多色荧光微流控芯片电泳仪检测光路设计与实现

发布时间：2020-07-15 01:26

【摘要】：微流控芯片电泳是一种通过采用微加工技术,在基片材料上制作出电泳微流通道结构及其它配套功能单元,以实现集微量样品快速分离、准确检测于一体的高效低耗的微型电泳分析实验系统。微流控芯片电泳一般以荧光标记样品,在电泳过程中完成分离和检测,因此荧光检测装置是微流控芯片电泳系统的一个重要组成部分。传统的微流控芯片电泳荧光检测装置有多种不同的检测形式,最为常见的系统采用落射荧光结构,配合二向色镜、滤色片多级分光,并以光电倍增管(PMT)作为检测传感器,这类系统虽然能够实现较高的信噪比与时间分辨率,但其系统结构复杂,成本通常较高,尤其是当检测荧光波长众多时,系统成本将随荧光种类的增加成倍增加。文献也有报道采用光栅作为色散元件,以定制加工的雪崩二极管(APD)为传感器的检测系统,虽然APD的高灵敏度能够弥补光栅作为色散元件的低透过率,但定制加工元件的成本非常高,且加工条件苛刻,不适合相应仪器的开发。与此同时,电荷耦合元件(CCD)作为一种越发常见的光电传感器,正在被广泛应用于各类检测领域,高质量CCD不仅可以用于生物领域的成像,也可以用于各类荧光、化学发光的检测,但CCD灵敏度一般不及PMT、 APD高。为了同时兼顾微流控芯片电泳荧光检测系统的成本与检测灵敏度,本文设计并实现了一套以三棱镜作为色散元件配合CCD作为感光器件的检测系统,三棱镜的高通光率能够弥补CCD灵敏度的不足,同时也避免了多级二向色镜、滤光片系统的复杂性与高成本,有效地实现了多波长荧光的同步检测分离。本文的具体研究内容如下：(1)本文以三棱镜为色散元件进行Zemax仿真,研究了不同的光线入射角以及不同的棱镜顶角对棱镜线色散率的影响。仿真结果显示棱镜入射角从0°增加至最小偏向角对应的入射角时,线色散率减小；棱镜顶角增加,线色散率增加,仿真结果也从理论上说明了采用棱镜作为色散元件的可行性。(2)本文设计了激光诱导的微流控芯片电泳多色荧光检测光路的结构图,详述了光路搭建过程中所采用的各类调试方法；调试后的系统能够稳定地获得色散的光谱图像；并以此为基础,确定选用光谱图像中高度为35像素矩形图像区进行光谱曲线转换较为合适；本文同时测定了10-7 mol/L、 10-8 mol/L、10-9 mol/L标准荧光素钠样品溶液下,采集光谱信号的信噪比(SNR)与信背比(SBR),结果显示当选用0.1 s曝光时间时,系统半峰宽SNR为20.961 dB,信背比SBR为0.438,理论上信号可用于有效的光谱分析；本文还测定了不同浓度荧光素钠样品溶液在当前的激光强度下的荧光漂白情况,结果显示低浓度的漂白情况较为严重。(3)本文选择波长扫描法对系统进行了光谱标定,实验考察了不同的峰值定位方法与不同的标定拟合函数的标定效果,综合分析了汞灯原子谱线与单色仪随机谱线的测量误差以及曲线拟合残差结果,本系统最终选用质心法作为峰值定位算法,并配合三阶多项式进行拟合,标定后的系统测量精度较高,测试偏差约0.947nm。根据标定的结果,结合本系统采集的低压汞灯光谱曲线数据,本文计算出了系统在汞灯的546.074nm谱线处的分辨率为4.597nm,在576.960 nm与579.066 nm谱线处的分辨率为6.119 nm,理论上本系统能够区分出电泳所采用的四种荧光染料。(4)染料静态实验测试了电泳所用的四种不同染料在10-7mol/L,10-8mol/L浓度时,系统采集信号的信噪比、信背比,结果显示6-FAM染料由于荧光波长受当前截止滤光片的影响,在本系统的检测信号强度较弱。其他三种染料的信噪比与信背比一般呈现如下趋势HEXTAMRAROX;相对于荧光素钠,三种染料的信号强度均较弱。(5)本文提出了基于超定方程的最小二乘解的荧光矫正算法,用于矫正多种荧光同时经过检测窗口的光谱曲线,混合荧光溶液静态实验结果显示该算法在不同浓度、不同曝光时间下的矫正系数与预期基本一致,矫正参数还原出的光谱拟合曲线与原始采集的光谱曲线在峰内基本重合。(6)本文进行了微流控芯片电泳实验,验证了三种不同染料在电泳过程中通过检测窗口的检测效果,实验发现电泳过程中电泳胶内含有不属于上述三种荧光的光谱分量：Syber Green,并将其加入光谱矫正矩阵；在微流控芯片电泳实验中,时序图显示荧光矫正算法有效地分离出了所加样品的的峰值,故而本文成功地设计与实现了一套稳定、高灵敏度、低成本的微流控芯片电泳荧光检测系统。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN492;R312

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 丁伟峰;王惠民;鞠少卿;毛丽萍;陆建荣;祝文彩;;APRIL siRNA表达载体构建、微流控芯片筛选及转染优化[J];交通医学;2007年03期

