专利名称：一种集成式微流控芯片控制与分析平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及微流控芯片领域的仪器研制技术，特别提供了一种集成式微流控芯片控制与分析平台。
背景技术：
微流控芯片技术是当前分析化学和生物化学领域的热点课题。所谓微流控芯片技术，是指把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集成或基本集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。
当代分析化学的发展历史表明，一种分析技术要取得突破性进展，在很大程度上依赖于分析仪器的研制开发及商品化。在微流控芯片技术发展早期，芯片毛细管电泳是其主流技术，与之相适应，微流控芯片仪器的开发也以芯片电泳仪为主。
中国市场上可见的商品化仪器仅有两种一是由加拿大micralyne公司生产的microfluidic tool kit，另一种是安捷伦公司生产的bioanalyzer 2100。前者激发波长为532nm，仅有四电极，肉眼手动式聚焦，无电流显示，无通道监测功能，软件简单，不能存储较多的实验数据，不能对谱图进行峰面积计算等后续处理。后者的芯片、电极、以及试剂盒均为固定模式，不能调整，不适用于基础性探索性研究。
经过十来年的快速发展，微流控芯片技术已突破发展初期的芯片加工技术瓶颈，目前已呈现出功能化、集成化的发展态势。除了比较成熟的芯片电泳技术外，诸如在线生化反应(如PCR)、在线样品处理(过滤、固相萃取等)、细胞培养与筛选、微泵和微阀等功能单元都已在微流控芯片上初步实现。为了支撑这种功能化、集成化的微流控芯片研究，有必要发展区别于单纯芯片电泳仪的集成式微流控芯片控制与分析装置。

发明内容
为了适应功能化、集成化的微流控芯片研究，本发明提供了一种集成式微流控芯片控制与分析平台，本发明同时具有激光诱导荧光检测与芯片通道CCD图像监测两大功能，且可方便地进行微流控芯片的相关应用和实验研究，使用操作过程极为方便。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，依共聚焦原理设计，它主要由激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)、八电极直流高压电源模块(2)、控制电路模块(3)、程控三维平台(4)、精密注射泵模块(5)和控制软件构成；其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)采用共聚焦原理工作，它固定在一个二维平台上；按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，它主要由激光器(101)、分色镜(103)、聚焦物镜(104)、透反分光镜(105)、光电倍增管PMT(109)、CCD摄像机(110)组成；其中光电倍增管PMT(109)与CCD摄像机(110)呈90度角放置，进入两者的光强通过90/10透反分光镜(105)分配。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，激发光滤光片(102)放置在激光器(101)与分色镜(103)之间。激发光滤光片的作用是滤去激光器所发出的光中的杂散光，如果所选用的激光器光源质量足够好，则也可以不用激发光滤光片。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，发射光滤光片(106)在透反分光镜(105)与光电倍增管PMT(109)之间。发射光滤光片(106)的作用是滤去背景杂散光，使有用的荧光不受过大影响，以达到预期的监测和成像目的。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于在激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，透镜(107)和针孔(108)放置在发射光滤光片(106)与光电倍增管PMT(109)之间。透镜(107)的作用是对透过发射光滤光片的荧光进行聚焦处理，针孔(108)的作用是选择经透镜(107)聚焦后的一小束光进入光电倍增管PMT(111)进行检测。
本发明光路部分工作原理概述如下半导体固体激光器(101)发出的激光束经激发光滤光片(106)滤去杂光后被分色镜(103)反射，再由聚焦物镜(102)聚焦在芯片(101)的微通道上，从而激发微通道中的荧光物质产生荧光，发出的荧光经同一聚焦物镜(102)所收集，透过分色镜(103)后被透反分光镜(105)分成两束，透过部分再经过发射光滤光片(104)滤去背景杂散光，用透镜(105)聚焦后通过针孔(108)进入光电倍增管PMT(111)检测；如果需要实现图像监测功能，先打开芯片(101)上部的红色照明灯(作用是保护光电倍增管PMT)，芯片微通道影像同样经聚焦物镜(102)收集，透过分色镜(103)后由90/10透反分光镜(105)反射进入CCD摄像机(110)靶面成像。这种光路的特点是结构简单易调，可在无需手工切换的情况下实现激光诱导荧光检测与CCD图像监测的光路耦合。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于程控三维平台(4)由两部分组成，其中一部分与整个激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)固联，另一部分安装有实验芯片操作平台；程控三维平台(4)的这两部分之间在三维空间中能实现任意相对位置的互动匹配关系。所谓互动匹配只得使二者在三维空间上可以形成任意的相对位置关系。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于程控三维平台(4)由三个精密步进电机驱动，其中一个控制芯片操作平台的上下移动，另两个控制整个激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)的水平二维移动。
程控三维平台(4)在CCD图像监测下利用控制软件通过控制电路模块(3)实现对芯片微通道的自动聚焦和精确定位。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于精密注射泵模块(5)由一台或多台微量注射泵组成，通过连接管路及接口装置与芯片连接。
本发明集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于发射光滤光片(106)可方便的抽出更换，以与不同发射波长的荧光染料相适应。
本发明的八电极直流高压电源模块(2)由四块相同的高压板构成；每块高压板上均包括两个高压电源模块、四个高压继电器、一片单片机及配套的电压控制电路、电压及电流采集电路；每个电极都有三种状态输出、悬挂和接地。
本发明的控制电路模块(3)包括高压控制与采集板、三维平台控制板、注射泵控制板、PMT信号采集板及CCD图像采集卡；其中，高压控制与采集板负责高压输出与继电器状态设定以及实时采集各电极输出电压及电流，三维平台板控制三维平台的移动，注射泵控制板负责注射泵状态及流速设定，PMT信号采集板负责PMT信号采集及数模转换，CCD图像采集卡完成CCD图像信号采集与输出。
本发明通过控制软件对整机进行全程控制，通过COM+端口与控制电路系统进行数据通讯；控制软件用Borland C++编写而成，软件的作用是设置各电极输出电压及继电器状态；控制三维平台的移动；控制注射泵的状态与流速；实时显示各电极的电压和电流值；实时显示PMT信号图；谱图放大与保存；谱图峰高、峰面积及迁移时间计算等。
本发明提供了一种集成式微流控芯片控制与分析平台，它具有以下主要优点1)激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)同时具有激光诱导荧光检测与芯片通道CCD图像监测两大功能，且无需进行光路切换，两大功能可以同时实现，使用操作过程极为方便；2)八电极直流高压电源模块(2)与精密注射泵模块(5)组成的联合驱动模块中，内置的八电极直流高压电源系统可满足大部分电压驱动的芯片微流体控制要求，而对于不适合电驱动的流体，可采用外置的两台注射泵及相应的接口装置来驱动；3)在CCD图像监测下利用程控三维平台可以实现对芯片微通道的自动聚焦和精确定位；4)采用全电脑控制，控制软件可实时显示PMT采集信号以及各电极的电压与电流值，还能对谱图进行后续处理。


