一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，其包括：電控雙磁場富集分離系統、光學檢測系統和恒溫加熱系統，所述電控雙磁場富集分離系統用于產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集；所述光學檢測系統采用全內反射檢測技術，以實現光學圖像的檢測和分析處理；所述恒溫加熱系統包括溫度傳感器和加熱片，用于控制檢測環境的溫度。本發明的檢測儀采用電控雙磁場技術、全內反射光學檢測技術和圖像分析軟件技術，實現樣品中低濃度物質的自動快速檢測，儀器便攜、一步操作、簡單快捷。
【專利說明】
一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀
技術領域
[0001]本發明屬于生物醫學檢測技術領域，具體涉及一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀。
【背景技術】
[0002]樣品中(尤其是血液樣品中)低濃度物質檢測，通常采用免疫檢測技術。為了減少干擾，首先需要對血液樣品進行離心分離、去除血細胞等前處理步驟，這樣就增加了檢測時間和檢測步驟。為了增加檢測的準確性和靈敏性，很多免疫反應采用磁粒子分離技術將低濃度的待檢測物從樣品中分離出來，也需要將磁粒子復合物通過離心分離出來并進行洗滌，檢測靈敏度高，但是步驟繁瑣。而且，使用的儀器龐大而昂貴，操作復雜，成本高，并且需要專業的檢驗人員來操作，限制了檢測時間和檢測場所，無法用于基層和現場檢測。
[0003]尿微量白蛋白(urinary microalbumin，英文縮寫:mAlb)的增高多見于糖尿病腎病、高血壓、妊娠子癇前期，是腎損傷的早期敏感指標。如果在體檢后發現尿中的微量白蛋白在20mg/L-200mg/L范圍內，就屬于微量白蛋白尿，如果患者能夠經過規范的修復腎單位，逆轉纖維化治療，尚可徹底修復腎小球，消除蛋白尿。而當尿中微量白蛋白超過200mg/L時，此時證明腎病患者已有大量白蛋白漏出，腎病發展離不可逆期只有一步之遙，如果不及時進行醫治，就會進入尿毒癥期。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明的目的是制備一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀。本發明的檢測儀采用電控雙磁場技術、全內反射光學檢測技術和圖像分析軟件技術，實現樣品中低濃度物質的自動快速檢測，儀器便攜、一步操作、簡單快捷。
[0005]為實現上述目的，本發明提供一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其包括:電控雙磁場富集分離系統、光學檢測系統和恒溫加熱系統，所述電控雙磁場富集分離系統用于產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集;所述光學檢測系統采用全內反射檢測技術，以實現光學圖像的檢測和分析處理;所述恒溫加熱系統包括溫度傳感器和加熱片，用于控制檢測環境的溫度。
[0006]所述電控雙磁場富集分離系統是通過放置在檢測芯片上下兩側的(小型加強)磁柱或者磁片，交替加電/斷電產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集。優選地，所述電控雙磁場富集分離系統包括:電源、電磁控制電路程序以及兩個相同的(小型)磁柱。
[0007]其中，所述電磁控制電路程序可以實現按照設定的頻率分別給兩個磁柱加電產生磁性和去電消除磁性，從而實現磁粒子的分離和富集。
[0008]優選地，所述加電的時間范圍是0.1?30秒;循環周期為O?100個周期；用于磁粒子分離的最后次停留時間是0.5?100s;加電的強度為0.1?50V。更優選地，所述加電的時間范圍是2?10秒;循環周期為5?20個周期；用于磁粒子分離的最后次停留時間是5?20s。
[0009]在一較佳的實例中，其中兩個小型磁柱位于檢測芯片的兩側，需要匹配光學檢測池合適的小線圈，為了實現最小的磁體產生最大的磁場，小型磁柱是可被加電產生磁場和去電消除磁場的線圈，并具有加強磁性的鐵芯或者鈷鎳鐵芯。
[0010]所述光學檢測系統采用全內反射檢測技術，其包括發射光路和檢測光路兩部分。
[0011]其中，所述發射光路主要為光源發射模塊，其包含光源控制電路板及程序、LED或者激光平行光源。
