基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，包括微流控芯片和光探测器，其中在微流控芯片内部设置有微通道，微通道设置有样品进口及样品出口，微流控芯片外部的光探测器对正微通道，光探测器与数据处理模块连接，或者光探测器通过数据传输模块与数据处理模块连接；所述的微流控芯片的下表面称为A面，A面直接与光探测器接触，微通道的下表面称为B面，A面与B面的距离越小越好；微流体芯片上表面称为C面，其能够透过自然光或是其他稳定的光源。本发明的结构，不仅可以完成传统流式细胞仪的统计计数功能，还可以像显微镜一样，观测到细胞的细节特征，并且体积、成本更小，操作更简便。
【专利说明】基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪
【技术领域】
[0001]本发明是属于细胞检测方法【技术领域】，涉及一种基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪。
【背景技术】
[0002]微流控技术是本世纪一项重要的科学技术，它以其独有的分析快速、低功耗、微型化和自动化等优点而发展非常迅速。它是把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选、裂解等基本操作集成在或基本集成在一块几平方厘米的芯片上，它具有流体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成百倍提高等优点，可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析。这使得其在医学研究领域的应用渐渐展现了它独有的迷人魅力和发展前景。
[0003]细胞是生命活动的基本单元,细胞特征是反应生命状态的基本特征。对生物样品中的细胞进行计数、形态分析及结构检测，是人类健康管理、疾病诊断、新药开发必不可少的环节。人们通过对细胞运动图像序列的观察研究，可以观测到细胞的表型变化和动态行为，并对细胞进行分类和计数，给医学诊断提供良好的依据。但是传统的检测细胞的方式不外乎显微镜观察和通过流式细胞仪计数等手段。他们有一个共同的缺点就是设备过于庞大和昂贵。而且用显微镜观察细胞只能在玻片上或是玻璃器皿上进行观察，这使得观察不到了细胞的流动性(最重要的生命特性之一)。而且对于玻片的制作和显微镜的调光圈和物镜的调节等都需要专业人员在实验室才能进行操作。而传统的流式细胞仪也一般只有初具规模的医院或是实验室才有的仪器，且其依靠激光等手段只是通过观察脉冲波形图等方式来对细胞计数，无法直观的观测到细胞。种种的这些缺陷，在微流控芯片的技术出现后，都给医学界带来了一个新的希望，和即将发生的重大变革。
[0004]微流控芯片中的微通道一般宽度为50?200微米左右，它与生物细胞的大小相当，而且通过可控制的压力等方法，使得生物细胞在微通道内非常容易被操纵、观察和检测，而且克服了现有设备中检测系统过于庞大、检测过程复杂、检测周期长、必须在相应的实验室中检测的众多缺点，完全可以达到低成本，低功耗，并可在家庭或是不具备建立实验室条件的边远地区进行初步的快速诊断，克服了传统的流式细胞仪的缺点，成为该仪器的一个重要的很有前景的发展方向。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，解决了现有的流式细胞仪体积大、价格昂贵，只能单纯得到光谱信息而无法直观观测到目标图像，以及必须有专业人员操作的问题。
[0006]本发明的技术方案是，一种基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，包括一个微流控芯片和光探测器，
[0007]其中在微流控芯片内部设置有微通道，微通道设置有样品进口及样品出口，微流控芯片外部的光探测器对正微通道，
[0008]光探测器与数据处理模块连接，或者光探测器通过数据传输模块与数据处理模块连接。
[0009]本发明的基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，其特点还在于:所述的微流控芯片的下表面称为A面，A面直接与光探测器接触，微通道的下表面称为B面，A面与B面的距离越小越好；微流体芯片上表面称为C面，其能够透过自然光或是其他稳定的光源。
[0010]微通道的宽度范围为50-100微米。
[0011]本发明的有益效果是，通过微流控芯片与光探测器的结合，再加上后续的数字图像处理技术的处理，能够实现传统流式细胞仪计数分类功能，还可以像显微镜一样给出细胞的图像。本发明的特点包括以下方面:
[0012]I)相比较传统的流式细胞仪，利用了有片上实验室之称的微流控芯片技术，省去了激光等感应细胞的方式，使得本发明所提出的流式细胞仪的成本和体积都可以很小，一整套系统最终可以只有几百元的成本，体积只有一元硬币的大小左右。利用最新的微流控芯片技术，可以把细胞的分离，分选等步骤集成在一个只有几平方厘米甚至更小的微流控芯片上，省去了传统流式细胞仪在检测前的复杂准备工作。
[0013]2)相比较传统的显微镜，由于本发明利用光探测器采集亚像素移位的帧序列，并通过超分辨率算法对目标细胞进行放大，所以省去了传统的凸透镜，使得仪器的小型化成为可能，通过把微流控芯片直接放在光探测器上面进行成像的方法，得到试剂在微通道内移动的亚像素移位帧序列，然后通过分割、追踪等数字图像处理的技术对细胞进行计数，且在细胞流动计数的同时，就能够观测到细胞的放大图像。
[0014]3)利用该发明，把传统的细胞检测方式——流式细胞仪和显微镜成像很好的结合在一起，不仅可以完成传统流式细胞仪的统计计数功能，还可以像显微镜一样，观测到细胞的细节特征，并且体积、成本都变得更小，操作变得更简便。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明装置的原理示意图；
