CN109374541A - 基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统及方法，包括：集成传感器芯片，用于物质的分离，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；光源系统，用于产生特定波长的光或者一系列波长的光，为集成传感器芯片的测试腔提供光学信号输入；光学接收系统，用于接收经过集成传感器芯片的测试腔后的光学信号，再传递给信号分析与处理系统；信号分析与处理系统，对接收到的光学信号进行信号分析与处理，得到相应物质浓度的数据，并进行后续处理，本发明通过微流控技术与表面等离共振激元技术的传感器技术，采用光学检测的方式直接完成物质的定性与定量分析，测量准确有效不需要使用额外的着色或荧光标记物，实现无标记快速检测。

Description

基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统及方法

技术领域

本发明属于生物化学检测与物质浓度检测领域，尤其涉及一种基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统及方法。

背景技术

在生物化学与医学检测中，相关物质成份的浓度或者数量检测至关重要；当前常用的检测设备一般都比较大，适合于移动测试，而且测试比较复杂；传统的检测手段一般是采用物质分离与浓度测量两个步骤。

当前最为流行的一种检测方式是采用微流控技术对物质进行分离，由于扩散速率与分子自身的特性有关，利用分子在微通道中的不同扩散距离可以将不同的分子进行分离，对分离后的物质加入荧光剂或其它非活跃性着色剂，再通过色度比较与光强度大小来量化所检测物质的浓度。这种检测方法可以实现定性与定量的测试，但缺点是设备比较大，而且定量分析并不精确。

第二种常见的检测方法是通过电化学阻抗分析的原理进行检测，如电化学分析仪，这种检测方法只适合于做定量检测，并不能做到定性分析；而另一种检测方式是通过光谱分析仪器，针对不同物质的波长来进行浓度测量。

上述检测方法一般步骤复杂或者设备比较最贵，并不适合于快速检测。目前缺少对物质浓度快速有效定性与定量的检测方法。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统及方法，整个检测方法分为定性分析与定量分析两个内容，采用微流控技术对检测目标实现物质分离，完成物质的定性分析，再通过表面等离共振激元的光学检测技术实现物质的定量分析，达到对物质浓度快速有效定性与定量的检测方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，包括：

集成传感器芯片，用于物质的分离，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；

光源系统，用于产生特定波长的光或者一系列波长的光，为集成传感器芯片的测试腔提供光学信号输入；

光学接收系统，用于接收经过集成传感器芯片的测试腔后的光学信号，再传递给信号分析与处理系统；

信号分析与处理系统，对接收到的光学信号进行信号分析与处理，得到相应物质浓度的数据，并进行后续数据处理。

进一步的，所述集成传感器芯片包括进样池、微通道、测试腔和废液池；所述进样池通过微通道与测试腔相通，上述微通道用于实现进样池中目标物质的物质分离；所述测试腔与废液池相通。

进一步的，所述微通道和测试腔的数量均不限于一个，可扩展为多通道并行处理，用于同时检测多种物质浓度；微通道的尺寸不局限于尺寸形状，也可以是通过不同表面处理的微通道形式。

进一步的，所述微通道分为上微通道和下微通道两个微通道，测试腔的数量为两个；两个所述测试腔分别设置在上微通道和下微通道内，并将上微通道和下微通道分别截分为第一微通道组和第二微通道组以及第三微通道组和第四微通道组；所述第一微通道组由三个通道尺寸为W1的微通道构成，第二微通道组由四个通道尺寸为W2的微通道构成，且W1 >W2；所述第三微通道组由三个通道尺寸为W3的微通道构成，第四微通道组由四个通道尺寸为W4的微通道构成，且W3 >W4；所述第一微通道组和第三微通道组与进样池相通，第二微通道组和第四微通道组与废液池相通。

进一步的，所述光源系统为单色光光源系统/可调波长光源系统。

进一步的，所述光学接收系统为光敏元件。

进一步的，所述光敏元件的敏感接收波长与光源系统所产生波长一致或相近。

进一步的，所述信号分析与处理系统由ADC与微控制器MCU组成。

进一步的，所述后续数据处理包括将相应物质浓度的数据直接显示/通过其它方式传递给用户终端进行图形化/第二次数据处理与数据分析。

基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统的方法，包括如下步骤：

S1:通过集成传感器芯片实现物质分离，完成定性分析，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；

S2:发射特定波长光源到集成传感器芯片的测试腔内，为测试系统提供光信号；

S3:接收集成传感器芯片传递过来的光信号；

S4:对接收的光信号进行分析与处理，完成物质浓度参数的定量分析。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过微流控技术与表面等离共振激元技术的传感器技术，采用光学检测的方式直接完成物质的定性与定量分析，检测快速有效，不需要使用额外的着色或荧光标记物，实现无标记快速检测。在采用微流控技术实现物质分离的基础上，采用离子共振激元技术实现物质浓度的准确测量，该检测方法简单实用，检测时间短，测量准确有效。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明实施例一中略去废液池后集成传感器芯片的结构示意图；

