CN219608774U - 用于荧光检测的微流控芯片及包含其的荧光检测*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于荧光检测的微流控芯片及包含其的荧光检测***，属于荧光检测的技术领域。所述微流控芯片包括基板、激发光调控元件和荧光会聚元件；其中，所述基板内形成有供检测对象通过的微流通道；所述激发光调控元件与所述荧光会聚元件分别位于基板的两个相邻的表面上；所述激发光调控元件包括第一超透镜，用于将激发光的光束直径缩小，以使所述激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配；所述荧光会聚元件用于接收并且会聚所述检测对象包含的荧光物质被激发光激发所产生的荧光；并且，所述激发光调控元件的光轴、所述荧光会聚元件的光轴以及所述微流通道三者相交。该微流控芯片集成度高，促进了荧光检测***的小型化，提高了检测精确度。

Description

用于荧光检测的微流控芯片及包含其的荧光检测***

技术领域

本申请涉及生物检测的技术领域，具体地，本申请涉及一种用于荧光检测的微流控芯片及包含其的荧光检测***。

背景技术

细胞计数被广泛应用于生物、医学和食品安全领域，是现代科学实验室的常见实验方法。定量计算细胞或菌落密度、细胞繁殖速率、白细胞或红细胞计数等均会涉及细胞计数问题。

现有技术通常是对检测对象(或样本)染色后，在显微镜下进行人工计数。人工计数具有分析速度慢、容易产生误差等缺陷。为了克服现有技术对人工计数的依赖，发展出了流式细胞仪。流式细胞仪采用荧光材料标记细胞，通过激光激发荧光材料产生荧光，并利用光敏二极管采集荧光的幅值信号。流式细胞仪采用多组传统透镜以实现对激光光束的直径的调节和对荧光信号的采集，导致流式细胞仪的体积庞大。

因此，亟需一种小型化荧光检测***。

实用新型内容

为了解决现有技术中现有流式细胞仪体积庞大的问题，本申请实施例提供了一种用于荧光检测的微流控芯片，所述微流控芯片包括基板、激发光调控元件和荧光会聚元件；

其中，所述基板内形成有供检测对象通过的微流通道；

所述激发光调控元件与所述荧光会聚元件分别位于基板的两个相邻的表面上；

所述激发光调控元件包括第一超透镜，所述激发光调控元件用于调节激发光的光束直径，以使所述激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配；所述荧光会聚元件用于接收并且会聚所述检测对象包含的荧光物质被激发光激发所产生的荧光；并且，

所述激发光调控元件的光轴、所述荧光会聚元件的光轴以及所述微流通道三者相交。

可选地，所述荧光会聚元件与所述激发光调控元件的工作波段不同。

可选地，所述激发光调控元件的光轴、所述荧光会聚元件的光轴分别与所述微流通道的中心轴垂直。

可选地，所述激发光调控元件的光轴与所述荧光会聚元件的光轴垂直。

可选地，所述微流控芯片还包括进样段和出样段；

所述进样段和所述出样段分别位于所述微流通道的两端。

可选地，所述激发光调控元件还包括在激发光光路上位于第一超透镜下游的第二超透镜；

所述第一超透镜和所述第二超透镜的光焦度均为正；并且，所述第一超透镜和所述第二超透镜共焦面设置。

可选地，所述激发光调控元件嵌入所述基板中，并且，所述第一超透镜的物侧表面与所述基板的表面平齐，或者所述第一超透镜的物侧表面低于所述基板。

可选地，所述荧光会聚元件为第三超透镜。

可选地，所述荧光会聚元件的焦点位于所述微流通道的中心轴线上。

另一个方面，本申请还提供了一种荧光检测***，所述***包括如上述任一实施例提供的微流控芯片、激发光源以及探测器；

所述激发光源向激发光调控元件发射激发光；

所述探测器与荧光会聚元件同轴设置。

可选地，所述荧光检测***还包括信号处理器；所述信号处理器与所述探测器电连接。

通过上述技术方案，本申请至少取得了以下有益效果：

本申请提供的微流控芯片集成了激发光调控元件和荧光会聚元件，通过激发光调控元件将激发光的光束直径缩小，以使激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配；以及通过荧光会聚元件接收并且会聚所述检测对象包含的荧光物质被激发光激发所产生的荧光，提高了用于荧光检测的微流控芯片的集成度，避免了在用于荧光检测的***中配置多组透镜组，促进了荧光检测***的小型化。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1示出本申请实施例提供的用于荧光检测的微流控芯片的一种可选的俯视结构示意图。

