基于光度檢測的旋轉碟式微流控濃度測量裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微流控光度檢測技術，具體是一種基于光度檢測的微流控混合溶液濃 度測量裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 微流控光度檢測技術是目前普適性最廣的微流控檢測方法，然而微流控芯片的光 度檢測池往往是固定的，其光程并不能根據待檢測液的濃度而隨意變化。但是根據分光光 度誤差理論，測量中的最佳吸光度為"為l/lnio,相應的最佳光程長為0. 434 〇 G (G為溶液 中吸收物的濃度，〃為吸收物的吸光系數）。因此只有濃度與檢測光程相適應時，光度檢測 噪聲才最小，檢測誤差也最小。
[0003]目前，為了減少光程不適應引起的光度檢測噪聲，中國專利申請號為 201210109396. 4、名稱為"用于C0D吸光度檢測的比色皿光程自適應調整方法與裝置"所公 開的裝置能夠在調節范圍內精確調整到要求的光程值，實現對比色皿光程的自動調節。然 而，實際檢測過程中，對于待檢測物濃度值往往并不能提前知曉，因此對于最佳光程值的選 擇很難提前判斷。此外，該裝置只適用于傳統尺度下的光度檢測，對于對光程要求更高的微 流控光度檢測系統往往不能適用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對目前微流控光度檢測設備存在的光程固定引起的檢測誤差， 提出的一種基于光度檢測的旋轉碟式微流控高精度濃度測量裝置與方法，結構簡單，進樣、 檢測以及濃度計算過程均為自動化完成，操作方便，能實現稀釋濃度的有效定位和快速計 算出稀釋比例，通過已知光程與最佳濃度產生吸光度的對應關系，乘以稀釋比例反推待檢 測液的精確濃度。 本發明基于光度檢測的旋轉碟式微流控高精度濃度測量裝置采用技術方案是：具有一 個密封暗室，在密封暗室內部設置旋轉碟式微流控芯片、光度檢測裝置支架以及交流伺服 電機，光度檢測裝置支架底端垂直固定在密封暗室靠近左邊緣的中心位置，交流伺服電機 固定設置在密封暗室靠近右邊緣的中心位置，交流伺服電機的輸出軸電機軸垂直向上且同 軸裝有水平的旋轉碟式微流控芯片，靠近旋轉碟式微流控芯片的中心且相對該中心前后對 稱地各設置一個原試液池，旋轉碟式微流控芯片上設有N級試液相互滲透帶，3 < N < 100， 每級試液相互滲透帶均是以旋轉碟式微流控芯片的中心為圓心的圓弧形，兩個原試液池分 別通過直流道連接且連通于最內側的第一級試液相互滲透帶，相鄰兩級試液相互滲透帶之 間彈簧狀試液流道連接且連通，最外側最后一級試液相互滲透帶是寬度大于前級試液相互 滲透帶的混合試液測量帶；在混合試液測量帶的兩端之間是上下貫通的激光測量定位孔， 光度檢測裝置支架通過第一個支架裝載臂的右端連接處于激光測量定位孔正上方的激光 光源、通過第二個支架裝載臂的右端連接處于激光測量定位孔正下方的光電倍增管；激光 光源和光電倍增管各通過導線分別與位于密封暗室外部的光源控制模塊連接，光源控制模 塊經信號轉換模塊與計算機連接；交流伺服電機通過電機控制線與位于密封暗室之外的 電機控制模塊連接，電機控制模塊與計算機連接。
