一种共聚焦激光诱导荧光检测器的研制

    在微型化仪器中,流体通道和器件尺度的减小,使检测光池的体积和光程分别以尺度的3次方和1次方减小,因此提高检测器的灵敏度成为微型化仪器实用化的关键问题。激光诱导荧光检测(laser-in-duced fluorescence detection, LIF-D)作为一种新型的高灵敏度检测方式近年来得到了快速发展和广泛的应用,以脱氧核糖核酸(DNA)芯片为代表的生物芯片技术的蓬勃发展更进一步促进了LIF-D水平的提高。与其他现有的检测方式相比,LIF-D是灵敏度较高的检测技术之一,其灵敏度比紫外-可见吸收检测高2~3个数量级,检测限通常为nmol/L~pmol/L级,特殊制作的LIF检测器对于某些荧光效率高的试剂甚至可以达到单分子检测^[1]。

    传统的气体激光器由于体积大、能耗和成本高等缺点而与微型化仪器的特点不相匹配;半导体激光器具有功率输出稳定、价格低、体积小、使用寿命长等优点,是激光诱导荧光检测器的理想光源。另外,由于光学元件和流动相对激发光的散射强度与波长的4次方成反比,再加上短波长激光对荧光染料较强的光漂白作用,使得可见区的红光及近红外区的激发波长得到广泛关注。目前的生物芯片研究中检测方式大多采用激光诱导荧光检测,且多用绿色532 nm和红色635 nm激光,以提高芯片测定的稳定性,降低背景干扰,提高灵敏度。近年来,半导体激光器已经有了很大的发展并已大量生产,二极管泵浦固态蓝光半导体激光器(473 nm)^[2,3]、绿光半导体激光器(532 nm)^[2~5]已大量投放市场,紫光半导体激光器(405 nm)^[6]也已开始批量生产。这将为以半导体激光器为光源的LIF-D的广泛应用奠定基础。Cy5等一些商品化荧光染料的推出解决了长波长区荧光染料匮乏的问题。

    尽管LIF检测器的微型化研究在微机电加工技术(micro-electro mechanical system,MEMS)的支持下迅速发展[7],但因为检测灵敏度等原因,目前在大多数微流体芯片研究中,传统光电器件的检测系统仍然占主导地位,并且将延续很长一段时间。所以,研制结构紧凑、高性能的小型化LIF检测器仍然是芯片检测和微流控分析系统的关键课题。遗憾的是,目前国内还没有LIF检测器的生产厂家,其仪器大多是依赖进口或自行组装。进口仪器的性能固然优异,但价格很高;自行组装的LIF检测器所用的光学器件也大多是进口元件。

    本文报道了一种小型化便携式LIF检测器,采用了共聚焦光学系统、成像观察校准系统和模块化结构(包括光源模块、检测池模块、传感器模块和电源模块,共4部分)。使用不同波长的半导体激光器和相应的滤光元件可以满足不同类型的荧光试剂;可更换的检测池模块可以使系统分别应用于毛细管电泳(CE)、微柱液相色谱(μ-HPLC)和芯片毛细管电泳(CE Chip)等领域。目视校准使校准简单快捷,克服了常见共聚焦检测系统中校准困难的缺点^[8]。实际测试表明所设计的LIF检测器性能可以满足上述分析系统的要求。