图2示出本申请实施例提供的用于荧光检测的微流控芯片的一种可选的侧视结构示意图。

图3示出本申请实施例提供的用于荧光检测的微流控芯片的激发光调控元件的原理示意图。

图4示出本申请实施例提供的用于荧光检测的微流控芯片的荧光会聚元件的原理示意图。

图5示出了本申请实施例提供用于荧光检测的微流控芯片不集成荧光会聚元件时的检测结果。

图6示出了本申请实施例提供用于荧光检测的微流控芯片集成荧光会聚元件时的检测结果。

图7示出本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构的俯视示意图。

图8示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构的侧视示意图。

图9示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的结构示意图。

图10示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的排布示意图。

图11示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排布示意图。

图12示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排布示意图。

图中附图标记分别表示：

10-基板；20-激发光调控元件；30-荧光会聚元件；101-微流通道；102-进样段；103-出样段；201-第一超透镜；202-第二超透镜；300-微压控制器；400-激发光源；500-探测器；600-信号处理器；001-基底；002-纳米结构；003-填充介质；A-检测对象；C-超透镜的相位分布；F₀-焦点。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

本申请的发明人发现，现有的流式细胞仪不仅体积庞大，而且在荧光检测过程中获得的幅值信号曲线具有峰值信号不明显，即信噪比低的缺陷。此外，流式细胞仪显示的检测结果中存在负值，这些负值是流式细胞仪中放大电路的设计缺陷造成的。通常在检测中将这些负值信号对应的样本标记为阴性并不进行分析。也因此，采用流式细胞仪进行检测时，一味地追求高信噪比可能会导致部分阳性样本被漏检。

鉴于此，本申请实施例提供了一种用于荧光检测的微流控芯片，以促进荧光检测***的小型化，并提高检测信号的信噪比。在下文中，将以细胞计数为例，参照附图描述本申请的示例性实施方式。本文中，检测对象和样本可以互换。

参见图1，本申请实施例提供的微流控芯片包括基板10、激发光调控元件20和荧光会聚元件。其中，激发光调控元件20与荧光会聚元件30位于基板10的两个相邻的表面上。借此，可以避免激发光束与荧光信号产生串扰。此外，激发光调控元件20的光轴、荧光会聚元件30和微流通道101三者相交，以确保样本的荧光材料受到激发产生的荧光被荧光会聚元件接收并会聚。

具体地，如图1至图3所示，基板10为片状结构，其内部构造有供检测对象通过的微流通道101。通常，基板10的材质包括单晶硅片、石英、玻璃、有机聚合物(例如PMMA(Polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、COP(Cyclo Olefin Polymer,环烯烃聚合物)等)中的一种或多种。如图1所示，可选地，基板10还包括进样段102和出样段103。进样段102与出样段103分别位于微流通道101的两端。如图3所示，样本A从进样段102流经微流通道101后从出样段103离开本申请实施例提供的微流控芯片。应理解，本申请实施例提供的微流控芯片包括至少一个支路，每个支路可以允许单个样本(例如细胞)通过。应理解，进样段102与出样段103可以为锥形通道，且锥形通道与微流通道101连接的一端为直径较小的一端。

根据本申请的实施方式，激发光调控元件20与荧光会聚元件30分别位于基板10的两个相邻的表面上。如图1所示，激发光调控元件20朝向激发光源400，用于调节激发光源400发射的准直光束的直径，以使激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配。一般地，激发光调控元件20包括第一超透镜201，第一超透镜201可用作准直透镜，用于对入射的激发光进一步准直，以进一步地减小激发光束的发散角。当激发光束的直径大于检测所需的要求时，激发光调控元件20对激发光进行缩束；当激发光束的直径满足检测所需的要求时，激发光调控元件20仅对激发光进行准直。可选地，激发光调控元件20中的第一超透镜201为准直超透镜。例如，激发光束经过激发光调控元件20缩束后，光斑的直径约为20μm至40μm，而单个细胞的直径为10μm至20μm。若微流通道101中的样本流速控制得当，使样本之间的距离较大，可以使激发光束的直径大于样本直径，从而降低激发光调控元件的设计难度。应理解，激发光调控元件20的工作波段为激发光源的输出波长，输出波长与标记样本的荧光材料的激发波长匹配。一般地，激发光为激光。例如，吖啶橙是一种用于细胞DNA染色的荧光材料，其激发波长为488nm。通常，为了避免激发光的功率过高对样本造成损伤，激发光的功率为5～20mW。

