带显微镜接口的微流控芯片光学检测器

摘要

带显微镜接口的微流控芯片光学检测器，涉及一种光学检测器。提供一种使用USB总线电源技术、集信号控制、采集和处理为一体的便携式的带显微镜接口的微流控芯片光学检测器。设有机壳、光电倍增管、信号控制采集处理板和USB接口线；光电倍增管固定在信号控制采集处理板上，信号控制采集处理板固定在机壳内；信号控制采集处理板设有混合信号单片机MCU、前置放大器、信号放大电路、高压模块、USB接口和USB电源转换电路。

权利要求

1.带显微镜接口的微流控芯片光学检测器，其特征在于设有机壳、光电倍增管、信号控制采集处理板和USB接口线；

光电倍增管固定在信号控制采集处理板上，信号控制采集处理板固定在机壳内；信号控制采集处理板设有混合信号单片机MCU、前置放大器、信号放大电路、高压模块、USB接口和USB电源转换电路；

混合信号单片机的荧光数字信号输出端和指令输入端分别经USB接口通过USB接口线外接上位机，向上位机传输荧光数字信号，并将上位机的指令输入混合信号单片机；前置放大器的输入端接光电倍增管的荧光电流信号输出端，前置放大器的输入端接混合信号单片机的A/D转换通道输入端，混合信号单片机的D/A转换通道模拟信号输出端接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端接高压模块输入端，高压模块输出端接光电倍增管，USB电源转换电路输入端接USB接口，USB电源转换电路输出端分别接混合信号单片机、前置放大器和高压模块。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学检测器，尤其是涉及一种带显微镜接口的微流控芯片光学检测器。

背景技术

微流控芯片(Microfluidic Chip)或称为芯片实验室(Lab on a Chip，LOC)是一个多学科交叉的新领域，是指在一块几平方厘米的芯片上构筑微通道网络，集成生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离、检测等基本操作单元，完成生物或化学的反应或分离分析的一种技术。由于具有微型化、可集成化、速度快、样品消耗量少等特点，微流控芯片技术可广泛应用于化学、生物、医学、生命科学等领域，如氨基酸、核酸、蛋白质、细胞的分离分析，药物合成与筛选，兴奋剂检测等等。
微流控芯片的结构特征是具有微通道网络，微通道的直径一般在数十至数百微米之间，因此，微流控芯片的光学检测通常需要借助显微镜的光学系统进行，例如，在微流控芯片领域最常用的激光诱导荧光检测系统。使用CCD或数码相机进行现场观察和检测记录，检测灵敏度较低。光电倍增管信号灵敏，在光学检测中普遍得到应用。因此，本发明旨在提供一种可装配于显微镜的小型光电倍增管光学检测器。
许旭等(中国专利CN1595117)使用直接使用电荷耦合装置(CCD)进行微流控芯片的检测，采用参比光校正的方法提高信噪比。此外，丁永生等(中国CN1724997)、孙毓庆等(中国CN2672649)、方肇伦等(中国专利CN2501046)、岑兆丰等(中国专利CN2736759)和周小棉等(中国专利CN2736759)等，采用透镜组和光电倍增管组成的复杂光学系统进行微流控芯片的光学检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用USB总线电源技术、集信号控制、采集和处理为一体的便携式的带显微镜接口的微流控芯片光学检测器。
本发明设有机壳、光电倍增管、信号控制采集处理板和USB接口线；
光电倍增管固定在信号控制采集处理板上，信号控制采集处理板固定在机壳内；信号控制采集处理板设有混合信号单片机MCU、前置放大器、信号放大电路、高压模块、USB接口和USB电源转换电路；
混合信号单片机的荧光数字信号输出端和指令输入端分别经USB接口通过USB接口线外接上位机，向上位机传输荧光数字信号，并将上位机的指令输入混合信号单片机；前置放大器的输入端接光电倍增管的荧光电流信号输出端，前置放大器的输入端接混合信号单片机的A/D转换通道输入端，混合信号单片机的D/A转换通道模拟信号输出端接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端接高压模块输入端，高压模块输出端接光电倍增管，USB电源转换电路输入端接USB接口，USB电源转换电路输出端分别接混合信号单片机、前置放大器和高压模块。
信号控制采集处理板使用USB接口总线和上位PC机等进行数据和信号传输，使用USB接口总线电源作为检测器的电源。
由于本发明的检测窗口和其它部分能够直接集成装配于显微镜的检测接口，与显微镜密切配合，因此可达到最佳检测效果。另外，使用USB接口和USB总线电源可使检测效果传输快速、准确、方便和高效。同时，可通过上位PC机或便携式电脑等直接控制微流控芯片光学检测器检测灵敏度，自动使用软件、硬件扣除背景噪音等；不仅便于携带，而且可用于其它化学发光场合的微弱光信号检测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的电路原理组成框图。
图3为本发明实施例的电路原理图。
图4为本发明实施例的光电倍增管在不同高压电压，FITC溶液的荧光强度与浓度关系曲线图。在图4中，横坐标为氨基酸荧光标记溶液浓度concentration(×10-7mol/L)，纵坐标为荧光强度fluorescence intensity(nA)；曲线a：光电倍增管电压为500V，线性相关系数R2＝0.9987，曲线b：光电倍增管电压为400V，线性相关系数R2＝0.9992。
图5为本发明实施例的FITC标记氨基酸芯片电泳谱图。在图5中，横坐标为工作时间time(min)，纵坐标为荧光强度fluorescence intensity(nA)。

