CN205580999U - 一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，包括液滴微流控芯片、目镜、物镜、滤色片组、分光棱镜组、明场光源，还包括明场滤光片、激发光源、光源校准组件、可调光阑、目镜滤光片、光电倍增管和高速图像传感器，液滴微流控芯片用于对待检测样品进行包埋形成独立的液滴；激发光源发出的激发光经光源校正元件校正后，经滤色片组后进入物镜，经物镜聚焦后照射到液滴微流控芯片上的检测区域，液滴经过检测区域后受激产生的液滴荧光依次通过物镜、滤色片组后，通过调节分光棱镜组，使部分液滴荧光通过目镜、可调光阑和目镜滤光片后到达光电倍增管被转变为电信号而其余液滴荧光由高速图像传感器拍照，或全部液滴荧光通过目镜。
Description
技术领域
本实用新型属于液滴荧光检测技术领域，具体涉及一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***。
背景技术
随着微流控芯片技术的快速发展，通过设计流动聚焦的孔道结构，微流控芯片可以每秒生成几千个大小高度均一的微液滴，通过各种控制技术还可实现液滴的***、融合、多重液滴的形成等灵活操纵，使复杂的检测过程得以实现。将待测物质包埋于微液滴内进行检测分析，具有交叉污染少、速度快，通量高、反应体积小、成本低等显著特点，使得液滴微流控技术成为高通量检测和筛选的理想手段。
目前可以进行液滴检测的产品有流式细胞仪，流式细胞仪在流体力学上、光学上、机械学和电学上都十分稳定，但流式细胞仪对样品的消耗大，不太适用于微流控芯片液滴，且其光学结构相当复杂，***操作需要专业人员。目前装置操作便捷、结构简单的液滴微流控荧光检测仪器还很少。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型针对现有技术存在的缺失，提供了一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，利用荧光显微镜成熟的光学元件并加以改进，降低了光路调校难度和设备成本，可以检测并记录高速流动的液滴。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，所述液滴检测***包括液滴微流控芯片、荧光显微镜单元，所述荧光显微镜单元包括目镜、物镜、滤色片组、分光棱镜组和明场光源，所述液滴检测***还包括明场滤光片、激发光源、光源校准组件、可调光阑、目镜滤光片、光电倍增管、高速图像传感器和数据采集分析单元；所述液滴微流控芯片用于对待检测样品进行包埋形成独立的液滴；
所述激发光源发出的激发光经过所述光源校正元件校正后，通过所述滤色片组后进入显微镜单元的物镜，经所述物镜聚焦后照射到所述液滴微流控芯片上的检测区域，所述液滴经过所述检测区域后受激产生液滴荧光，所述液滴荧光依次通过所述物镜、滤色片组后，在第一工作模式下，所述液滴荧光到达所述分光棱镜组，一部分的所述液滴荧光通过所述目镜，并经所述可调光阑和所述目镜滤光片后到达所述光电倍增管被转变为电信号，所述电信号被所述数据采集分析单元进行检测分析；另一部分的所述液滴荧光由所述高速图像传感器进行拍照；在第二工作模式下，所述液滴荧光通过所述滤色片组后全部通过所述目镜，并经所述可调光阑、目镜滤光片到达所述光电倍增管。
其中，所述明场光源发出的照明光经过所述明场滤光片滤掉杂色光后，依次通过所述液滴微流控芯片、物镜、滤色片组，到达所述分光棱镜组，在所述第一工作模式下由所述高速图像传感器进行拍照。
其中，所述分光棱镜组包括多个分光比例的棱镜。通过调节分光棱镜组6的位置，实现所述第一工作模式、第二工作模式的转变。
其中，所述激发光源包括光纤输出激光器和汞灯，所述激光器包括气体激光器、固体激光器和液体激光器中的一种。
其中，所述光源校准组件包括激光器准直使用的透镜组或者汞灯聚焦使用的透镜组。
其中，所述目镜滤光片的中心波长处于所述液滴荧光的光谱范围内；所述明场滤光片阻挡的波长范围不小于目镜滤光片的带通范围。
其中，所述明场滤光片包括长通滤光片、短通滤光片或带阻滤光片。
其中，所述目镜滤光片包括长通滤光片、短通滤光片或带阻滤光片。
其中，所述可调光阑为视场光阑。
其中，所述可调光阑还带有三轴位移平台上，所述三轴位移平台的Z轴与荧光显微镜的目镜的光轴平行。
