顶部的光学微透镜(5)聚焦，传播到微通道(11)里，照射待检测对象生物微流体；待检测物质由激发光激发出荧光，被检测单元顶部的光学微透镜(7)采集，通过滤光片(8)后，滤出的荧光被半导体光电转换器件(9)所接收，变成电信号输出。

2.根据权利要求1所述的生物芯片荧光微光谱检测装置，其特征在于：所述的半导体光电转换器件(9)为光电二极管或硅蓝光电池。

3.根据权利要求1所述的生物芯片荧光微光谱检测装置，其特征在于：所述的激发光的透射峰值波长为525nm。

4.根据权利要求1所述的一种生物芯片荧光微光谱检测装置的制作方法，其特征在于：所述的微通道(11)为方形沟槽。