[0005] 本發明基于光度檢測的旋轉碟式微流控高精度濃度測量方法采用技術方案是：依 次按以下步驟； 1) 將濃度為〇的稀釋液注入一個原試液池中，待測液注入另一個原試液池中，計算機 控制旋轉碟式微流控芯轉動，兩種不同的試液受到離心力從兩個原試液池流出，在各級試 液相互滲透帶和彈簧狀試液流道中混合，計算機根據激光光源所發射的光信號通過激光測 量定位孔直接照射到光電倍增管上的次數m及計時器測量的時間（算出旋轉碟式微流控 芯片的實時轉動速度調節交流伺服電機轉速直到實時轉動速度〇|定在目標轉 速K set為止； 2) 當時間達到1/2時記錄當前信號轉換模塊傳遞給計算機的光強值/，計算此處的吸 光度為=/〇_/，；是原始光強信號，G是旋轉碟式微流控芯片轉動的周期，G=2 n/Ksrt，計算 機多次檢測并判斷吸光度為的值是否有變化，若有變動則繼續檢測，若穩定則混合試液測 量帶內的試液濃度擴散已穩定； 3) 計算機依次計算從第一時刻到第時刻得到的吸光度兒并逐次與最佳吸光度為以乍 差即為P1-兒將差值最小時的吸光度值為和周期7]內得到吸光度值為的相對時間記錄下 來，經多個周期取平均得到平均吸光度值及和平均時間4,若每個周期^內的吸光度屈勺 最大值疋"均小于為P1^，則混合試液濃度過低，根據吸光度最大值疋#與最佳吸光度為P1^ 差距量計算出濃縮倍數，需將初始檢測試液濃縮后再檢測；若4-為">式 3時， 則試液相互滲透帶的級數順S置不足，需逐級增大級數再次檢測，直到為止， 是計算機預設的吸光度檢測誤差最小允許值； 4) 計算機按式/〇=4><Z/7；計算出激光測量定位孔與距離最佳吸光度值為"距離最近 的吸光度值平均位置之間的弧長4,再根據公式計算出待測試液G的濃度，其 中，6=4/0. 434 ^4為激光透過旋轉碟式微流控芯片經過的光程長，a為吸光系數，z為 混合試液測量帶的弧長。 本發明與已有方法和技術相比，具有如下優點： (1) 本發明采用了一種新穎的旋轉碟式微流控芯片并結合旋轉稀釋定位技術，實現稀 釋濃度的有效定位，從而快速計算出稀釋比例，通過在噪聲最小的最佳吸光度所在位置乘 以稀釋比例的方法來反推待測液濃度，有效降低了光程固定所引起檢測誤差，彌補了光程 固定所引起的檢測精度缺陷。 (2) 該裝置基于旋轉離心進樣技術，無需外加進樣泵和復雜的進樣設備，進樣和檢測裝 置均由一套結構完成，并且進樣、檢測以及濃度計算過程均為計算機自動化控制完成，自動 化程度高。
[0006](3)本發明所述溶液濃度測量裝置，具備具自動等比例稀釋功能，圓形碟式結構能 夠提高稀釋次數，從而保證較高的稀釋均勻度。
[0007](4)本發明所述溶液濃度測量裝置，微流控芯片采用圓形碟式結構，使得進樣和檢 測均在旋轉模式下進行，工作模式的均一性保證了進樣和檢測裝置的統一性，從而使得整 個裝置結構簡單。
[0008](5)本發明所述溶液濃度測量裝置，所需進樣和檢測設備都比較常見，易于便攜 化、商品化，可使用于所有微流控光度檢測，普適性強。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明一種基于光度檢測的旋轉碟式微流控濃度測量裝置的結構示意圖； 圖2是圖1中旋轉碟式微流控芯片1的結構俯視放大圖； 圖3是圖1中旋轉碟式微流控芯片1與交流伺服電機13的連接結構放大示意圖； 圖4是圖3的左視圖； 圖5是圖1中安裝光電倍增管18及激光光源23的支撐及連接結構示意圖； 圖6是本發明一種基于光度檢測的旋轉碟式微流控溶液濃度測量方法的具體工作流 程圖。