其中，所述光电倍增管与所述目镜、可调光阑和目镜滤光片形成密封的光学管腔。
其中，所述高速图像传感器位于所述分光棱镜组所在光路的下游，所述高速图像传感器包括CCD(电荷耦合元件)和CMOS(金属氧化物半导体元件)图像传感器。
本实用新型提供的基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，本***结合已有的正置或倒置荧光显微镜光路，在原有荧光显微镜的明场光源前安装明场滤光片，在显微镜目镜前加装可调光阑、目镜滤光片组和光电倍增管组件，并将荧光显微镜的激发光源更换为激光器或汞灯，并在更换的激发光源前加装光源校准组件，可以最大限度地利用已有的成熟共聚焦检测光机组件，并可根据检测的荧光信号来灵活选配各部件。在进行液滴检测时，所述液滴检测***可以降低光路调校难度和设备成本，所述液滴检测***的装置精准度高、装置操作简单。所述液滴检测***在检测液滴荧光的同时还可以对液滴的流动状态进行准确记录。
附图说明
图1为本实用新型提供的基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***的结构示意图；
图2为液滴样品在液滴微流控芯片3的流动通道中的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请一并参阅图1-图2，本实用新型提供了一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，所述液滴检测***包括液滴微流控芯片3、荧光显微镜单元，所述荧光显微镜单元包括目镜7、物镜4、滤色片组5、分光棱镜组6、明场光源1和载物台，还包括明场滤光片2、激发光源11、光源校准组件10、可调光阑8、目镜滤光片13、光电倍增管组件9和高速图像传感器12；所述液滴微流控芯片3可以对待检测样品进行包埋形成独立的液滴。
可以理解的是，所述照明光源1位于所述荧光显微镜模块的明场光源位置，所述激发光源11安装于所述倒置荧光显微镜模块的汞灯接口。
所述高速图像传感器12位于所述分光棱镜组6所在光路的下游；所述液滴微流控芯片3设置在物镜的焦平面上，并与荧光显微镜的载物台固定；
所述滤色片组5为荧光显微镜的激发块。可以根据待观察的荧光物质的激发光和发射光的波长特性来自由选择滤色片组。所述滤色片组5可以包括激发滤色片、分色镜、发射滤色片。
进一步地，所述液滴微流控芯片3在所述光电倍增管9前成像位置为像平面。
所述激发光源11发出的激发光经过所述光源校正元件10校正后，通过显微镜的滤色片组5后进入荧光显微镜单元的物镜4，经所述物镜4聚焦后照射到所述液滴微流控芯片3上的检测区域，流动的所述液滴经过所述检测区域后受激产生液滴荧光，所述液滴荧光依次通过显微镜单元的物镜4、滤色片组5后，在第一工作模式下，所述液滴荧光到达所述分光棱镜组6，一部分的所述液滴荧光通过所述目镜7，并经所述可调光阑8和所述目镜滤光片13后到达所述光电倍增管组件9被转变为电信号，所述电信号被所述数据采集分析单元14进行检测分析；另一部分的所述液滴荧光由所述高速图像传感器12进行拍照；当在第二工作模式下，所述液滴荧光通过所述滤色片组5后全部通过所述目镜7，并经所述可调光阑8、目镜滤光片13到达所述光电倍增管9。
本实用新型中，所述分光棱镜组6包括多个分光比例的棱镜，通过调节分光棱镜组6的位置(包括控制分光棱镜组6是否在光路上，或者选用哪块棱镜在光路上)来实现所述***工作模式的转变。
本实用新型中，在激发光源工作下，通过调节分光棱镜组6，滤色片组5后后的部分或全部所述液滴荧光通过所述目镜7。当为第二工作模式时(可称为观测模式)，分光棱镜组6不在该光路上(即分光棱镜组6的位置为空)，此时通过所述滤色片组5后的全部液滴荧光通过所述目镜7；当为第一工作模式时，分光棱镜组6将到达该处的光信号按一定比例分配给目镜和图像传感器。
进一步地，所述明场光源1发出的照明光经过所述明场滤光片2滤掉杂色光后，依次通过所述液滴微流控芯片3、物镜4、滤色片组5，到达所述分光棱镜组6，在所述第一工作模式下由所述高速图像传感器12进行拍照。通过调节所述分光棱镜组6的位置，明场下到达所述分光棱镜组6的光可与部分受激产生的液滴荧光一同进入所述高速图像传感器12。