2 孙克;;微流控芯片技术在生命科学领域的研究进展[J];当代医学;2009年16期

3 何晨光;杨春江;王馨;;微流控芯片技术的研究进展[J];中国国境卫生检疫杂志;2010年05期

4 赵莹莹;李勤;葛洋;胡晓明;李晓琼;邓玉林;;微流控芯片在血液检验中的应用及航天医学应用前景分析[J];航天医学与医学工程;2012年04期

5 马新华;欧国荣;刘楠;袭著革;高志贤;;水质检测微流控芯片的快速加工技术[J];解放军预防医学杂志;2013年04期

6 丛辉,王惠民,王跃国;微流控芯片技术及应用展望[J];现代检验医学杂志;2005年01期

7 张国豪;马波;秦建华;林炳承;;集成药物代谢微流控芯片的研制[J];高等学校化学学报;2008年07期

8 刘妍如;黄荣清;肖炳坤;杨建云;;微流控芯片技术及其在天然产物活性成分筛选中的应用[J];天然产物研究与开发;2010年03期

9 卢斯媛;蔡绍皙;蒋稼欢;;微流控芯片在细胞微环境研究中的应用[J];生物医学工程学杂志;2010年03期

10 汪耀;李颖;徐波;冯晓均;刘笔锋;;微流控芯片药物诱导细胞凋亡[J];中国科学:化学;2011年10期

相关会议论文 前10条

1 李卓荣;徐涛;岳婉晴;杨梦u&;;高通量细胞分析微流控芯片的设计,建模,制备及应用[A];中国化学会第27届学术年会第03分会场摘要集[C];2010年

2 刘文明;李立;任丽;王雪琴;涂琴;张艳荣;王建春;许娟;王进义;;基于微流控芯片技术的生命分析方法研究[A];中国化学会第十届全国发光分析学术研讨会论文集[C];2011年

3 涂琴;王建春;任丽;李立;刘文明;许娟;王进义;;微流控芯片细胞分析方法研究[A];中国化学会第28届学术年会第9分会场摘要集[C];2012年

4 温慧;秦建华;;基于微流控芯片平台的秀丽隐杆线虫衰老研究[A];全国生物医药色谱及相关技术学术交流会（2012）会议手册[C];2012年

5 黄和鸣;蒋稼欢;李远;贾月飞;蔡绍皙;K.-L.Paul Sung;;一种新颖的磁微流控芯片[A];2008年全国生物流变学与生物力学学术会议论文摘要集[C];2008年

6 韩建华;李少华;张建平;江龙;;一种微流控芯片的封接方法及其应用[A];中国化学会第十二届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2009年

7 童艳丽;陈缵光;;微流控芯片非接触电导检测在手性药物拆分检测中的应用[A];中国化学会第十五届全国有机分析及生物分析学术研讨会论文集[C];2009年

8 岳婉晴;徐涛;李卓荣;杨梦苏;;基于传统丝印技术快速制备低成本微流控芯片方法的研究[A];中国化学会第27届学术年会第09分会场摘要集[C];2010年

9 周莹;申洁;郑春红;庞玉宏;黄岩谊;;高通量集成细胞培养微流控芯片[A];第一届全国生物物理化学会议暨生物物理化学发展战略研讨会论文摘要集[C];2010年

10 傅新;谢海波;杨华勇;;集成微泵式微流控芯片的设计与测试[A];全球化、信息化、绿色化提升中国制造业——2003年中国机械工程学会年会论文集（微纳制造技术应用专题）[C];2003年

相关重要报纸文章 前3条

1 慧聪;体检只需“一滴血”测试芯片研制成功[N];医药经济报;2006年

2 大学生记者团 安薪竹 记者 任晶惠;体检有望只需“一滴血”[N];大连日报;2006年

3 记者 罗冰 通讯员 胡永峰;微流控芯片可测出SARS病毒[N];科技日报;2003年

相关博士学位论文 前10条

1 史绵红;用于疾病诊断及环境毒物检测的微阵列及微流控芯片新方法研究[D];复旦大学;2006年

2 周围;基于微流控芯片的细胞内钙离子检测及细胞驱动技术的研究[D];河北工业大学;2010年

3 魏慧斌;微流控芯片—质谱联用技术用于细胞代谢及相互作用研究[D];清华大学;2011年

4 徐涛;多功能微流控芯片在悬浮细胞通讯研究中的应用[D];清华大学;2010年

5 汪志芳;生化样品的微流控芯片在线富集及检测研究[D];华东师范大学;2012年

6 吴元庆;基于流式细胞技术的微流控芯片的研究[D];天津大学;2012年

7 柳葆;用于细胞内钙离子检测的微流控芯片关键技术与实验研究[D];河北工业大学;2012年

8 王桐;干细胞微流控芯片的设计、制备、检测与应用研究[D];北京工业大学;2013年

9 张瑞巧;基于磁场集成微流控芯片的禽流感病毒荧光检测[D];武汉大学;2013年

10 李志勇;基于微流控芯片的微纳光纤传感器研究[D];浙江大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 申瑞霞;基于透气钢的微流控芯片气动吸脱模系统实验研究[D];中南大学;2009年

2 于虹;集成化混合和驱动单元的微流控芯片研究[D];湖南大学;2010年

3 蔡秋莲;环烯烃共聚物微流控芯片的功能化及应用[D];兰州大学;2011年

4 陈斌;固定化酶阵列微流控芯片应用于药物代谢筛选的研究[D];第二军医大学;2007年

5 富景林;微流控芯片高灵敏度激光诱导荧光检测系统的研究及其在集成生化分析系统中的应用[D];浙江大学;2006年

6 李丽潇;微流控芯片细胞培养和药物诱导凋亡的研究[D];东北大学;2008年

7 何艳;微流控芯片中功能化器件的制备研究[D];吉林大学;2012年

8 李绍前;面向双颗粒捕捉的介电电泳微流控芯片研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

9 任玉敏;微流控芯片技术在电泳及微球制备中的研究和应用[D];青岛大学;2013年

10 王艳;层粘连蛋白/岩藻聚糖类基膜微环境的构建及微流控芯片内应用[D];西南交通大学;2015年

本文编号：2755768