[0012]其中光源控制電路板及程序可以對LED或者激光的強度進行設定，其中電流調整范圍優選O?ImA;通過按鍵輸入或上位計算機由RS485接口修改LED電流數值，進而改變光源的光亮度。
[0013]所述LED或者激光平行光源包括擴束鏡和光闌等部件，光源的發散角、光斑等參數可通過準直、光闌等方式來調節，形成一束均勻的平行光。
[0014]其中，所述激光平行光源采用紅色平行光束，波長優選600?650nm。
[0015]其中，所述檢測光路包括光學檢測模塊、圖像識別軟件、顯微鏡頭或遠心鏡頭。
[0016]其中，所述光學檢測模塊可以采用CCD、CM0S、發光二極管或光電倍增管等來進行光學圖像檢測，其中優選CCD相機，更優選CCD相機的像素在100萬像素以上；同時需要配合顯微鏡頭或者遠心鏡頭進行圖像的拍攝。本發明優選光學采集速率和分辨率達到可檢測微米尺寸的圖像。
[0017]在一較佳的實例中，所述發射光路和檢測光路的核心采集部分采用暗盒進行封閉，暗盒進行內壁發黑處理，消除雜散光干擾，入射角度和接受光路的角度隨芯片材料變化而不同，材料確定，角度固定。
[0018]其中，優選地，所述圖像識別軟件采用MATLAB或C等軟件實現對圖像的顯示、存儲和灰度識別分析對比以及尺度分析。
[0019]所述恒溫加熱系統包括溫度傳感器和加熱片。恒溫加熱系統通過溫度傳感器和加熱片控制檢測環境的溫度，優選控制在37°C恒溫狀態，以使免疫反應在特定溫度環境下進行，消除溫度造成的反應差異誤差。
[0020]溫度傳感器實時獲取反應區域溫度數據，然后采用PID算法計算出加熱片電壓輸出變化量，并由加熱片驅動電路輸出調整后的加熱電壓，實現對區域溫度的精確控制。
[0021]本發明在檢測時，具體操作優選為:加入芯片，預熱儀器，設置磁場和光源的合適數值，加入樣品，儀器自動開始進入檢測模式，檢測完畢，圖像拍攝，軟件識別圖像，并根據預標定值，計算出樣品中的待測物濃度，顯示數值。
[0022]在本發明中，檢測樣品可以是全血、血漿、血清、尿液、唾液、體液等。本發明采用免疫檢測原理，適用于樣品中含量低的待檢物。在芯片上固定多種抗體，檢測儀可以實現一個芯片上一次檢測多個指標。
[0023]適用于本發明檢測儀的芯片可以是高透明的塑料材料、玻璃或水晶材料等。
[0024]本發明具有下述有益效果:
[0025](I)本發明采用電控雙磁場富集分離模式，有效提高了反應速度，簡化了實驗步驟，實現了一步式檢測。
[0026](2)本發明采用的全內反射光學檢測技術結合磁粒子技術，實現了儀器的便攜式設計，儀器簡便有效，利于現場檢測，因此具有非常好的應用前景。
【附圖說明】
[0027]圖1顯示的是本發明的光學檢測儀的系統框圖。
[0028]圖2顯示的是本發明的光學檢測儀在工作時實現磁富集和分離檢測的原理圖。
[0029]圖3顯示的是本發明的光學檢測儀在工作時集成磁分離和全內反射的檢測原理圖。
[0030]圖4顯示的是本發明的光學檢測儀的系統硬件框圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0032]實施例1
[0033]本發明的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其包括:電控雙磁場富集分離系統、光學檢測系統和恒溫加熱系統，電控雙磁場富集分離系統用于產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集;光學檢測系統采用全內反射檢測技術，以實現光學圖像的檢測和分析處理;恒溫加熱系統包括溫度傳感器和加熱片，用于控制檢測環境的溫度。
[0034]電控雙磁場富集分離系統包括:電源、電磁控制電路程序以及兩個相同的小型磁柱，通過交替加電/斷電產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集。
[0035]其中，電磁控制電路程序可以實現按照設定的頻率分別給兩個磁柱加電產生磁性和去電消除磁性，從而實現磁粒子的分離和富集。
[0036]光學檢測系統采用全內反射檢測技術，其包括發射光路和檢測光路兩部分。發射光路主要為光源發射模塊，其包含光源控制電路板及程序、LED或者激光平行光源。其中光源控制電路板及程序可以對LED或者激光的強度進行設定;通過按鍵輸入或上位計算機由RS485接口修改LED電流數值，進而改變光源的光亮度。
[0037]LED或者激光平行光源包括擴束鏡和光闌等部件，光源的發散角、光斑等參數可通過準直、光闌等方式來調節，形成一束均勾的平行光。