图1整体构成原理示意图；图2光路示意图；图3软件工作流程原理图。
具体实施例方式

图1主机上部为芯片操作平台，主机前下部为光学模块，主机后部为高压电源模块和控制电路，注射泵外置；图2实线代表激光，虚线代表荧光，中央方框为一整体光路盒。
本实施例集成式微流控芯片控制与分析平台在外观上由三个部分组成(如附图1)主机、精密注射泵及计算机。主机上部为芯片操作平台，包括电极支架、芯片平台等；主机前下部为光学系统及三维平台；主机后部为高压电源模块及控制电路模块，包括高压板、三维平台控制板及PMT信号采集板。注射泵通过teflon管及特定的接口装置与芯片连接。主机及注射泵分别通过COM+端口与计算机进行通讯连接。
具体操作时，首先将芯片水平放置在芯片平台上，根据功能要求选择合适的驱动方式(施加电压或采用注射泵)；然后打开激光及照明灯，通过软件控制三维平台的移动，在CCD监测下进行芯片微通道聚焦及检测点定位；接着在软件中设置各电极输出电压及注射泵流速；最后打开光电倍增管PMT，开始数据采集，实时监测PMT响应曲线及各电极输出电压及电流；采集完成后可对谱图进行放大与保存，峰高、峰面积及迁移时间计算等后续处理。
权利要求
1.一种集成式微流控芯片控制与分析平台，主要由激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)、八电极直流高压电源模块(2)、控制电路模块(3)、程控三维平台(4)、精密注射泵模块(5)构成；其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)固定在一个二维平台上；按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，它主要由激光器(101)、分色镜(103)、聚焦物镜(104)、透反分光镜(105)、光电倍增管PMT(109)、CCD摄像机(110)组成；其中光电倍增管PMT(109)与CCD摄像机(110)呈90度角放置，进入两者的光强通过90/10透反分光镜(105)分配。
2.按照权利要求1所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，激发光滤光片(102)放置在激光器(101)与分色镜(103)之间。
3.按照权利要求1所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，发射光滤光片(106)在透反分光镜(105)与光电倍增管PMT(109)之间。
4.按照权利要求1或3所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于在激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)中，按照各个部件实际工作时在光路上排列的先后顺序，透镜(107)和针孔(108)放置在发射光滤光片(106)与光电倍增管PMT(109)之间。
5.按照权利要求1所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于程控三维平台(4)由两部分组成，其中一部分与整个激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)固联，另一部分安装有实验芯片操作平台；程控三维平台(4)的这两部分之间在三维空间中能实现任意相对位置的互动匹配关系。
6.按照权利要求1或5所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于程控三维平台(4)由三个精密步进电机驱动，其中一个控制芯片操作平台的上下移动，另两个控制整个激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块(1)的水平二维移动。
7.按照权利要求1所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于精密注射泵模块(5)由一台或多台微量注射泵组成，通过连接管路及接口装置与芯片连接。
8.按照权利要求1所述集成式微流控芯片控制与分析平台，其特征在于发射光滤光片(106)与不同发射波长的荧光染料相适应。
全文摘要
本发明一种集成式微流控芯片控制与分析平台，主要包括激光诱导荧光检测及CCD图像监测光学模块、八电极直流高压电源模块、程控三维平台、精密注射泵模块及控制电路模块。其中光学模块依共聚焦原理设计，发射波滤光片适应不同染料要求可方便更换；PMT与CCD摄像机呈90度角放置，进入两者的光强通过透反分光镜分配。本发明同时具有激光诱导荧光检测与芯片通道CCD图像监测两大功能；电源模块及精密注射泵模块可满足不同功能和不同集成度的芯片微流体控制要求；本发明采用全电脑控制，通过控制软件可实现CCD监测下的微通道自动聚焦、各电极程序输出电压及注射泵流速的设置、PMT响应信号及各电极的电压及电流值的实时监测等。
文档编号G01N35/00GK1715881SQ20041002088
公开日2006年1月4日 申请日期2004年7月2日 优先权日2004年7月2日
发明者龙志成, 林炳承, 周小棉, 李义海 申请人:中国科学院大连化学物理研究所