[0016]图2为微流控芯片和传感器部分的内部结构示意图；
[0017]图3为微流控芯片中微通道的局部示意图；
[0018]图4为利用本发明装置得到的一帧含有微球的轨道图像的一部分；
[0019]图5为对图4进行分割追踪后的得到的结果图像；
[0020]图6为利用本发明装置得到的单独的一个微球的图像；
[0021]图7为利用超分辨率算法得到的图6放大后的图像；
[0022]图中，1.微流控芯片，2.光探测器，3.芯片封装，4.样品，5.微通道。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0024]本发明的流式细胞仪，该装置实现的结构有两种方式:
[0025]方案一，包括一个微流控芯片I (只有几平方厘米)、光探测器2、数据传输模块(USB接口芯片)和数据处理模块(上位机PC等)。通过微流控技术对细胞进行分离、分选等基本操作；然后通过光探测器与微流控芯片直接相接触的方式，对微流控芯片中的关键部位进行数据采集；然后通过数据传输模块(如USB芯片)把数据传输到数据处理模块(如上位机PC、手机等智能终端上)，然后通过数字图像处理技术对图像进行分割、追踪来进行计数；还可以通过超分辨率算法对细胞进行放大，方便观察细胞的细节特征；
[0026]方案二，包括微流控芯片1、光探测器2和数据处理模块(FPGA/ASIC)。通过光探测器对微流控芯片的关键部位进行数据采集以后，直接把数据传输到相关计数、放大等算法硬件实现的ASIC上，进行数据的处理。
[0027]光探测器2选用是CMOS图像传感器或⑶D图像传感器。
[0028]如图1所示，是该系统的整体架构图。具体包括一个具有限定流体的微通道5(例如微流体芯片I)和一个带有光检测元件的二维阵列(例如CMOS传感器阵列)的光探测器2及其外围电路(包括用作数据传输的USB芯片，和进行数据处理的上位机PC或是相关算法已硬件实现的ASIC)。首先通过光探测器对微流控芯片中的关键部分进行数据采集，通过数据总线把这些数据传输到外围模块。方案一是通过USB借口传输到上位机PC等只能终端上，对这些数据进行后续处理。方案二是直接传输给已经进行了相关算法硬件实现的FPGA或是ASIC上。
[0029]具体的使用方法是，首先利用压力(或重力或电力方式)将要观测的溶液注入到微流控芯片I内部的微通道5里，同时与之直接接触的光探测器2 (这种接触认为是微通道尽可能足够接近光探测器)以亚像素采样速率对微通道内数据进行采样，这样流过微通道的样品溶液的图像就不断被光探测器(例如CMOS图像传感器)所采集，然后这些有效数据通过USB接口模块传输到上位机PC等智能终端中，最后通过相应的程序对所采集数据进行处理从而达到计数、分类，放大的功能；或者是把光探测器所采集到的数据直接传输给已经把相关算法用硬件实现的ASIC模块，进行后续的图像数据处理。
[0030]如图2所示，是微流控芯片I与光探测器2的安装位置示意图，微流控芯片I中设置有微通道5，微流控芯片I下表面设置有光探测器2，光探测器2外周为芯片封装3，样品4从微流控芯片I微通道5的样品入口处流入，通过微通道5时被光探测器2感应，并采集到图像数据，从而得到一系列样品在微通道5内运动的帧序列；然后将采集的数据通过USB传输给上位机PC或是手机等智能终端进行处理。
[0031]如图3所示，是微流体芯片I中的微通道5局部示意图。图3中的微流控芯片I的下表面称为A面，它直接与光探测器2接触，微通道5的下表面称为B面，A面与B面的距离(厚度)越小越好(即越薄越好)，这样有利于成出很清晰的图像；微流体芯片I上表面称为C面，其能够透过自然光或是其他稳定的光源，并透过微通道5和流过微通道里的样品4，使得样品4在A面上最终成像到光探测器2的镜头中。
[0032]微流控芯片I的上、下表面A、C均只有几平方厘米，厚度只有几毫米，其中微通道5的尺寸根据样品的大小设计，微通道5的截面优选为方形或矩形，宽度范围为50-100微米，高度范围为20-50微米。整个微流控芯片I的材料可以用石英玻璃或是聚合物(如聚二甲苯依稀等)透光性好的材料制作。
[0033]如图4，是利用图2装置所采集到的微通道样品的图像。图5是对图4进行分割追踪算法后得到的结果，当一系列视频结束后，统计追踪结果从而达到计数的功能。然后利用相应的超分辨率算法对观测目标进行放大，从而体现出其细节特征。如图6是本发明装置所采集到的微球的图像，图7是利用移位叠加SR算法求得的对图6放大后的微球图像。
【权利要求】
1.一种基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，其特点在于:包括一个微流控芯片(I)和光探测器⑵， 其中在微流控芯片(I)内部设置有微通道(5)，微通道(5)设置有样品进口及样品出口，微流控芯片(I)外部的光探测器(2)对正微通道(5)， 光探测器(2)与数据处理模块连接，或者光探测器(2)通过数据传输模块与数据处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，其特点在于:所述的微流控芯片⑴的下表面称为A面，A面直接与光探测器⑵接触，微通道(5)的下表面称为B面，A面与B面的距离越小越好；微流体芯片(I)上表面称为C面，其能够透过自然光或是其他稳定的光源。
3.根据权利要求1所述的基于光探测器与微流控技术的流式细胞仪，其特点在于:所述的微通道(5)的宽度范围为50-100微米。
【文档编号】G01N15/14GK103954546SQ201410182553
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】余宁梅, 时小雨, 任茹 申请人:西安理工大学