[0038]激光平行光源采用紅色平行光束。檢測光路包括光學檢測模塊、圖像識別軟件、顯微鏡頭。其中，光學檢測模塊采用CCD相機，像素在100萬像素以上；同時需要配合顯微鏡頭進行圖像的拍攝。圖像識別軟件采用MATLAB或C等軟件實現對圖像的顯示、存儲和灰度識別分析對比以及尺度分析。
[0039]恒溫加熱系統通過溫度傳感器和加熱片控制檢測環境的溫度在37°C恒溫狀態，以使免疫反應在特定溫度環境下進行，消除溫度造成的反應差異誤差。
[0040]溫度傳感器實時獲取反應區域溫度數據，然后采用PID算法計算出加熱片電壓輸出變化量，并由加熱片驅動電路輸出調整后的加熱電壓，實現對區域溫度的精確控制。
[0041 ]在檢測時，具體操作為:加入芯片，預熱儀器，設置磁場和光源的合適數值，加入樣品，儀器自動開始進入檢測模式，檢測完畢，圖像拍攝，軟件識別圖像，并根據預標定值，計算出樣品中的待測物濃度，顯示數值。
[0042]具體地可參見圖1和圖4所示，圖1為本發明的光學檢測儀的系統框圖，圖4為硬件框圖。在工作時，光學檢測儀主要由檢測芯片1、控制電路2、光源3、電磁線圈4-1和4-2、檢測攝像頭5、上位計算機6等構成。
[0043]開機后，預熱自啟動，完成儀器自檢工作，包括電磁驅動電路2-1驅動電磁線圈4-1和4-1進行磁場驅動掃描、光源驅動電路2-2進行光源3亮度校準、溫控電路2-3進行區域恒溫自檢、指示燈2-4提示、控制電路2通過通訊接口 7與上位計算機6和攝像頭5完成參數設定等工作。
[0044]進行檢測時，將檢測芯片I放置到儀器芯片托架上，區域恒溫控制電路2-3驅動加熱片將檢測芯片I升溫至37°C，滴加樣品(含mAlb，尿微量白蛋白)1滴至檢測芯片I的樣品池1-2，虹吸作用下樣品經通道1-3進入反應池1-1，實現自動進樣。
[0045]芯片通道1-3位置旁有光學探測器，捕捉樣品通過時光信號的變化，并觸發檢測，實現儀器檢測自啟動。
[0046]檢測啟動后，進入反應池1-1的樣品待測物與反應池中的抗mAlb-納米磁粒子進行結合反應，形成mAl b-抗mAl b-納米磁粒子復合物。控制電路2中的電磁線圈驅動電路2-1將電控雙磁場富集分離模式開啟，交替給上電磁線圈4-1和下電磁線圈4-2上電，形成方向上下交替變換的磁場。在變換磁場的作用下，抗mAlb-納米磁粒子在反應池1-1中上下運動，增加了與樣品中mAlb的接觸，提高了反應結合速度，可縮短反應時間。
[0047]mAlb-抗mAlb-納米磁粒子復合物受到交替的磁場作用，會碰撞到反應池1-1底部，將與牢固固定在反應池1-1底部的配對抗體相結合，形成抗體2-mAlb-抗mAlb-納米磁粒子復合物，從而使磁粒子固定在反應池1-1底部的表面上。
[0048]反應三分鐘后，mAlb-抗mAlb-納米磁粒子復合物被固定在反應池底部，數量趨于穩定，停止變換磁場方向，上電磁線圈4-1保持上電，磁場方向維持向上。在向上磁場力的作用下，多余的未被固定的磁粒子將被吸至反應池1-1上側。
[0049]與待測物結合的mAlb-抗mAlb-納米磁粒子復合物通過雙抗結合作用固定在反應池1-1下側，其密度與待測物的濃度成正比。由于磁粒子固定在反應池1-1底部，將破壞反應池1-1底部全內反射界面。原先光源3的發射光束在反應池1-1底部的界面發生全反射，此時由于固定磁力子的存在，反射光將被削弱，反射光強與固定磁粒子的數量存在反比關系。
[0050]在向上磁場作用10秒鐘后，未固定的磁粒子基本被吸至上層。將攝像頭5開啟圖像采集，捕捉拍攝反應池1-1底部的磁粒子全內反射圖像，并發送至上位計算機6進行軟件識別和分析，獲得反射光強信息，進一步計算得出樣品中mAlb的濃度，并顯示檢測結果。
[0051]圖2和圖3為本發明的光學檢測儀在工作時實現磁富集和分離檢測的原理圖。首先將兩種反應物(例如抗體I結合磁粒子形成復合磁微粒子固定在芯片內的上方;抗體2固定在芯片內的下方)分別固定在芯片內表面膜上，然后加入待測樣品，樣品中的抗原與芯片上的復合磁微粒子發生結合反應;通過電控雙磁場按照一定頻率分別給上下兩個磁線圈加電，產生上下變換的磁場，下磁場作用時，結合抗原的復合磁微粒子加速向芯片下方移動，與抗體2結合，形成牢固的結合物，附著在芯片下方。上磁場作用時，將未結合的復合磁微粒子吸引至芯片上方。上下磁場分別反復施加，加速抗原——復合磁微粒子與下方抗體的結合和分離，抗體-磁粒子在反應池中上下運動，增加了與樣品中待測物質的接觸，提高了反應結合速度，大大減少了反應時間。反應充分后再施加上磁場作用，將未結合的多余的復合磁微粒子吸引至芯片上方，反應的抗原-復合磁微粒子則通過抗體2結合作用留在芯片下方，形成磁微粒子聚集，由于抗原濃度不同，由磁微粒子形成聚集區的灰度值會隨之變化，待測物的濃度與最終被固定在反應池底側的納米磁粒子密度成正比。光源發出的會聚平行光通過芯片的光學角度面進入芯片后，聚集的磁粒子引起表面膜的折射率變化，全反射后光線照射到CCD面陣或者其它光學元件接收器上，實時地記錄整個反應過程的信號變化，就可以用采集到的不同灰度的CCD圖像或者其它光學圖像，采用相應的軟件處理，模數轉化為得出光強數據曲線，經過標定后，獲得被測物的濃度等參數。
