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用于微流控芯片的全波长实时荧光检测系统研制

发布时间: 2020-01-16 16:24 来源: 海洋光学亚洲公司

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传统的激光诱导荧光检测系统总体上存在体积过大、系统复杂,价格昂贵等局限性,不能满足微流控芯片分析系统的应用需求。

与传统的分析系统相比,目前对于微流控芯片检测装置的要求更趋于操作简单、使用方便、便于携带的小型仪器。微流控芯片的检测装置要求更高的灵敏度和更快的响应速度。用于微流控芯片的检测装置主要有:紫外吸收检测法、化学发光检测法、电化学检测法以及荧光检测法。

本研究旨在设计一套操作简单、性能可靠的荧光检测系统及其实验平台,用于微流控芯片的全波长实时荧光检测。

·系统设计与实现


图1 检测系统结构图

检测系统结构如图1所示。系统由一台卤钨灯、两根光纤、微流控芯片、一台光谱仪以及PC上位机组成。


图2 硬件组合安装方式

硬件组合安装方式见图2。通过相应的实验验证,将激发光纤和探测光纤成110度的夹角放置时,激发光能透过微流控芯片的硅胶层顺利激发芯片内荧光物质,且此时激发光对荧光检测的影响最小。再通过软件层面的算法操作便可完全消除激发光和微流控芯片的背景光影响。因此这种卤钨灯和光谱仪结合的方式可以满足绝大多数荧光物质的激发和探测要求。

·软件界面设计

上位机控制软件是整个荧光检测系统的核心,主要包括硬件连接、光谱仪参数设置、数据处理与显示以及数据存储等功能。本研究基于 LabWindows设计了的系统的控制及显示界面。


图3 软件界面

·软件详细设计

光谱仪的驱动与参数设置,利用Ocean Optics 公司提供的OOIDrv32开发包进行二次开发,实现了USB2000光谱仪的驱动及参数设置.

研究同样对软件整体进行了性能分析与内存优化,在实验的过程中软件运行稳定流畅,系统控制软件主程序流程图见图4。



图4 主程序流程图

·实验及结果及分析

系统搭建完成后,基于本系统分别对微流控芯片中罗丹明B与罗丹明6G两种溶液的荧光强度进行检测,对系统的测试性能进行验证。基于本系统对微流控芯片中不同浓度的罗丹明B荧光强度进行检测,对系统的准确性进行测试。


图5 微流控芯片

·结果


图6 罗丹明6G不同浓度荧光强度

图6为罗丹明6G不同浓度对应的荧光强度,各个浓度下荧光强度基本保持恒定。平均值为 552-558 nm波长荧光强度的平均值。其中1μg/ml 浓度的荧光强度很弱,但依旧可以看出当采集点由腔室转到空白区域时(14s处),光强数值有所下降。表明本系统在积分时间为300 ms的情况下,最低可以测量1μg/ml浓度试剂的荧光,满足大多数情况下微流控芯片荧光检测的要求。


图7 罗丹明6G荧光标准曲线

图8为各个浓度下测得数据的平均值拟合的罗丹明6G标准曲线。罗丹明6G荧光的测定原理:在一定浓度下荧光强度会随着浓度的增大而增大,即具有线性关系。拟合出的标准曲线为y=2.1364x+7.9574、R2=0.995。罗丹明6G浓度梯度荧光实验表明,本论文研究的系统可灵敏地检测到相应的浓度变化,且测量的准确性较高,已能够满足微流控芯片荧光检测的使用需求。

·结论

论文基于LabWindows开发平台,结合HL2000-FHSA卤钨灯光源和USB2000光谱仪研制了一套微流控芯片全波长实时荧光检测系统。系统不需要配置相应波长的激发光和滤光片,集成度高、操作简单。控制程序具有良好的稳定及扩展性能,并能存储数据以便进一步研究。通过不同荧光物质的对比和浓度梯度实验,分别验证了系统的检测多样性、精确度、灵敏度、线性度,实验结果表明,系统的可靠性满足微流控芯片内不同荧光物质的荧光强度实时检测的要求,可以为后续基于微流控芯片的生化免疫分析、药物分析和多细胞生命体等研究提供研究基础和分析手段。本系统的性能以及在微流控芯片荧光检测上的有效应用还需要大量实验的进一步验证。


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