更进一步地，如图1和图3所示，沿激发光的入射光路，激发光调控元件20还包括位于第一超透镜201下游的第二超透镜202。第一超透镜201和第二超透镜202的光焦度均为正，并且二者共焦面设置，以对激发光直径进行调控(例如扩束或缩束)。根据本申请的实施例，如图1和图3所示，激发光调控元件20嵌入上述的基板10，并且，第一超透镜201朝向激发光源400的物侧表面不超出基板10的表面。即，第一超透镜201的物侧表面与基板10的表面平齐或低于基板10的表面。

优选地，第一超透镜201与第二超透镜202还满足以下公式(1)：

M＝f₁/f₂；(1)

其中，M为激发光束的调控比；f₁为第一超透镜201的焦距；f₂为第二超透镜202的焦距。上述调控比是指，激发光束经激发光调控元件20调节前后的直径之比。可选地，第一超透镜201与第二超透镜202的间距等于f₁+f₂。示例性地，响应于调控比大于1，激发光调控元件20对激发光进行缩束；响应于调控比小于1，激发光调控元件20对激发光进行扩束；响应于调控比等于1，激发光调控元件20对激发光进行准直。

根据本申请的实施方式，如图3所示，激发光经过激发光调控元件20后照射在微流通道101。当微流通道101中的样本流经激发光照射位置时，样本所携带的荧光材料被激发光激发，产生散射的荧光。由于产生的荧光的照射方向是发散的，直接检测的信号强度较弱，而本申请实施例提供的荧光会聚元件30使得散射的荧光的发散角进一步地减小。此后这部分被聚焦的荧光将照射到探测器500的受光面，进而被检测得到强度信号。因此，微流通道中与荧光会聚元件30所对应的位置每通过一个被标记的样本，探测器500将检测到一个信号脉冲，进而在信号处理器上进行计数，实现细胞计数的功能。参见图1、图2和图4，荧光会聚元件30设置在与激发光调控元件20相邻的表面上。样本携带的荧光物质受到激发产生的荧光的至少部分，被荧光会聚元件30接收并会聚后射向探测器500的感光面。探测器500包括电荷耦合器件(CCD，Charge Coupled Device)，用于将经过会聚的荧光幅值信号转换为电信号。

有利地，荧光会聚元件30与激发光调控元件20的工作波段不同，进一步过滤掉除荧光之外的光谱，增加荧光会聚元件会聚的光信号的信噪比，从而增加荧光信号转换所得的电信号信噪比。优选地，荧光会聚元件30为第三超透镜。荧光会聚元件30用于聚焦激光激发的荧光材料后散射的荧光，可提高探测器检测得到的光强信号。荧光会聚元件30的工作波长为荧光材料的发光波长，并且在荧光波长上透射率较高，在激发波长上的透射率较低，否则探测器检测到的强度信号将包含激光散射光的背景噪声，信噪比不高。例如，吖啶橙的荧光发射波长为520nm，此时超透镜3在488nm波长有较高透射率，在520nm波长有较低透射率。假如上述透射率条件难以达到，可选地，采用滤光片和第三超透镜的组合替代。可选地，荧光会聚元件的焦点位于微流通道101的中心轴线上。

图5和图6分别示出了本申请实施例提供的微流控芯片不包含荧光会聚元件30与该微流控芯片包含荧光会聚元件30时采集的荧光幅值信号的对比。由图5和图6对比可知，荧光会聚元件30大幅提高了微流控芯片采集的荧光幅值信号的信噪比。优选地，荧光会聚元件30的光轴与激发光调控元件20的光轴垂直，由此，可以避免激发光与荧光的串扰。

上述第一超透镜、第二超透镜和第三超透镜统称为超透镜。接下来结合图7至图12，对本申请提供的超透镜进行详细描述。

超透镜是一种超表面，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。如图7和图8所示，在超透镜中纳米结构002周期性排布在基底001上，其中每个周期中的纳米结构002组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形，正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构002，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构002。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构002。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构002，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构002，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构002的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图7所示，所述超结构单元由纳米结构002按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。图7中，r为超透镜的中心到任一纳米结构002的中心的距离。例如，参见图8所示，虚线C示出了超透镜的相位分布，F₀为超透镜的焦点，f为超透镜的焦距。

如图10示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构002和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构002，各周边纳米结构002沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构002组成的正三角形互相组合。

如图11示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构002和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构002，组成正方形。

超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图12示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图12中的左下角区域，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构002。

示例性地，本申请实施例提供的纳米结构002可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构002可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构002的形状包括实心圆柱、中空圆柱、实心正方形棱柱、中空正方形棱柱等。图9中的(a)示出了纳米结构002为实心圆柱时的纳米结构单元的结构示意图。