附图3为本发明实施例二中集成传感器芯片的结构示意图；

附图4为本发明中不同浓度的溶液经过SPR光学元件后的光强关系；

其中：B1集成传感器芯片、B2光源系统、B3光接收系统、4信号分析与处理系统、1进样池、2微通道、3测试腔、4废液池、20第一微通道组、21第二微通道组、22第三微通道组、23第四微通道组。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。

参阅附图1，本发明实施例中的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，包括集成传感器芯片B1，用于物质的分离，并将目标物质集中在集成传感器芯片B1的测试腔内；光源系统B2，用于产生特定波长的光或者一系列波长的光，为集成传感器芯片B1的测试腔提供光学信号输入；光学接收系统B3，用于接收经过集成传感器芯片B1的测试腔后的光学信号，再传递给信号分析与处理系统B4；信号分析与处理系统B4，对接收到的光学信号进行信号分析与处理，得到相应物质浓度的数据，并进行后续数据处理。

参阅附图4为不同浓度的溶液经过SPR光学元件后的光强关系，曲线从上到下依次代表50%浓度蔗糖水、20%浓度蔗糖水和40%浓度蔗糖水的光强和波长的曲线比。

作为优选的实施方式，所述集成传感器芯片为结合微流控技术与表面等离共振激元技术的集成传感器芯片；其中微流控（Microfluidic），是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术；SPR（Surface plasmon resonance）表面等离体共振，又称表面等离共振激元，本质上是一种物理光学现象。

具体的，集成传感器芯片由进样池1、微通道2、测试腔3（本质上是SPR表面等离共振激元光学传感器）、废液池4组成，所述进样1池通过微通道2与测试腔3相通，上述微通道2用于实现进样池1中目标物质的物质分离；所述测试腔3与废液池4相通。

所述集成传感器芯片不局限于单个微通道（或者单个物质的分离与量化），还可以扩展为更多微通道也可以可扩展为多通道并行处理，用于同时检测多种物质浓度，所述集成传感器芯片中微通道的尺寸不局限于尺寸形状，也可以是通过不同表面处理的微通道形式。

参阅附图2，作为优选的一种实施例一，集成传感器芯片中微通道2和测试腔3的数量为一个，此时目标物质在进样池1内，并通过微流控技术实现物质的分离，并最后存储在测试腔3内。

参阅附图3，作为优选的一种实施例二，所述微通道2分为上微通道和下微通道两个微通道，测试腔3的数量为两个；两个所述测试腔3分别设置在上微通道和下微通道内，并将上微通道和下微通道分别截分为第一微通道组和第二微通道组以及第三微通道组和第四微通道组；所述第一微通道组由三个通道尺寸为W1的微通道构成，第二微通道组由四个通道尺寸为W2的微通道构成，且W1 >W2；所述第三微通道组由三个通道尺寸为W3的微通道构成，第四微通道组由四个通道尺寸为W4的微通道构成，且W3 >W4；所述第一微通道组和第三微通道组与进样池相通，第二微通道组和第四微通道组与废液池相通。

上述集成传感器芯片，通过微流控技术，实现液体样本的物质分离，第一微通道的通道尺寸W1,第二微通道的通道尺寸W2或者第三微通道的通道尺寸W3,第四微通道的通道尺寸W4来实现物质大小的分离，完成定性分析，这样可以将尺寸在W1,W2之间的物质保留在上微通道测试腔中，而尺寸在W3,W4之间的物质将保留在下微通道测试腔中，实现物质的分离；而测试腔为SPR表面等离共振激元光学器件，从而实现所在腔室物质浓度的测量，完成最后的定量分析。

集成传感器芯片用于物质的定性与定量分析，所述集成传感器芯片的测试腔由基于表面等离共振激元技术的光学传感元件实现，基于不同物质在不同浓度下在该测试腔中的透射能力不同，从而可以通过透射光强的大小来实现相关浓度参数的检测。对于集成传感器芯片中微通道尺寸的设计可以实现不同物质的选择，实现物质分离，在整个测试系统实施方案中，集成传感器芯片是整个检测方法的核心。

作为优选的实施方式，所述光源系统主要用于产生一定波长与强度的光信号，也可以通过发射一系列波长的光。

光源系统，一般采用单色光光源或者是可调波长光源系统，其波长与光的强度由光源系统所产生与控制；其中光强度的产生与控制相对精密，在系统组装过程中，光源系统与集成传感器芯片B1的物理距离不同，选用的光强大小也要有所不同，保证系统的灵敏性与可靠性。在针对不同物质进行检测时，由于物质不同，SPR表面等离共振激元的响应程度不同，因此通过不同波长的光信号的产生，提高系统检测的灵敏度。