进一步地，所述激发光源11可以是能够稳定输出特定波长激光的激光器，包括气体激光器、固体激光器和液体激光器，也可以是功率能够满足应用要求的汞灯。
进一步地，所述光源校准组件10根据所使用的激发光源11和检测要求决定。包括但不限于激光器准直使用的透镜组，汞灯聚焦使用的透镜组。
本实用新型中，所述激发光源11经过所述光源校准组件10之后，所得到的激发光线最终照射到液滴微流控芯片3中液滴流动通道上的检测区域，且该区域在液滴流动通道中的位置和形状可由所述光源校准组件10调节。
进一步地，所述目镜滤光片13的中心波长应处于所述液滴荧光的光谱范围内；所述明场滤光片2阻挡的波长范围应不小于目镜滤光片13的带通范围。
进一步地，所述明场滤光片2包括但不限于长通滤光片、短通滤光片或带阻滤光片。
进一步地，所述目镜滤光片13包括但不限于长通滤光片、短通滤光片或带阻滤光片。
本实用新型中，明场光源1发射的光波，其光谱范围大于液滴中荧光物质受激后产生的发射荧光的光谱范围，使用明场滤光片2可去除明场光源1发发出的激发光与荧光物质受激后产生的荧光中相同波长的光波，明场滤光片2与目镜滤光片13的联合使用，可以保证光电倍增管9接受的光信号完全是由液滴受激产生。
进一步地，所述可调光阑8为视场光阑。
进一步地，所述可调光阑8安装在三轴位移平台上，所述三轴位移平台的Z轴与荧光显微镜的目镜7的光轴平行。
激发光源11激发所述液滴产生的发射荧光会在液滴微流控芯片3的液滴通道中会产生一定的反射、折射和衍射现象，这将影响检测灵敏度，利用可变光阑8，可以限制进入光电倍增管9的荧光范围，提高检测信号的灵敏度。本实用新型中，带有三轴位移平台的可调光阑8可以满足对光阑视场微调的目的。
进一步地，所述光电倍增管9放置在特制的管壳中，所述光电倍增管9与所述目镜7、可调光阑8和目镜滤光片13形成密封的光学管腔，避免外界光源的干扰。光电倍增管9与可调光阑8和目镜滤光片13可以一体化封装于金属外壳内，可以紧密地套在目镜上。
光电倍增管9处生成的电信号可以被数据采集分析单元14采集并输送至计算机设计的软件中进行检测分析，作为高通量液滴筛选信号和信息传输使用。
进一步地，所述高速图像传感器12的拍摄速度能够满足在应用的液滴流速下，得到流畅清晰的监测视频和完整的液滴流动状态的记录。所述高速图像传感器12包括但不限于CCD和CMOS图像传感器。
实施例1
本实施例提供一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，采用Olympus IX73-U荧光倒置显微镜为***用显微镜；激发光源11为汞灯；光源校准组件10包括非球面透镜(633-633纳米，f＝17.99毫米)和60mm笼板准直安装座；明场滤光片2为短通滤光片(200nm～550nm的透过率T<1％，580nm～1500nm的透过率T>90％)；目镜滤光片13的中心波长为515nm，带通带宽10nm(T>90％)；可调光阑8(开口直径Max：30mm，Min：1mm)；三轴位移平台(垂直方向调整范围：30mm，水平方向调整范围：20mm，Z轴与光路平行)；光电倍增管9(R1924A，日本滨松HAMAMATSU)；超高速相机12(PCO.dimax HS4，德国)；分光棱镜组6的分光比率为2:8(20％给超高速相机12)，透过参数Tp>95％,Ts<1％；反射参数Rs>99％，Rp<5％。
将液滴微流控芯片3放置于Olympus IX73-U荧光倒置显微镜的载物台上，打开明场光源1，调节载物台位置使液滴微流控芯片3在超高速相机12上清晰成像；利用高精度蠕动泵将液滴注入液滴微流控芯片3的通道，打开激发光源11，调整显微镜的光路和光源校准组件10，使激发光在通道内形成直径为100μm的圆形检测区域。调节可变光阑8，使液滴受激发光源11产生的荧光通过可变光阑8后的投影，入射到光电倍增管的检测窗处，此时光电倍增管产生与荧光液滴光强和频率相符的电信号。本实施例的液滴样品在液滴微流控芯片3中的流动通道如附图2所示，其中31为液滴流出口，32为所述液滴检测***在通道内生成的荧光激发位置(即检测区域)，33为液滴注入口。部分流动的待测液滴内含有绿色荧光蛋白(激发波长488nm，发射波长512nm)，通过检测区域32的液滴如果含有绿色荧光蛋白，则会通过光电倍增管9产生一个电信号，利用本实用新型中的所述液滴检测***可以高精度地统计液滴样品中含有的绿色荧光蛋白的总量，并实时观察液滴的荧光和流动状态。
