集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测装置及方法与流程

本发明涉及空间辐射损伤监测技术，特别是一种集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测装置及方法

背景技术：

空间环境是具有复杂辐射和微重力等复合的极端环境，由于考虑到未来我国空间站需要由长期在轨的航天员执行工程任务，以及未来的重新登月和火星探索，航天员是否能承受来自空间环境的辐射，如何预警，如何防御，一直是一个制约载人航天工程关于航天员健康保护的问题。因此，空间辐射损伤监测已经成为空间辐射生物学研究中首要的问题。

由于真正的空间飞行试验机会非常少、周期长、限制性因素也多，因此选择合适的生物学材料尤其重要，秀丽隐杆线虫则是一种空间辐射损伤监测最经典的模式生物材料。而空间辐射损伤监测设备主要是生物显微镜。

生物显微镜是先进的生物学研究技术，它可直观、准确的观察秀丽隐杆线虫的形态结构，同时也可以观察秀丽隐杆线虫发出的荧光特征。但是，生物显微镜结构庞大、结构复杂、价格昂贵、功能单一、无法现场监测。

技术实现要素：

为了解决空间辐射损伤监测中存在的上述问题，本发明要设计一种体积小、结构简单、价格便宜、功能齐全、可用于现场监测的集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测装置及方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测装置，包括微流控芯片组件、激发光源组件、光场增强组件、显微成像组件、微控制器、电动移动组件、真空泵和上位机处理组件；

所述微控制器通过数据线分别与上位机处理组件、激发光源组件、光场增强组件、电动移动组件和真空泵连接；所述上位机处理组件通过数据线与显微成像组件连接；所述真空泵通过管道与微流控芯片组件相连接。

所述显微成像组件包括荧光显微物镜、分光镜、绿色滤光片、聚光透镜组和摄像头，所述聚光透镜组包括平凸透镜和双凸透镜；所述荧光显微物镜通过光路依次与分光镜、绿色滤光片、聚光透镜组和摄像头连接；所述摄像头通过总线与上位机处理组件连接；

所述微流控芯片组件由六个相同的微流控芯片组成，所述微流控芯片由基片及固定在基片上的涂层组成，所述基片为玻璃片，所述涂层为聚二甲基硅氧烷涂层，所述涂层表面设有样品入口、培养槽、培养液入口、侧吸口、闸门及废液出口；样品入口用于添加秀丽隐杆线虫；培养槽通过通道ⅰ和通道ⅱ与样品入口相连，用于培养秀丽隐杆线虫；培养液入口通过通道ⅴ和通道ⅵ与培养槽相连，用于添加培养液；侧吸口通过通道ⅶ与培养槽相连，用于产生负压固定秀丽隐杆线虫；闸门用于使培养槽与外部空气隔绝；废液出口通过通道ⅲ和通道ⅳ与培养槽相连，用于排除废液；所述通道ⅱ只允许单个秀丽隐杆线虫通过并限制秀丽隐杆线虫逃出培养槽；所述通道ⅳ和通道ⅵ用于限制秀丽隐杆线虫逃出培养槽；

所述激发光源组件用于激发秀丽隐杆线虫使其产生荧光，

所述光场增强组件用于增强秀丽隐杆线虫视场内的光强，提高秀丽隐杆线虫明场视频及明场图像获取时的对比度；

所述显微成像组件用于获得秀丽隐杆线虫的明场视频、明场图像及荧光图像；

所述微控制器用于控制激发光源组件、光场增强组件、显微成像组件、电动移动组件和真空泵；

所述电动移动组件用于带动显微成像组件左右移动；

所述真空泵用于使微流控芯片的侧吸口产生负压；

所述上位机处理组件用于存储和处理秀丽隐杆线虫的明场视频、明场图像及荧光图像；通过明场视频及明场图像得到秀丽隐杆线虫的运动特征，所述运动特征包括秀丽隐杆线虫运动频率和运动幅度；通过荧光图像得到秀丽隐杆线虫的内部特征，所述内部特征包括秀丽隐杆线虫发光位点数目和总荧光强度。

