CN103267543B - 显微粒子图像微流量测量仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微粒子图像微流量测量仪，包括12位CCD相机(1)，荧光滤色镜(2)、三棱镜(3)、激光器(4)、透镜组(5)、激光滤色镜(6)、显微物镜(7)、微流体注射泵(8)、光学玻璃旋转盘(9)、微流体芯片(10)、回收容器(11)、同步器(12)、计算机(13)；本发明所采用的微流量测量技术属于非接触式方法。传感元件无须嵌入流体内部，避免了传统的接触式方法对微流体干涉造成的测量误差，不同于其它非接触式的间接方法，可直接测量流体流量参数，提高了测量的准确性；利用计算机图形学理论和方法，绘制三维空间速度矢量图，完成三维流场可视化构建，实现三维流场构建，达到精确测量微流量参数的目的。

Description

显微粒子图像微流量测量仪及方法

技术领域

本发明涉及微流量测量技术，特别是涉及一种显微粒子图像微流量测量仪及方法。

背景技术

微流体的主要特征是流速低、流量微小、多物理现象并存且相互耦合，而当微流体的体积流量落入微纳升/皮升尺度(1pL/s～1μL/s)范围内，存在诸多不为人知的物理现象。微流体微纳升/皮升尺度流量测量在国际上是一个难题，成熟技术少且多沿用接触式测量方法，难以实现流量的精确测量。“芯片实验室(Lab-on-a-chip)”技术，是微纳升/皮升尺度的微流体在生物、化学和医学领域中的重要应用，由于流速极低，流量的精确控制就成为“芯片实验室”实现样品的制备、反应以及合成控制的必要条件，因而对微流体流量测量提出了很高的精度要求。

目前广泛采用的微流量检测方法主要分为接触式和非接触式。

1)传统的测量方式以接触式测量为主，但是当流动尺度缩小至几十微米量级，传统流量测量技术就很难发挥应有作用，而对微纳升/皮升尺度流量测量则更是无能为力了。虽然近40年以来发展起来的基于MEMS技术的微流量传感器研究取得了很大进展，但由于绝大多数传感器必须嵌入流场内部，对流动本身产生了干扰和破坏，应用于微纳升/皮升等极限尺度流量测量时准确性降低，测量结果可信度不高。

2)最常用的非接触式测量方法为称重法，是根据一段时间累积的流体重量计算获得流量。但对于微纳升/皮升尺度流量测量，这显然是相当耗时的测量方法，而且在用于具有分支结构的微通道流量测量时出现了困难。随着光学及光学传感器测量方法的发展，非接触测量方法中又出现了红外光学干涉法、光纤位移法等微纳升/皮升尺度流量测量技术。但由于测量是基于不同流量下被测对象光学特性或光纤位移等参数变化的间接方法，存在诸多不确定的影响因素。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种显微粒子图像微流量测量仪及方法。

本发明创造的目的是通过下述的技术方案实现的：

一种显微粒子图像微流量测量仪，包括12位CCD相机(1)，荧光滤色镜(2)、三棱镜(3)、激光器(4)、透镜组(5)、激光滤色镜(6)、显微物镜(7)、微流体注射泵(8)、光学玻璃旋转盘(9)、微流体芯片(10)、回收容器(11)、同步器(12)、计算机(13)；激光器(4)发出脉冲光束，依次经过透镜组(5)、激光滤色镜(6)、三棱镜(3)，经三棱镜(3)全反射至显微物镜(7)，并经显微物镜(7)、光学玻璃旋转盘(9)照射至被测的微流体芯片(10)，微流体注射泵(8)以恒定流量向微流体芯片(10)微通道注射流体，微流体芯片(10)中的被照射荧光粒子产生波长为610nm的荧光，荧光依次经过光学玻璃旋转盘(9)、三棱镜(3)、荧光滤色镜(2)最终被12位的CCD相机(1)采集并形成了粒子图像，采集的粒子图像由计算机(13)进行处理，获取全流场不同流体层的粒子图像，通过速度分析算法计算微流体三维速度分布，然后进行求解；所述光学玻璃旋转盘(9)由直流电机(14)带动进行旋转，光学玻璃旋转盘(9)打磨成楔形，其圆周上的厚度分布为逐渐变化的，一端最薄另一端最厚。

所述的显微粒子图像微流量测量仪进行测量的方法，扫描开始时，直流电机(14)带动光学玻璃旋转盘(9)转动，微流体采集区域所对应的光学玻璃旋转盘(9)厚度不断增加，12位CCD相机(1)同步采集相应厚度情况下的微流体层的数据：当光学玻璃旋转盘(9)旋转半周，从光学玻璃旋转盘(9)最薄处旋转到最厚处时，完成一次扫描，采集的结果送至计算机构建三维流场；