[0010] 附圖中各部件的序號和名稱：1.旋轉碟式微流控芯片；2.試液流道；3.原試液 池；4.混合試液測量帶；5.旋轉碟式微流控芯片中心孔；6.試液相互滲透帶；7.旋轉碟式 微流控的芯片固定凹槽；8.激光測量定位孔；9.微流控芯片廢液池；10.軸固定六角螺母； 11.芯片固定墊片；12.電機軸定位固定套筒；13.交流伺服電機；14.電機軸；15.微流控 芯片定位鍵；16.光度檢測裝置支架；17.支架上裝載臂的定位固定旋鈕；18.光電倍增管； 19.導線；20.電機控制線；21.伺服電機固定底座；22.檢測裝置底座；23.激光光源；24、 29.支架裝載臂；25、30.固定螺絲；26.可調伸縮連接臂；27.激光光源安裝孔；28.固定 螺紋孔；31.可調伸縮光電倍增管連接臂；32.光電倍增管固定螺紋孔；33.電機控制模塊； 34.光源控制模塊；35.信號轉換模塊；36.計算機；37.密封暗室。
【具體實施方式】
[0011] 參見圖1，為本發明一種基于光度檢測的旋轉碟式微流控濃度測量裝置的整體結 構圖。在一個密封暗室37內部設置旋轉碟式微流控芯片1、實驗裝置底座22、光度檢測裝 置支架16、交流伺服電機13等部件。其中，實驗裝置底座22固定在密封暗室37的底壁上， 光度檢測裝置支架16與實驗裝置底座22相垂直，也與密封暗室37的底面相垂直，光度檢 測裝置支架16的底端垂直焊接固定在實驗裝置底座22以及密封暗室37的靠近左邊緣的 中心位置。實驗裝置底座22與光度檢測裝置支架16組成整個裝置的最基本支撐框架。伺 服電機固定底座21固定在實驗裝置底座22以及密封暗室37靠近右邊緣的中心位置，交流 伺服電機13固定于電機底座21的中心位置，交流伺服電機13的輸出軸電機軸14垂直向 上，并且電機軸14的中心與光度檢測裝置支架16的中心對齊，在電機軸14上同軸安裝水 平的旋轉碟式微流控芯片1。在光度檢測裝置支架16上通過兩個定位固定旋鈕17分別固 定連接兩個水平的支架裝載臂24、29,支架裝載臂24、29均沿實驗裝置底座22的左右方向 的橫向中心線向右水平伸出。在支架裝載臂24上的右端安裝激光光源23,使支架裝載臂 24以及激光光源23處于旋轉碟式微流控芯片1的上方，與旋轉碟式微流控芯片1相平行； 在支架裝載臂29上的右端安裝光電倍增管18,使支架裝載臂29以及光電倍增管18處于旋 轉碟式微流控芯片1的下方，也與旋轉碟式微流控芯片1相平行。通過調節兩個定位固定 旋鈕17,可沿光度檢測裝置支架16移動兩個支架裝載臂24、29以調節上下高度。激光光源 23和光電倍增管18各通過導線19分別與位于密封暗室37外部的光源控制模塊34連接， 光源控制模塊34連接信號轉換模塊35,信號轉換模塊35與計算機36連接；交流伺服電機 13通過電機控制線20與位于密封暗室37之外的電機控制模塊33連接，電機控制模塊33 則與計算機36連接。
[0012] 參見圖1和圖2,旋轉碟式微流控芯片1是本發明的關鍵部件，該芯片的厚度是一 定的，假設厚度為5mm時，那么激光透過芯片經過的光程長所以可以知道在最佳吸 光度位置對應的溶液濃度G-定，即6=4/0. 434 〇，〇為吸光系數。旋轉碟式微流控芯片 1的中心孔5位于芯片的圓心位置，在中心孔5處開有芯片固定凹槽7,芯片固定凹槽7是 一個矩形凹槽，芯片固定凹槽7的中心與中心孔5的中心保持一致，芯片固定凹槽7的寬度 與中心孔5的直徑相等，芯片固定凹槽7的長度約為其寬度的3倍