集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测方法，包括如下步骤：

a、将秀丽隐杆线虫加入到微流控芯片的样品入口，通过注射器控制使秀丽隐杆线虫从样品入口经过通道ⅰ、通道ⅱ进入培养槽，培养过程中定期更换培养液。

b、通过微控制器控制显微成像组件依次对微流控芯片组件中每个微流控芯片中的秀丽隐杆线虫进行数据采集；数据采集流程依次包括：明场视频采集、明场图像采集、荧光图像采集。

c、上位机处理组件对步骤b中获得的秀丽隐杆线虫数据进行分析，以此评估秀丽隐杆线虫辐射损伤程度，具体评估方法如下：

c1、通过运动频率评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度；运动频率越小表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重。

c2、通过运动幅度评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度；运动幅度越小表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重。

c3、通过发光位点数目评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度，发光位点数目越多，表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤的程度越严重；

c4、通过总荧光强度评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度，荧光强度越强表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重。

c5、对以上四个指标综合评估，最终得出秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度。

本发明的工作原理如下：

在空间辐射环境下，在微流控芯片中培养秀丽隐杆线虫并实时监测秀丽隐杆线虫的生命状态，通过秀丽隐杆线虫运动特征及内部特征来评估其受空间辐射损伤的程度，运动特征指秀丽隐杆线虫运动频率及运动幅度；内部特征指秀丽隐杆线虫发光位点数目及总荧光强度。最后，生物学家会根据秀丽隐杆线虫所受的空间辐射损伤程度进行空间辐射生物学研究，解决如何警惕，如何防御航天员受到空间辐射的健康问题。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在样品入口加入秀丽隐杆线虫后，后续步骤都是通过控制器控制进行智能化完成，因此，操作简单。

2、由于本发明采用微流控芯片组件作为空间辐射损伤监测的微平台，而相关的检测设备亦可采用体积较小的结构形式，因此，本发明具有体积小、重量轻、成本低、样品用量少、便于携带等优点。

3、本发明实现对秀丽隐杆线虫捕获、培养和监测测一体化，是一套完整的空间辐射损伤监测装置及方法。

附图说明

本发明共有附图3幅，其中：

图1为本发明的监测装置原理图。

图2为本发明的显微成像组件原理图。

图3为本发明的微流控芯片结构示意图。

图中：1、上位机处理组件，2、微控制器，3、激发光源组件，4、电动移动组件，5、显微成像组件，6、微流控芯片组件，7、真空泵，8、光场增强组件，9、总线，10、摄像头，11、聚光透镜组，12、绿色滤光片，13、分光镜，14、荧光显微物镜，15、样品入口，16、培养槽，17、培养液入口，18、侧吸口，19、闸门，20、废液出口，21、通道ⅰ，22、通道ⅱ，23、通道ⅲ，24、通道ⅳ，25、通道ⅴ，26、通道ⅵ，27、通道ⅶ，28、注射器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测装置，包括微流控芯片组件6、激发光源组件3、光场增强组件8、显微成像组件5、微控制器2、电动移动组件4、真空泵7和上位机处理组件1；

所述微控制器2通过数据线分别与上位机处理组件1、激发光源组件3、光场增强组件8、电动移动组件4和真空泵7连接；所述上位机处理组件1通过数据线与显微成像组件5连接；所述真空泵7通过管道与微流控芯片组件6相连接；

所述显微成像组件5包括荧光显微物镜14、分光镜13、绿光滤光片12、聚光透镜组11和摄像头10，所述聚光透镜组11包括平凸透镜和双凸透镜；所述荧光显微物镜14通过光路依次与分光镜13、绿色滤光片12、聚光透镜组11和摄像头10连接；所述摄像头10通过总线9与上位机处理组件1连接；

