CN100535642C - 用于微流控芯片系统的荧光检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微流控芯片系统的荧光检测装置，它包括依序设置的激发光源、针孔、微流控芯片底片、微流控芯片、发射光滤光片、高压电源和计算机控制系统，其特征在于：所述激发光源采用小分子有机发光二极管，在所述激发光源与所述针孔之间设置超薄的激发光滤光片，在所述微流控芯片与发射光滤光片之间设置套环和设置在所述套环内的光纤，在所述发射光滤光片的顶部设置光电倍增管。本发明可以将激发光中覆盖荧光区域的杂散光滤掉，有效地提高了仪器的检测灵敏度，尽量缩小光源与微通道之间的距离，进一步缩小了仪器的体积，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，特别是关于一种采用有机发光二极管(OLED)作为光源的用于微流控芯片系统的荧光检测装置。
背景技术
随着科学技术的进步，分析仪器和分析科学也正经历着深刻的变革，其中一个日益明显的发展趋势就是化学分析设备的微型化、集成化和便携化。微全分析系统(Micro total analysis systems，μ-TAS)的概念是90年代初提出的，其目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上，因此也被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，其中的技术难关之一就是如何将包括检测器在内的诸多设备一并微型化、集成化。
目前，用于微流控芯片的检测器主要有激光诱导荧光(LIF)、电化学、化学发光、分子光谱、质谱等。其中激光诱导荧光检测是在微流控系统中应用最早，并且至今仍然应用较多的检测手段，也是目前在商品化微流控芯片分析系统中唯一被采用的检测器。但是传统的LIF检测系统通常存在体积庞大，价格昂贵，功耗较高的缺点，不适用于微流控芯片系统。
为了开发体积小、便于携带、价格低廉的用于微流控芯片系统的LIF检测器，国内东北大学方肇伦先生领导的研究小组采用635nm小型半导体激光器作为激发光源，在很大程度上降低了体积和成本，但是由于与通常的LIF系统一样在光源与检测器之间需要加入棱镜、透镜等光学元件，距离集成化仍有相当距离。半导体发光二极管(LED)是另一种激发光源，其体积更小，价格更低廉，可以简化检测器的结构，降低检测器的成本。Burns等研究人员在单晶硅片上制作了硅光电二极管光检测元件，并镀上滤光膜，采用蓝色发光二极管作为激发光源对DNA物质进行了荧光检测。Webster等也报道了一种集成在芯片上的LED荧光检测技术，实现了DNA限制片段的分离检测。上述微流控芯片虽然在很大程度上降低了系统的体积，但是作为光源的发光二极管仍然没有被集成在芯片系统中，而且还存在加工精度高，工艺复杂，成本较高的缺点。
有机发光二极管(OLED)是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，目前主要用于屏幕显示器、指示灯、仪器仪表等领域，和无机薄膜电致发光器件不同，OLED主要依赖于发光层中形成的激子发光。激子受束缚的电子空穴对，分别从ITO阳极和金属电极注入的空穴和电子相遇而成。当激子去激复合时，就会产生可见光。根据发光材料的不同，OLED又可以分成三类：小分子OLED，聚合物OLED(也被称为PLED)和镧系有机金属OLED(也叫稀土OLED)。将OLED用于分析仪器的检测器的研究工作仅刚刚开始，与此相关报道只有2004年4月英国伦敦皇家学院的DeMello等在Lab on a chip上面报道的以聚合物OLED为光源的微流控荧光检测系统的工作。他们制作的聚芴基PLED结构光源面积约40μm×1000μm，最大发射波长为488nm，PLED光源紧贴微流控芯片，没有采用任何光学元件，光源距离微通道距离为2mm。激发产生的荧光信号由一套简单的共焦系统(包括一个针孔和显微物镜)经发射光滤光片传送到雪崩二极管检测器中转换为电信号，再由锁相放大器将信号放大处理，由计算机记录下来。他们用该系统分离并检测了荧光素和5-羧基荧光素两种荧光染料。该系统由于没有对激发光进行滤光处理，光源发出的光谱比较宽，一部分杂散的激发光会通过检测器，很大程度上影响了检测灵敏度，为了提高系统的灵敏度而不得不采用锁相放大器这类价格昂贵的信号放大处理系统，使得该系统的成本高昂。另外，该系统所使用的聚芴基PLED光源不但价格昂贵，且外界无法得到，使得该系统无法推广使用。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可简化仪器结构，减小仪器体积，降低成本，并能进一步提高系统检测灵敏度的用于微流控芯片系统的荧光检测装置。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于微流控芯片系统的荧光检测装置，它包括依序设置的激发光源、针孔、微流控芯片底片、微流控芯片、发射光滤光片、高压电源和计算机控制系统，其特征在于：所述激发光源采用小分子有机发光二极管，在所述激发光源与所述针孔之间设置超薄的激发光滤光片，在所述微流控芯片与发射光滤光片之间设置套环和设置在所述套环内的光纤，在所述发射光滤光片的顶部设置光电倍增管。
