基于特定集束光纤的芯片实验室激光诱导荧光检测器关键技术研究

Microchip-based analytical system has turned to be a significant branch and front field of medical instrumental analysis, the performances of it directly affect the detection sensitivity and validity, and has become an important symbol of lab-on-chip technology. Laser-induced fluorescence detector is one of the most sensitive and widely used detection method that attracted the attention of researchers. The subject is aimed to establish a small universal high sensitivity fluorescence detector based on bundling fibers, using low-cost avalanche photo diode (APD) as sensor, and the commercialized LED modulation as the excitation source. The research will focus on the automatic positioning of the probe without specific sensor and performance optimization method of multi-parameter coupling system. combined with the flow control, the fluorescence labeled experiments will be carried on to verify the validity of quantitative analysis. The researches on implementation will provide effective scheme of a miniature lab-on-chip detection, and facilitate the application of mature laser-induced fluorescence analysis method for lab-on- chip.

基于芯片实验室的分析检测系统已成为目前包括医学临检在内的分析仪器的重要方向，其性能直接影响着检测的灵敏度、有效性，是芯片实验室成熟化发展的重要标志。激光诱导荧光检测器是目前最灵敏，应用最为广泛的检测方法之一，也是与微流控芯片相匹配研究最多的检测器。课题以构建面向芯片实验室的通用小型化高灵敏度诱导荧光检测器为目标，采用特定集束光纤探针建立检测模型，以低成本雪崩二极管为传感器，商品化LED可调制光纤激光器作为激发光源，基于受控的激发条件，研究探针的免传感器自动定位对准方法以及多参数耦合的系统性能优化方法，开展面向芯片检测池或通道的实验验证。研究的实现将为芯片实验室检测提供一种有效方案，有利于成熟激光诱导荧光分析法面向芯片实验室的应用，对于推动芯片实验室成熟化发展具有重要现实意义。

项目以微流控芯片的片上荧光检测为目标，旨在构建一种具有自动定位能力并且无须特定位置传感器的片上荧光检测技术。研究以七芯集束光纤作为关键元件，其中，集束光纤的中心一芯光纤作为接收端面，其余六芯光纤作为激发光源，检测系统通过配置光源的照明顺序来实现片上荧光检测的空间定位能力。按照研究计划，项目的主要研究内容包括基于集束光纤受控激发下的高精度检测体系、检测定位的局部收敛控制优化、传感器接收效能消化以及高精度检测电路的设计等方面。项目在实现既定研究目标的基础上，结合压缩感知成像理论，创新性的提出了通过设置光纤光源多模式激发产生测得量矩阵的方法，以计算成像的方式实现单芯光纤传感的单像元成像技术思路。由此，项目研究组通过研究稀疏成像的基础理论，利用二维阵列CCD的目标空间光场分布测量能力，将光纤的粗糙照明场景进行进一步精细量化，获得测量矩阵，最终构建了一套集束光纤单像元成像系统，将集束光纤的定位能力进一步提升为二维成像定位。技术基于组合光源的高频闪烁控制，突破了原始单像素相机验证系统中数字微反射镜阵列的帧频限制，可以更好地发挥APD等单元高速成像传感器的测量能力，实现了高帧频下的单像素荧光检测成像。在现有条件下，经实验验证，系统已经实现了单目标的高速稀疏成像，成像帧频达到469HZ。基于此技术申请的国家发明专利已获受理。值得一提的是，项目在开展关键技术研究的伊始，即十分关注技术与生物医学检测实际应用的结合，研究过程中重点以流式细胞检测和纸芯片荧光检测为应用场景开展研究，目前在相关技术的支持下实现了面向纸芯片的胃癌标志物荧光检测，成果在《Sensors and Actuators B: Chemical》（JCR1区，TOP期刊，IF6.393）杂志发表。