发光二极管诱导荧光微芯片分析检测器的研制

　　1　引　言

　　激光诱导荧光检测是高灵敏度检测手段之一。在激光诱导荧光检测系统中,目前常用的激光光源存在体积大、能耗高、价格高等缺点,难以实现整个分析检测系统的微型化[1-2]。近几年,随着LED技术的日益成熟和LED性能的改善,高功率(瓦级)、短波长(470 nm左右)、单色性及稳定性良好的LED已经上市。与激光器相比,LED具有成本低(十几元人民币)、体积小(几十个立方毫米)、使用寿命长(105h)的优点。同时,这类型号的LED已能够满足生化分析中荧光激发的要求,LED诱导荧光检测系统适应了仪器微型化、集成化和便携化发展的趋势。

　　为了使整个分析检测系统微型化,目前已经有很多使用光纤直接将LED发射光束传导至检测微通道的报道[3-4]。合适的光纤耦合方法可以简化光学设计,降低检测系统复杂性,但由于光纤接收角有限,光纤与LED发射光束的耦合效率比较低,也会极大影响整个荧光检测系统的灵敏度。LED发光面积一般比较大,为了充分利用LED的光能量并提高系统的检测灵敏度,可以通过光学系统将LED发出的光聚焦成能量密度大的微小光斑。目前,该方法已经得到应用[5-8]。YangB CH等[5]使用两块消色差透镜对LED光进行准直和聚焦,聚焦后的光通过0.2 mm的限光孔进入检测管道。Ebbing P J[7]小组设计的LED光学聚焦系统在采用20倍物镜,聚焦点光斑约为2 mm(>0.5 mm的激光点光斑)时,其工作距离为8 mm;当采用40倍的高倍物镜时,聚焦光斑约为1 mm,但此时工作距离<1 mm,应用受到限制。由于LED发出的光发散角大,目前已有文献报道LED经过光学系统聚焦的光斑大小约为毫米级,如果在LED光学系统中加上限光孔可以实现更小的光斑,但会降低LED能量以致检测系统灵敏度降低。

　　本文提出采用高功率LED作为激发光源,利用MOS管饱和区工作时源漏极间的恒定电流为LED提供驱动电流,使其发射的光稳定。通过设计和制造光学结构,成功将LED发散光聚焦成微小的线状光束,使其很容易与微流控芯片中的微管道对准。用硝基苯并恶二唑-C6-酰基硝胺醇(NBD C6-ceramide)和NBD C6-ceramide标记的高密度脂蛋白(HDL)考察荧光检测器的性能,结果表明,LED诱导荧光检测器工作稳定,重复性好,可用于微流控芯片毛细管电泳分析检测。

　　2　LED诱导荧光检测器

　　2.1　高功率LED恒流驱动

　　Philips Lumileds公司LUEXON Rebel[9]系列LED是目前体积最小的表面封装高功率LED,表面积约为4 mm×3 mm,具有最高的光密度(lm/m);最大工作电流为1 000 mA,此时LED功率高达3 W。该检测器选用中心波长为470 nm的蓝光LED。

　　用LED作激发光源时,其发出光的功率稳定性是整个检测的关键。为了实现LED的稳定工作,本文根据MOS管电压控制电流工作原理,设计并制作了一个高功率恒流驱动电路,如图1所示。当MOS管工作在饱和区时,源漏极之间的电流为恒定值,所以利用MOS管饱和区工作状态可实现LED恒流驱动[10]。为减少MOS管的功耗和保证电路稳定,系统采用双电源供电。LED使用+5 V电源工作,此时MOS管功耗约为0.9 W,通过小的散热片就可使驱动电路与外界环境迅速达到热平衡,从而实现MOS管的稳定和LED恒流。