芯片式荧光传感系统及检测方法

本发明涉及光学检测设备领域，特别是涉及一种芯片式荧光传感系统及检测方法。

背景技术：

1、荧光检测技术因具有灵敏度高、选择性好、检测速度快等特点，被广泛应用于生物化学分析、医疗体外诊断、环境监测及食品安全检测等领域。典型荧光检测过程中例如，在实pcr（polymerase chain reaction，聚合酶链式反应检测）或elisa（enzyme-linkedimmunosorbent assay ，酶联免疫吸附试验）反应中，待测样本与荧光标记探针或荧光指示剂置于反应管、反应孔或微流控反应腔内，目标物与荧光标记物通过特异性结合（如核酸杂交、抗原抗体反应等）形成荧光标记复合物。当特定波长的激发光束照射检测区域时，荧光标记物吸收光子能量跃迁至激发态，随后通过辐射跃迁返回基态并发射出特征波长的荧光信号，该荧光信号的强度与目标物浓度呈正相关。通过光学检测系统对发射荧光进行激发、采集和分析，可实现目标物的定性和或定量检测。

2、现有荧光pcr仪及其他荧光检测设备通常采用自由空间光路，其光学系统一般包括激发光源、准直透镜、聚焦透镜、反射镜、分束元件、滤光元件及光电探测器等，通过多个分立设置的光学元件依次完成激发光的准直、导向、聚焦以及荧光信号的分离、滤光和收集。由于各光学元件在空间上相互独立设置，需要维持较为准确的位置、角度及光轴关系，因此设备制造和装配过程中通常需要进行精密定位、光路调整及校准，以保证激发光能够准确照射待测样本，并使待测样本产生的荧光信号沿预定光路被光电探测器有效接收。

3、随着现场即时检测及便携式核酸检测设备的发展，对荧光检测设备的小型化、集成化、低功耗和便携化提出了更高要求。现有技术通常通过缩小激发光源及光学元件尺寸、缩短自由空间传播距离、优化微流控结构等方式减小设备体积，但其基本光路架构并未发生根本改变，激发光源、分光元件、滤光元件及光电探测器之间仍主要依赖复杂架构的精确的位置配合。

4、在上述结构下，待测样本产生的荧光信号通常需要经过一定长度的自由空间光路并通过多个光学元件，在传播过程中容易因光束发散、散射以及各光学元件的反射、透射损耗而发生能量衰减。同时，激发光在反应腔、反应管或其他光学界面处产生的散射光、反射光以及环境杂散光也可能进入荧光收集光路，形成背景噪声，从而降低荧光检测的信噪比，并影响对低浓度目标物质的检测能力。

5、此外，由于传统系统依赖多个分立光学元件构建激发光路和荧光收集光路，设备受到机械应力、运输振动、热形变或温度变化等影响时，部分光学元件的位置或姿态容易发生偏移，进而造成光路失配，降低检测稳定性。并且，现有光路结构通常针对特定检测需求预先搭建，当需要增加检测通道或进行多样本并行检测时，往往需要增加相应光学元件或重新调整光路，系统扩展较为复杂。与此同时，自由空间光路对机械支撑、封装及光学对准精度要求较高，也导致设备结构复杂、装配难度较大且制造成本较高，不利于荧光检测设备进一步向小型化、集成化及便携化方向发展。

6、因此，如何在减小荧光检测系统体积并简化光路结构的同时，提高激发光利用效率和荧光信号收集效率，降低系统对多个分立光学元件精密对准的依赖，并使样本反应部件与光学检测部件能够根据实际使用需求进行模块化设置，是本领域需要进一步解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种芯片式荧光传感系统及检测方法，用于解决现有技术中荧光传感系统检测光路复杂，激发光利用效率和荧光信号收集效率低，无法做到便携式携带以及耗材成本较高的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片式荧光传感系统，包括：

3、支撑架、第一支撑板、第二支撑板、光源激发模块、样本处理模块和检测模块；

4、所述支撑架具有底板及两个侧板，所述侧板相对设置在所述底板的两侧，所述侧板上具有第一限位单元，所述第一支撑板和所述第二支撑板通过所述第一限位单元从下到上依次平行设置在所述底板的上方，所述第一支撑板上具有n个第一通孔，所述第二支撑板上具有n个第二通孔，所述第一通孔与所述第二通孔一一对应且同轴对准，n为大于等于1的自然数；在水平面内，定义所述侧板的相对设置方向为第一方向，当n大于1时，所述第一通孔和所述第二通孔分别沿所述第一方向分布；

5、所述光源激发模块设置在所述底板上，且所述光源激发模块发出的激发光束对准所述第一通孔和所述第二通孔；

6、所述样本处理模块设置在所述第一支撑板上，所述样本处理模块包括n组样本处理单元，所述样本处理单元包括一个检测腔和至少四个通过微流控通道串联的处理腔，所述处理腔的出液端连接所述检测腔的进液端，所述检测腔对准所述第一通孔，且所述检测腔的底板透光；