作为优选的实施方式，所述光学接收系统，一般采用光敏元件实现透过集成传感芯片后的光强大小的检测，其中，光敏元件的敏感接收波长与光源系统所产生波长一致或相近。所述光接收系统主要用于传感器检测信号的强度。对于光接收系统中的光敏元件，对于只产生单波长的光源系统宜选用光源波长一样或相近的光敏元件来增强系统的测试精度，对多波长光源系统，选用对波长不太敏感或宽带光敏元件。

作为优选的实施例，所述信号分析与处理系统包括ADC模拟数字转化器、MCU微控制器等，信号分析与处理系统中的模拟数字转换器ADC采用12位以上高精度ADC，MCU不只是实现对ADC数据的分析与处理，同时也可以用于光源系统的控制。由光学接收系统接收到的光信号强度（一定波长的）将经过ADC量化，所转化的数据经过MCU微控制器进行分析处理，对所检测的物质浓度与光强关系通过查表分析得到物质浓度的数据结果。此部分数据结果不仅限于通过LED和/或LCD显示屏对数据进行显示，还可以理解为其它任何形式的检测数据的显示，通过相关通信接口将数据导入到电脑或者其它终端设备来显示，也可以通过无线数据传输方式，如通过蓝牙将检测数据传送到手机中进行相关参数的显示与应用等，提高系统的便携性与智能性。

本发明还包括基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统的方法，包括如下步骤：

S1:通过集成传感器芯片实现物质分离，完成定性分析，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；

S2:发射特定波长光源到集成传感器芯片的测试腔内，为测试系统提供光信号；

S3:接收集成传感器芯片传递过来的光信号；

S4:对接收的光信号进行分析与处理，完成物质浓度参数的定量分析。

本发明通过微流控技术与表面等离共振激元技术的传感器技术，采用光学检测的方式直接完成物质的定性与定量分析，检测快速有效，不需要使用额外的着色或荧光标记物，实现无标记快速检测。在采用微流控技术实现物质分离的基础上，采用离子共振激元技术实现物质浓度的准确测量，该检测方法简单实用，检测时间短，测量准确有效。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于，包括：

集成传感器芯片，用于物质的分离，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；

光源系统，用于产生特定波长的光或者一系列波长的光，为集成传感器芯片的测试腔提供光学信号输入；

光学接收系统，用于接收经过集成传感器芯片的测试腔后的光学信号，再传递给信号分析与处理系统；

信号分析与处理系统，对接收到的光学信号进行信号分析与处理，得到相应物质浓度的数据，并进行后续数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述集成传感器芯片包括进样池、微通道、测试腔和废液池；所述进样池通过微通道与测试腔相通，上述微通道用于实现进样池中目标物质的物质分离；所述测试腔与废液池相通。

3.根据权利要求2所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述微通道和测试腔的数量均不限于一个，可扩展为多通道并行处理，用于同时检测多种物质浓度；微通道的尺寸不局限于尺寸形状，也可以是通过不同表面处理的微通道形式。

4.根据权利要求3所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述微通道分为上微通道和下微通道两个微通道，测试腔的数量为两个；两个所述测试腔分别设置在上微通道和下微通道内，并将上微通道和下微通道分别截分为第一微通道组和第二微通道组以及第三微通道组和第四微通道组；所述第一微通道组由三个通道尺寸为W1的微通道构成，第二微通道组由四个通道尺寸为W2的微通道构成，且W1 >W2；所述第三微通道组由三个通道尺寸为W3的微通道构成，第四微通道组由四个通道尺寸为W4的微通道构成，且W3 >W4；所述第一微通道组和第三微通道组与进样池相通，第二微通道组和第四微通道组与废液池相通。

5.根据权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述光源系统为单色光光源系统/可调波长光源系统。

6.根据权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述光学接收系统为光敏元件。

7.根据权利要求5所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述光敏元件的敏感接收波长与光源系统所产生波长一致或相近。

8.根据权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述信号分析与处理系统由ADC与微控制器MCU组成。

9.根据权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统，其特征在于：所述后续数据处理包括将相应物质浓度的数据直接显示/通过其它方式传递给用户终端进行图形化/第二次数据处理与数据分析。

10.如权利要求1所述的基于微流控与表面等离共振激元的浓度检测系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:通过集成传感器芯片实现物质分离，完成定性分析，并将目标物质集中在集成传感器芯片的测试腔内；

S2:发射特定波长光源到集成传感器芯片的测试腔内，为测试系统提供光信号；

S3:接收集成传感器芯片传递过来的光信号；

S4:对接收的光信号进行分析与处理，完成物质浓度参数的定量分析。