所述激发光源包括一玻璃基片，在所述玻璃基片的表面设置有铟-锡氧化物阳极，在所述阳极表面镀设构成纳米级空穴传入层和电子传输层的有机物，在所述电子传输层表面镀设金属阴极，所述阴极表面设置与所述玻璃基片封装的玻璃盖片。
所述激发光滤光片的厚度小于400μm。
所述激发光滤光片的厚度为300μm。
所述光源到所述微流控芯片上通道的距离为1mm。
所述微流控芯片底片的厚度为100μm，且所述微流控芯片采用玻璃或高聚物材料聚二甲氧基硅烷、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用小分子OLED作为激发光源，代替原来的氩离子激光器和半导体激光器，使仪器体积大大减小。不必采用二向棱镜、透镜组等光学器件和结构，大大简化了仪器结构。2、与现有的PLED系统相比，本发明采用了厚度仅为300μm左右的超薄激发滤光片，一方面将激发光中覆盖荧光区域的杂散光滤掉，有效地提高了仪器的检测灵敏度；另一方面尽量缩小光源与微通道之间的距离，进一步缩小了仪器的体积。3、由于本发明采用了超薄激发滤光片，而不必采用锁相放大器这类价格昂贵的信号放大处理系统，使本发明的成本得到进一步降低。
附图说明
图1是本发明的结构分解示意图
图2是本发明安装后的剖面示意图
图3是本发明使用的有机发光二极管(OLED)的结构示意图
图4是激发滤光片对OLED发射谱线的影响效果图
图5是本发明第一实施例的检测结果图
图6是本发明第二实施例的检测结果图
具体实施方法
下面结合实施例并配合附图对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明包括光源1、激发光滤光片2、针孔3、微流控芯片底片4、微流控芯片5、套环6、光纤7、滤光片8、光电倍增管9、高压电源10和计算机11。
如图3所示，本发明采用小分子OLED作为光源1，其包括一采用标准光刻技术制成的玻璃基片12，在玻璃基片12上设置有ITO阳极13，在ITO阳极13上镀有两层采用真空镀膜技术镀上的有机物镀层，构成纳米级的空穴传入层14和电子传输层15，在电子传输层15的上表面还镀设有金属阴极16，在金属阴极16与ITO阳极13之间设有一可调直流电源DC供电，当ITO阳极13和金属阴极16注入的空穴和电子在空穴传入层14和电子传输层15相遇，激子去激复合时，便产生了可见光。最后用一玻璃盖片17进行封装，构成OLED平板式光源1。光源1的体积大小与微流控芯片5相当，并且呈平板状易于与微流控芯片5进行集成化。当可调直流电源输出的4.5～12V直流电压加在ITO阳极13和金属阴极16之间时，光源1即可发出相应波长和一定强度的激发光，用于荧光检测。根据光源1的ITO阳极13上镀设的不同的有机物，可以制成发出绿光、红光、蓝光和紫外光的光源1。本发明用小分子OLED平板光源1代替原来的氩离子激光器和半导体激光器，可以使仪器体积大大减小。由于本发明采用的小分子OLED光源容易得到，且价格较为低廉，所以本发明利于推广使用，具有较好的实用性。
如图1所示，本发明在光源1与微流控芯片底片4之间依序设有300μm厚的超薄的激发光滤光片2和板厚12μm的针孔3，激发光滤光片2可以将光源1发出的激发光中覆盖检测区域的杂散光滤掉，针孔3则可限制光源1在微流控芯片5的通道上的光斑大小。微流控芯片底片4的厚度仅为100μm，可以采用任何透明基质材料构成，
玻璃或PDMS(聚二甲氧基硅烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等高聚物材料，并采用标准光刻和软刻蚀技术加工制成。微流控芯片5的上方设置有光纤7，光纤7通过套环6对准微流控芯片5上的通道并固定在上面。在光纤7的另一端设置有发射光滤光片8和光电倍增管9，经过微流控芯片5的激发光产生的荧光信号由光纤7经发射滤光片8过滤后被光电倍增管9接收并放大，最后传输至计算机11，由计算机11记录并进行数据处理。高压电源10的四路输出端口分别与微流控芯片5上的样品池和缓冲溶液池连接，高压电源10另一端的COM接口与计算机11连接，用来控制微流控芯片5上的电泳进样及分离操作。