7、所述检测模块设置在所述第二支撑板上，所述检测模块具有n个荧光检测单元，所述荧光检测单元对准所述第二通孔。

8、可选地，所述第一限位单元为限位槽，所述第一支撑板与所述第二支撑板通过所述限位槽与所述支撑架滑动连接。

9、可选地，所述底板上设置有第二限位单元，所述第二限位单元为l形限位块，所述l形限位块与一个所述侧板形成长方形限位空间，所述光源激发模块位于所述长方形限位空间内。

10、可选地，所述样本处理单元还包括，至少一个废液腔，所述废液腔的进液端通过微流控通道与所述检测腔的出液端连接，当所述废液腔的数量大于1时，所述废液腔之间通过微流控通道串联。

11、可选地，所述样本处理模块呈凸字形，包括设置在同一水平面内的主体部和凸起部，定义所述侧板的长度延伸方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述凸起部沿所述第二方向延伸，且所述凸起部在所述第一方向上的尺寸小于所述主体部在所述第一方向上的尺寸，使所述凸起部的两侧分别形成肩部，所述检测腔和所述处理腔位于所述主体部，所述废液腔位于所述凸起部。

12、可选地，所述第一支撑板的上边缘向内凹陷形成一沿所述第二方向延伸的凹口，所述第一通孔位于所述凹口的下方，所述样本处理单元放置在所述第一支撑板上时，所述凸起部位于所述凹口内。

13、可选地，所述第一支撑板上设置有第三限位单元，所述第三限位单元为两个沿所述第一方向延伸的限位块，当所述样本处理模块放置在所述第一支撑板上时，所述限位块与所述样本处理模块的肩部及所述凸起部的两侧抵接。

14、可选地，所述样本处理单元还包括微泵，所述微泵通过所述微流控通道连接所述检测腔的进液端和所述处理腔的出液端。

15、可选地，所述光源激发模块包括n组通过波导连接的光栅耦入单元和荧光激发单元，所述光栅耦入单元与外部光源连接，所述荧光激发单元对准所述第一通孔和所述第二通孔。

16、可选地，所述检测模块还包括滤光单元，所述滤光单元与所述荧光检测单元一一对应，且所述滤光单元位于所述荧光检测单元的下方。

17、可选地，所述第二支撑板上设置有第四限位单元，所述第四限位单元为位于所述第二通孔两侧的两个限位块，所述检测模块位于两个所述限位块的内侧。

18、基于同一发明构思，本发明还提供一种芯片式荧光传感检测方法，所述检测方法包括：

19、光源激发模块接收光源光束并将所述光源光束转换为可用于荧光激发的激发光束；

20、样本处理模块对样本和反应液进行生化反应得到待检测样本，所述激发光束垂直照射所述待检测样本，使所述待检测样本发生荧光激发以发出荧光信号；

21、检测模块接收并检测所述荧光信号，以得到检测结果。

22、可选地，所述光源激发模块包括光栅耦入单元和荧光激发单元，所述光栅耦入单元连接光源光束，对所述光源光束进行接收及转向后传输给所述荧光激发单元，所述荧光激发单元将所述光源光束转换为可用于荧光激发的所述激发光信号。

23、可选地，所述检测模块包括滤光单元和检测单元，所述滤光单元滤光后得到所述荧光信号，所述检测单元对所述荧光信号进行检测后输出电压信号。

24、如上所述，本发明的芯片式荧光传感系统及检测方法，具有以下有益效果：

25、1、在垂直方向上设置光源激发模块、样本处理模块及检测模块，通过同轴对准的第一通孔和第二通孔在物理层面上对准光源激发模块、检测腔及荧光检测单元，使激发光束垂直照射检测腔，荧光检测单元直接接收荧光信号，简化了检测光路，缩小了荧光传感系统的尺寸，使荧光传感系统从需要固定台面支撑的实验室设备，转变为可单手持握的便携式装备。

26、2、设备尺寸的缩小和检测光路的简化同时还消除了长距离光路传输造成的衍射损耗以及复杂光路造成的对准漂移，保证了光信号传输及接收的稳定性，减小机械应力及外部环境对荧光检测的影响，提高荧光传感系统灵敏度和准确性。

27、3、支撑架、第一支撑板、第二支撑板、光源激发模块、样本处理模块和检测模块之间均为可拆卸连接，可以根据实际需求调整通孔及对应模块上器件的数量，设计一组或多组荧光检测试验，进行条件不同或相同的对照实验，且不需要改变光路，增强了荧光检测模块的可扩展性；可清洁复用的样本处理模块降低了荧光检测的成本。