所述微流控芯片组件6由六个相同的微流控芯片组成，所述微流控芯片由基片及固定在基片上的涂层组成，所述基片为玻璃片，所述涂层为聚二甲基硅氧烷涂层，所述涂层表面设有样品入口15、培养槽16、培养液入口17、侧吸口18、闸门19及样品出口20；样品入口15用于添加秀丽隐杆线虫；培养槽16通过通道ⅰ21和通道ⅱ22与样品入口15相连，用于培养秀丽隐杆线虫；培养液入口17通过通道ⅴ25和通道ⅵ26与培养槽16相连，用于添加培养液；侧吸口18通过通道ⅶ27与培养槽16相连，用于产生负压固定秀丽隐杆线虫；闸门19用于使培养槽16与外部空气隔绝；废液出口20通过通道ⅲ23和通道ⅳ24与培养槽16相连，用于排除废液；所述通道ⅱ22只允许单个秀丽隐杆线虫通过并限制秀丽隐杆线虫逃出培养槽16；所述通道ⅳ24和通道ⅵ26用于限制秀丽隐杆线虫逃出培养槽16；

所述激发光源组件3用于激发秀丽隐杆线虫使其产生荧光，

所述光场增强组件8用于增强秀丽隐杆线虫视场内的光强，提高秀丽隐杆线虫明场视频及明场图像获取时的对比度；

所述显微成像组件5用于获得秀丽隐杆线虫的明场视频、明场图像及荧光图像；

所述微控制器2用于控制激发光源组件3、光场增强组件8、显微成像组件5、电动移动组件4和真空泵7；

所述电动移动组件4用于带动显微成像组件5左右移动；

所述真空泵7用于使微流控芯片的侧吸口18产生负压；

所述上位机处理组件1用于存储和处理秀丽隐杆线虫的明场视频、明场图像及荧光图像；通过明场视频及明场图像得到秀丽隐杆线虫的运动特征，所述运动特征包括秀丽隐杆线虫运动频率和运动幅度；通过荧光图像得到秀丽隐杆线虫的内部特征，所述内部特征包括秀丽隐杆线虫发光位点数目和总荧光强度。

集捕获培养检测一体化的微流控辐射损伤监测方法，包括如下步骤：

a、将秀丽隐杆线虫加入到微流控芯片的样品入口15，通过注射器28控制使秀丽隐杆线虫从样品入口15经过通道ⅰ21、通道ⅱ22进入培养槽16，培养过程中定期更换培养液；

b、通过微控制器2控制显微成像组件5依次对微流控芯片组件6中每个微流控芯片中的秀丽隐杆线虫进行数据采集；数据采集流程依次包括：明场视频采集、明场图像采集、荧光图像采集；

c、上位机处理组件1对步骤b中获得的秀丽隐杆线虫数据进行分析，以此评估秀丽隐杆线虫辐射损伤程度，具体评估方法如下：

c1、通过运动频率评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度；运动频率越小表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重；

c2、通过运动幅度评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度；运动幅度越小表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重；

c3、通过发光位点数目评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度，发光位点数目越多，表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤的程度越严重；

c4、通过总荧光强度评估秀丽隐杆线虫的辐射损伤程度，荧光强度越强表明秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度越严重；

c5、对以上四个指标综合评估，最终得出秀丽隐杆线虫受辐射损伤程度。

本发明的基本工作流程如下：

在采集明场视频和明场图像时，秀丽隐杆线虫自由的在培养槽16中生长，激发光源组件3关闭，光场增强组件8打开；在采集荧光图像时，激发光源组件3打开，光场增强组件8关闭，同时真空泵7打开，产生负压，用于将秀丽隐杆线虫固定在培养槽16的槽壁上；

在采集明场视频和明场图像时，工作流程为：光场增强组件8从下方照射→秀丽隐杆线虫经显微物镜放大→聚光透镜组11聚焦→由摄像头10进行数据采集→传输到上位机处理组件1进行存储和处理；

在采集荧光图像时，工作流程为：激发光源组件3从侧方照射→经分光镜13反射→激发秀丽隐杆线虫产生荧光→秀丽隐杆线虫产生的荧光数据经荧光显微物镜14放大→绿色滤光片12滤出杂光数据→聚光透镜组11聚焦→由摄像头10进行数据采集→传输到上位机处理组件1进行存储和处理；

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。