示例性地，纳米结构002可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。纳米结构002可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构002可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。图9中的(b)示出了纳米结构002为纳米鳍时的纳米结构单元的结构示意图。根据本申请的实施方式，纳米结构002的特征尺寸大于或等于0.2λ_c，且小于或等于0.8λ_c；λ_c为入射辐射的中心波长。

根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构002的排列周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构002的高度大于或等于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，示例性地，纳米结构002的特征尺寸大于或等于0.2λ_c，且小于或等于0.8λ_c；λ_c为入射辐射的中心波长。

在又一些可选的实施方式中，本申请实施例提供的超透镜还包括增透膜。增透膜被设置于基底001远离纳米结构002的一侧；或者，增透膜被设置纳米结构002与空气相邻的一侧。增透膜的作用是对入射的辐射起到增透减反的作用。

根据本申请的实施方式，超透镜还包括填充材料003，填充材料003填充于纳米结构002之间，并且，填充材料003对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充材料003包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，填充材料的折射率与纳米结构002的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。

需要注意的是，本申请实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。

另一方面，本申请实施例还提供了一种荧光检测***，如图1、图2、图4所示，该荧光检测***包括上述任一实施例提供的微流控芯片、激发光源400以及探测器500；激发光源400向激发光调控元件20发射激发光；探测器500与荧光会聚元件600同轴设置。可选地，荧光检测***还包括信号处理器600；信号处理器600与探测器500电连接。

本申请提供的微流控芯片集成了激发光调控元件和荧光会聚元件，通过激发光调控元件调节激发光的光束直径，以使激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配，提高激发光源对样本携带的荧光材料的激发效率；以及通过荧光会聚元件接收并且会聚所述检测对象包含的荧光物质被激发光激发所产生的荧光，提高了用于荧光检测的微流控芯片的集成度，避免了在用于荧光检测的***中配置多组透镜组，促进了荧光检测***的小型化。并且，本申请实施例提供荧光检测***，由于微流控芯片通过荧光会聚元件使荧光幅值信号的信噪比远高于传统的微流控芯片，同时，也避免了现有的荧光检测***因放大电路的电压调节可能导致的阳性样本被漏检的问题。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于荧光检测的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括基板(10)、激发光调控元件(20)和荧光会聚元件(30)；

其中，所述基板(10)内形成有供检测对象通过的微流通道(101)；

所述激发光调控元件(20)与所述荧光会聚元件(30)分别位于基板(10)的两个相邻的表面上；

所述激发光调控元件(20)包括第一超透镜(201)，所述激发光调控元件(20)用于调节激发光的光束直径，以使所述激发光的光斑直径与检测对象的直径相匹配；所述荧光会聚元件(30)用于接收并且会聚所述检测对象包含的荧光物质被激发光激发所产生的荧光；并且，

所述激发光调控元件(20)的光轴、所述荧光会聚元件(30)的光轴以及所述微流通道三者相交。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述荧光会聚元件(30)与所述激发光调控元件(20)的工作波段不同。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述激发光调控元件(20)的光轴、所述荧光会聚元件(30)的光轴分别与所述微流通道的中心轴垂直；或

所述激发光调控元件(20)的光轴与所述荧光会聚元件(30)的光轴垂直。

4.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还包括进样段(102)和出样段(103)；

所述进样段(102)和所述出样段(103)分别位于所述微流通道(101)的两端。

5.根据权利要求1、2或3中任一所述的微流控芯片，其特征在于，所述激发光调控元件(20)还包括在激发光光路上位于第一超透镜(201)下游的第二超透镜(202)；

所述第一超透镜(201)和所述第二超透镜(202)的光焦度均为正；并且，所述第一超透镜(201)和所述第二超透镜(202)共焦面设置。

6.根据权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述激发光调控元件(20)嵌入所述基板(10)中，并且，所述第一超透镜(201)的物侧表面与所述基板(10)的表面平齐，或者所述第一超透镜(201)的物侧表面低于所述基板(10)。

7.根据权利要求1、2或3中任一所述的微流控芯片，其特征在于，所述荧光会聚元件(30)为第三超透镜。

8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述荧光会聚元件(30)的焦点位于所述微流通道(101)的中心轴线上。

9.一种荧光检测***，其特征在于，所述***包括根据权利要求1-8中任一所述的微流控芯片、激发光源(400)以及探测器(500)；

所述激发光源(400)向激发光调控元件(20)发射激发光；

所述探测器(500)与荧光会聚元件(30)同轴设置。

10.根据权利要求9所述的荧光检测***，其特征在于，所述***还包括信号处理器(600)；所述信号处理器(600)与所述探测器(500)电连接。