[0052]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。例如:磁線圈的外觀種類、光學器件的種類、不同的光路制備方式等。
【主權項】
1.一種基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，其包括:電控雙磁場富集分離系統、光學檢測系統和恒溫加熱系統，所述電控雙磁場富集分離系統用于產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集;所述光學檢測系統采用全內反射檢測技術，以實現光學圖像的檢測和分析處理;所述恒溫加熱系統包括溫度傳感器和加熱片，用于控制檢測環境的溫度。2.根據權利要求1所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述電控雙磁場富集分離系統是通過放置在檢測芯片上下兩側的磁柱或者磁片，交替加電/斷電產生交替的磁場，以實現對芯片上磁粒子的雙向驅動和富集;優選地，所述電控雙磁場富集分離系統包括電源、電磁控制電路程序以及兩個相同的磁柱。3.根據權利要求2所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，其中，所述電磁控制電路程序實現按照設定的頻率分別給兩個磁柱加電產生磁性和去電消除磁性，從而實現磁粒子的分離和富集； 優選地，所述加電的時間范圍是0.1?30秒;循環周期為O?100個周期；用于磁粒子分離的最后次停留時間是0.5?100s;加電的強度為0.1?50V; 更優選地，所述加電的時間范圍是2?10秒;循環周期為5?20個周期；用于磁粒子分離的最后次停留時間是5?20s。4.根據權利要求1所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述光學檢測系統采用全內反射檢測技術，其包括發射光路和檢測光路兩部分。5.根據權利要求4所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，其中，所述發射光路為光源發射模塊，其包含光源控制電路板及程序、LED或者激光平行光源。6.根據權利要求5所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述光源控制電路板及程序可以對LED或者激光的強度進行設定，其中電流調整范圍優選O?1mA。7.根據權利要求5所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述激光平行光源采用紅色平行光束，波長優選600?650nm。8.根據權利要求4所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，其中，所述檢測光路包括光學檢測模塊、圖像識別軟件、顯微鏡頭或遠心鏡頭。9.根據權利要求8所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述光學檢測模塊采用CCD、CMOS、發光二極管或光電倍增管來進行光學圖像檢測，其中優選CCD相機，更優選CCD相機的像素在100萬像素以上； 所述圖像識別軟件采用MATLAB或C軟件實現對圖像的顯示、存儲和灰度識別分析對比以及尺度分析。10.根據權利要求1所述的基于磁富集和全內反射的光學檢測儀，其特征在于，所述恒溫加熱系統通過溫度傳感器和加熱片控制檢測環境的溫度，優選控制在37°C恒溫狀態。
【文檔編號】G01N33/53GK105929149SQ201610266441
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】劉春秀, 賈建, 蔡浩原, 劉昶
【申請人】中國科學院電子學研究所