本实用新型提供的基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，本***结合已有的正置或倒置荧光显微镜光路，在原有荧光显微镜的明场光源前安装明场滤光片，在显微镜目镜前加装可调光阑、目镜滤光片组和光电倍增管组件，并将荧光显微镜的激发光源更换为激光器或汞灯，并在更换的激发光源前加装光源校准组件，可以最大限度地利用已有的成熟共聚焦检测光机组件，并可根据检测的荧光信号来灵活选配各部件。在进行液滴检测时，所述液滴检测***可以降低光路调校难度和设备成本，所述液滴检测***的装置精准度高、装置操作简单。所述液滴检测***在检测液滴荧光的同时还可以对液滴的流动状态进行准确记录。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于荧光显微镜的微流控芯片液滴检测***，其特征在于，所述液滴检测***包括液滴微流控芯片、荧光显微镜单元，所述荧光显微镜单元包括目镜、物镜、滤色片组、分光棱镜组和明场光源，所述液滴检测***还包括明场滤光片、激发光源、光源校准组件、可调光阑、目镜滤光片、光电倍增管、高速图像传感器和数据采集分析单元；所述液滴微流控芯片用于对待检测样品进行包埋形成独立的液滴；
所述激发光源发出的激发光经过所述光源校正元件校正后，通过所述滤色片组后进入显微镜单元的物镜，经所述物镜聚焦后照射到所述液滴微流控芯片上的检测区域，所述液滴经过所述检测区域后受激产生液滴荧光，所述液滴荧光依次通过所述物镜、滤色片组后，在第一工作模式下，所述液滴荧光到达所述分光棱镜组，一部分的所述液滴荧光通过所述目镜，并经所述可调光阑和所述目镜滤光片后到达所述光电倍增管被转变为电信号，所述电信号被所述数据采集分析单元进行检测分析；另一部分的所述液滴荧光由所述高速图像传感器进行拍照；在第二工作模式下，所述液滴荧光通过所述滤色片组后全部通过所述目镜，并经所述可调光阑、目镜滤光片到达所述光电倍增管。
2.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述明场光源发出的照明光经过所述明场滤光片滤掉杂色光后，依次通过所述液滴微流控芯片、物镜、滤色片组，到达所述分光棱镜组，在所述第一工作模式下由所述高速图像传感器进行拍照。
3.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述激发光源包括光纤输出激光器或者汞灯，所述激光器包括气体激光器、固体激光器和液体激光器中的一种。
4.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述光源校准组件包括激光器准直使用的透镜组或者汞灯聚焦使用的透镜组。
5.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述目镜滤光片的中心波长处于所述液滴荧光的光谱范围内，所述明场滤光片所阻挡的波长范围不小于目镜滤光片的带通范围。
6.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述明场滤光片包括长通滤光片、短通滤光片或带阻滤光片。
7.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述可调光阑为视场光阑。
8.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述可调光阑安装在荧光显微镜的三轴位移平台上，其中Z轴与所述目镜的光轴平行。
9.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述光电倍增管与所述目镜、可调光阑和目镜滤光片形成密封的光学管腔。
10.如权利要求1所述的液滴检测***，其特征在于，所述高速图像传感器位于所述分光棱镜组所在光路的下游，所述高速图像传感器包括CCD和CMOS图像传感器。
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