具体实施方式

如图1所示，微流控芯片光学检测器设有机壳1、光电倍增管2、信号控制采集处理板3和USB接口线4。光电倍增管2通过管座5固定在信号控制采集处理板3上，信号控制采集处理板3固定在机壳1内。光电倍增管2设有检测窗口6和显微镜连接口7。
参见图2，信号控制采集处理板设有混合信号单片机MCU 31、前置放大器32、信号放大电路33、高压模块34、USB接口35和USB电源转换电路(包括USB总线5V电源36、3.3V或3V电源37和12V升压电源38)。
混合信号单片机MCU 31的荧光数字信号输出端和指令输入端分别经USB接口35通过USB接口线4(参见图1)外接上位机，向上位机传输荧光数字信号，并将上位机的指令输入混合信号单片机MCU 31；前置放大器32的输入端接光电倍增管2的荧光电流信号输出端，前置放大器32的输入端接混合信号单片机MCU 31的A/D转换通道输入端，混合信号单片机MCU 31的D/A转换通道模拟信号输出端接信号放大电路33输入端，信号放大电路33输出端接高压模块34输入端，高压模块34输出端接光电倍增管2，USB电源转换电路的USB总线5V电源36的输入端接USB接口35，USB电源转换电路的USB总线5V电源36的输出端接前置放大器32和USB电源转换电路的3.3V或3V电源37，USB电源转换电路的3.3V或3V电源37输出端接混合信号单片机31，12V升压电源38输出端接高压模块34。
信号控制采集处理板使用USB接口总线和上位PC机等进行数据和信号传输，使用USB接口总线电源作为检测器的电源。PC计算机或便携式电脑等上位机的USB总线电源提供微流控芯片光学检测器的全部输入电源。
图3给出本发明实施例的电路原理图。
1.USB接口(J2和U5)：混合信号单片机MCU向PC计算机等上位机传输荧光数字信号；PC计算机或便携式电脑等上位机向信号控制采集处理板MCU发送指令；USB电源总线向信号控制采集处理板提供电源；
2.+12V升压电源(U3)：把USB电源总线+5V升压到+12V，提供高压模块输入电源；
3.高压模块(U4)：提供光电倍增管电源，输出电压高低由MCU控制；
4.电源3.3V(U2)：把USB总线+5V电源调节到+3.3V，提供MCU电源；
5.信号放大电路(U6A)：把MCU模拟输出信号放大后输到高压模块，控制输出到光电倍增管的高压电压；
6.PMT光电倍增管：把芯片沟道的荧光信号采集放大并送至前置放大器；
7.前置放大器(U6B)：把PMT光电倍增管荧光电流信号放大转换为电压，送至MCU的A/D转换通道；
8.混合信号单片机MCU(U1)：采用C8051F020/22芯片，它具有8路12位A/D数字转换器和2路12位D/A模拟转换器；通过USB总线接受PC计算机或便携式电脑等上位机的指令；通过D/A转换通道控制高压模块的输出电压，控制PMT光电倍增管的检测灵敏度；通过D/A转换通道改变前置放大器的偏置电压，消除PMT光电倍增管的背景噪音电流的影响；通过A/D转换通道把经前置放大器放大的PMT光电倍增管荧光信号转换为数字信号；再通过USB总线把荧光数字信号传送到PC计算机或便携式电脑等上位机实时显示。
各主要器件的参考型号和主要元件的参考数值如下：
二极管D1：1N5818。
晶振XL1：32.768KHz。
集成电路U1：C8051F020(22)，U2：HT7533，U3：MC34063A，U5：CP2101，U6：OPA2336。
高压模块U4：CC209-01Y。
电容C1～C5、C25：100μF/16V，C6～C11：0.1μF，C12：1500pF，C14：100μF/16V，C15～C21：0.1μF，C22、C23：20pF，C24：4.7μF，C26：10uF/16V，C27：1000pF。
电阻R1、R2、R4、R5：5.1KΩ，R3：10KΩ，R6：0.5Ω，R7：180Ω，R8、R12、R14、R20、R21：20KΩ，R9：2.4KΩ，R10、R11：100Ω，R13：1MΩ，R15：200KΩ。
电感L1：100μH。
接口J2：USB接口。