为了构建三维流场，需要计算流体层二维平面速度；将通过扫描周期性地将采集了一定数量粒子图像对，通过系综相关算法求解得到对应的平均的二维平面速度；而对于存在测量平面法线方向上的速度分量的复杂微流动，采用测量得到的二维平面速度通过连续积分方程获得该方向的速度分布，积分常数通过上下壁面滑移边界条件进行确定；为了提高测量的可靠性和精度，对已获得的速度分布计算沿流向的所有截面的流量，得到一组流量测量值，将其平均值作为最终所需要的流量值，见式(1)：

$q=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u(i,j,k)\·\mathrm{\Δ}{A}_{i,j,k}---\left(1\right)$

其中，u为流向速度分量；i表示沿流动方向的截面编号，j、k分别表示展向及景深方向的离散点编号；ΔA_j，k为微元面积，计算过程嵌入速度场算法中；对于流速极低的皮升尺度流量测量，严格控制影响流动稳定性的外界环境因素，并利用多次测量结果的系综平均消除不稳定涨落现象；进而借助现有的计算机图形学理论和方法，绘制三维空间速度矢量图，完成三维流场可视化构建。

本发明与现有技术相比，具有的有益的效果是：

1、本发明所采用的微流量测量技术属于非接触式方法。传感元件无须嵌入流体内部，避免了传统的接触式方法对微流体干涉造成的测量误差，不同于其它非接触式的间接方法，可直接测量流体流量参数，提高了测量的准确性；

2、利用计算机图形学理论和方法，绘制三维空间速度矢量图，完成三维流场可视化构建，实现三维流场构建，达到精确测量微流量参数的目的。

附图说明

图1是显微粒子图像微流量测量仪示意图；

图2是旋转盘扫描机构示意图；

图3是光学玻璃旋转盘14的立体结构示意图；

图4是旋转盘扫描机构原理示意图；

1、12位CCD相机，2、荧光滤色镜，3、三棱镜，4、激光器，5、透镜组，6、激光滤色镜，7、显微物镜，8、微流体注射泵，9、光学玻璃旋转盘，10、微流体芯片，儿、回收容器，12、同步器，13、计算机，14、直流电机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示：显微粒子图像微流量测量仪包括12位CCD相机1，荧光滤色镜2，三棱镜3，激光器4，透镜组5，激光滤色镜6，显微物镜7，微流体注射泵8，光学玻璃旋转盘9，微流体芯片10，回收容器11，同步器12，计算机13；计算机13分别连接同步器12的一个端子及12位CCD相机1的一个端子，同步器12的其他三个端子分别连接光学玻璃旋转盘9，激光器4和12位CCD相机1的另一个端子，激光器4发出脉冲光束，依次经过透镜组5、激光滤色镜6、三棱镜3，经三棱镜3全反射至显微物镜7，并经显微物镜7、光学玻璃旋转盘9照射至被测的微流体芯片10，微流体注射泵8以恒定流量向微流体芯片10微通道注射流体，微流体芯片10中的被照射荧光粒子产生波长为610nm的荧光，荧光依次经过光学玻璃旋转盘9、三棱镜3、荧光滤色镜2最终被12位的CCD相机1采集并形成了粒子图像，采集的粒子图像由计算机13进行处理，获取全流场不同流体层的粒子图像，通过速度分析算法计算微流体三维速度分布，然后进行求解。

如图2、图3所示：光学玻璃旋转盘9由直流电机14带动进行旋转，其旋转可由同步器12对直流电机14进行同步控制。其中光学玻璃旋转盘9打磨成楔形，其圆周上的厚度分布为逐渐变化的，一端最薄另一端最厚。直流电机14采用同步“锁相”技术，驱动光学玻璃旋转盘9以设定角速度旋转，对流体跨层扫描，激光脉冲及CCD图像采集之间进行同步控制。

具体工作过程如下：

在进行微流量测量过程中，计算机13发出控制信号到同步器12，同步器12控制激光器4、12位CCD相机1和直流电机15进行同步工作。激光器4发出的激光经过透镜组5、激光滤色镜6、三棱镜3，经过三棱镜3反射至显微物镜7，透过光学玻璃旋转盘9的照射到待测量的微流体芯片10中的荧光粒子表面发生反射，荧光粒子发射出的波长为610nm，荧光依次经过光学玻璃旋转盘9、三棱镜3、荧光滤色镜2被12位CCD相机1采集成像得到粒子图像。

在扫描过程中，光学玻璃旋转盘9的不同厚度位置，测量的焦平面不同，从而12位CCD相机1采集的流体层也不同。其过程如图4所示，根据“菲涅尔”折射变焦原理，当两块玻璃的厚度相差△D的时候，所产生的焦平面相差△h，因此，当光学玻璃旋转盘9转动时，随着玻璃盘厚度的变化，测量的焦平面也在不断变化，直到采集到所有的流体层。我们设定光学玻璃旋转盘9最薄处为零位。扫描开始时，电机带动光学玻璃旋转盘9转动，微流体采集区域所对应的光学玻璃盘厚度不断增加，12位CCD相机1同步采集相应厚度情况下的微流体层的数据。当光学玻璃旋转盘9旋转半周，从光学玻璃旋转盘9最薄处旋转到最厚处时，完成一次扫描，采集的结果送至计算机构建三维流场。