本发明设置了厚度仅为300μm厚的超薄激发光滤光片2来去除激发光源1中的杂散光(如图4所示)，图中左侧纵坐标为光源1的发射光强，右侧纵坐标为滤光片透过率。激发光滤光片2的透射光谱a从555nm处开始截止，而发射光滤光片8的透射光谱b约从560nm处开始通过。光源1不经任何滤光处理的发射谱线为c，其中约1/4光谱覆盖发射区域，可以通过发射光滤光片8对荧光检测结果产生干扰。在光源1与微流控芯片5之间加上激发光滤光片2可以将这部分杂散光滤掉，激发光滤光片2的厚度在400μm以下，越薄越好。由图中经激发光滤光片2过滤后的激发光发射谱线d可知，增加激发光滤光片2可以提高系统的灵敏度。因此，激发光滤光片2一方面可以将激发光中覆盖荧光区域的杂散光滤掉，另一方面尽量缩小光源与微通道的距离，提高系统的检测灵敏度，使得从光源1到微流控芯片5上通道的距离只有1mm。
下面以绿光光源为例对进行详细说明。
实例1：以不同浓度的Alexa532染料作为样品，以4％线形聚丙烯酰胺(LPA)，1×TBE(89mM Tris，89mM硼酸，2mM EDTA，pH8.3)为缓冲溶液，在微流控芯片中电泳分离，采用本发明进行检测，以考查本发明的灵敏度。操作前将微流控芯片通道用去离子水反复冲洗干净，充满经超声去气的缓冲溶液，向图1中缓冲溶液池B，缓冲废液池BW和样品废液池SW中分别加5μL缓冲溶液，向样品池S中加相同量的样品溶液，在反向电压下进样、分离并检测，其电场强度分别为250V/cm和470V/cm，得到的检测结果(如图5所示)。对于Alexa532染料，得到的最低检测浓度为7μM，进样体积约0.7nL荧光信号强度从7μM到280μM随浓度增加得到较好的线性关系，当浓度继续增大时发生偏离朗伯一比尔曲线的现象。
实例2：将本发明用于微流控芯片上电泳分离并检测蛋白质样品。向45μL浓度为20mg/mL牛血清白蛋白(BSA)中加入5μL10mg/mL Alexa532染料，室温下震荡1小时，4℃下反应过夜。以未作进一步纯化的上述Alexa532标记的蛋白为样品，用缓冲溶液稀释10倍后，在微流控芯片上进行电泳分离并采用该系统进行检测，得到的电泳分离谱图(如图6所示)。其中前面两个电泳峰e、f是未反应的Alexa532染料谱峰，后两个电泳峰j、h是BSA与染料结合产物，电泳条件和缓冲溶液与实例1一致。
通过上述实例，说明以OLED为光源的微型化的微流控芯片荧光检测系统不但能够像激光诱导荧光检测器一样被用于生物样品的分离检测，而且本发明没有采用二向棱镜、透镜组等光学器件和结构，大大简化了仪器结构，使本发明的体积得以减小，实现了检测系统的微型化，并可提高系统的检测灵敏度及降低成本。
Claims (7)
1、一种用于微流控芯片系统的荧光检测装置，它包括依序设置的激发光源、针孔、微流控芯片底片、微流控芯片、发射光滤光片、高压电源和计算机控制系统，其特征在于：所述激发光源采用小分子有机发光二极管，在所述激发光源与所述针孔之间设置厚度小于400μm的激发光滤光片，在所述微流控芯片与发射光滤光片之间设置套环和设置在所述套环内的光纤，在所述发射光滤光片的顶部设置光电倍增管。
2、如权利要求1所述的用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述激发光源包括一玻璃基片，在所述玻璃基片的表面设置有铟-锡氧化物阳极，在所述阳极表面镀设构成纳米级空穴传入层和电子传输层的有机物，在所述电子传输层表面镀设金属阴极，所述阴极表面设置与所述玻璃基片封装的玻璃盖片。
3、如权利要求1所述用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述激发光滤光片的厚度为300μm。
4、如权利要求2所述用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述激发光滤光片的厚度为300μm。
5、如权利要求1或2或3或4所述的用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述激发光源到所述微流控芯片上通道的距离为1mm。
6、如权利要求1或2或3或4所述的用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述微流控芯片底片的厚度为100μm，且所述微流控芯片采用玻璃或高聚物材料聚二甲氧基硅烷、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
7、如权利要求5所述的用于微流控芯片系统的荧光检测装置，其特征在于：所述微流控芯片底片的厚度为100μm，且所述微流控芯片采用玻璃或高聚物材料聚二甲氧基硅烷、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。
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