为了构建三维流场，需要计算流体层二维平面速度。在每个扫描周期内拍得一对图像，这对图像拍摄的时间间隔是一定的，这对图像就记录了测量二维平面中粒子的位移情况。仅仅一对图像通过速度分析算法所得的结果往往会带来很大的误差，因此，需要将通过扫描周期性地将采集了一定数量粒子图像对，通过系综相关算法(系综相关算法是常用的速度分析算法)求解得到相应的平均的二维平面速度。而对于存在测量平面法线方向上的速度分量的复杂微流动，采用测量得到的二维平面速度通过连续积分方程获得该方向的速度分布，积分常数通过上下壁面滑移边界条件进行确定。为了提高测量的可靠性和精度，对已获得的速度分布计算沿流向的所有截面的流量，得到一组流量测量值，将其平均值作为最终所需要的流量值，见式(1)。

$q=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u(i,j,k)\·\mathrm{\Δ}{A}_{i,j,k}---\left(1\right)$

其中，u为流向速度分量；i表示沿流动方向的截面编号，j、k分别表示展向及景深方向的离散点编号：ΔA_j，k为微元面积，计算过程嵌入速度场算法中。对于流速极低的皮升尺度流量测量，严格控制影响流动稳定性的外界环境因素，并利用多次测量结果的系综平均消除不稳定涨落现象。进而借助现有的计算机图形学理论和方法，绘制三维空间速度矢量图，完成三维流场可视化构建。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种显微粒子图像微流量测量仪，其特征在于，包括12位CCD相机(1)，荧光滤色镜(2)、三棱镜(3)、激光器(4)、透镜组(5)、激光滤色镜(6)、显微物镜(7)、微流体注射泵(8)、光学玻璃旋转盘(9)、微流体芯片(10)、回收容器(11)、同步器(12)、计算机(13)；激光器(4)发出脉冲光束，依次经过透镜组(5)、激光滤色镜(6)、三棱镜(3)，经三棱镜(3)全反射至显微物镜(7)，并经显微物镜(7)、光学玻璃旋转盘(9)照射至被测的微流体芯片(10)，微流体注射泵(8)以恒定流量向微流体芯片(10)微通道注射流体，微流体芯片(10)中的被照射荧光粒子产生波长为610nm的荧光，荧光依次经过光学玻璃旋转盘(9)、三棱镜(3)、荧光滤色镜(2)最终被12位的CCD相机(1)采集并形成了粒子图像，采集的粒子图像由计算机(13)进行处理，获取全流场不同流体层的粒子图像，通过速度分析算法计算微流体三维速度分布，然后进行求解；所述光学玻璃旋转盘(9)由直流电机(14)带动进行旋转，光学玻璃旋转盘(9)打磨成楔形，其圆周上的厚度分布为逐渐变化的，一端最薄另一端最厚。

2.根据权利要求1所述的显微粒子图像微流量测量仪进行测量的方法，其特征在于，扫描开始时，直流电机(14)带动光学玻璃旋转盘(9)转动，微流体采集区域所对应的光学玻璃旋转盘(9)厚度不断增加，12位CCD相机(1)同步采集相应厚度情况下的微流体层的数据；当光学玻璃旋转盘(9)旋转半周，从光学玻璃旋转盘(9)最薄处旋转到最厚处时，完成一次扫描，采集的结果送至计算机构建三维流场；

为了构建三维流场，需要计算流体层二维平面速度；将通过扫描周期性地将采集了一定数量粒子图像对，通过系综相关算法求解得到对应的平均的二维平面速度；而对于存在测量平面法线方向上的速度分量的复杂微流动，采用测量得到的二维平面速度通过连续积分方程获得该方向的速度分布，积分常数通过上下壁面滑移边界条件进行确定；为了提高测量的可靠性和精度，对已获得的速度分布计算沿流向的所有截面的流量，得到一组流量测量值，将其平均值作为最终所需要的流量值，见式(1)：

$q=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}u(i,j,k)\·\mathrm{\Δ}{A}_{i,j,k}---\left(1\right)$

其中，u为流向速度分量；i表示沿流动方向的截面编号，j、k分别表示展向及景深方向的离散点编号；ΔA_j，k为微元面积，计算过程嵌入速度场算法中；对于流速极低的皮升尺度流量测量，严格控制影响流动稳定性的外界环境因素，并利用多次测量结果的系综平均消除不稳定涨落现象；进而借助现有的计算机图形学理论和方法，绘制三维空间速度矢量图，完成三维流场可视化构建。