CN105136744A - 一种基于微流控芯片粒子捕获式的单粒子散射测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控芯片粒子捕获式单粒子散射测量装置，包括光源、分光光路、测量对准组件、探测组件和微流控芯片。结合Mie散射理论计算的理论散射曲线参照，完成单粒子圆周范围内大角度范围散射场的测量；同时由于结合了微流控芯片技术，解决了单粒子的捕获和单粒子环境的构建问题。

Description

一种基于微流控芯片粒子捕获式的单粒子散射测量装置

技术领域

本发明属于光学与测量领域，更具体地，涉及一种基于微流控芯片粒子捕获式单粒子散射测量装置。

背景技术

光散射作为一种重要特性广泛应用在生物、医药、化工、环保等多个领域；光散射测量方面，有着多种方法，包括动态光散射法、小角前向散射法、角散射法、全散射法等，而目前结合了微流控芯片技术进行粒子散射测量的技术也有着多种手段。

一是基于CCD检测的小角度散射特性(检测对象小角度范围内散射场分布)的测量，利用光束质量较好的激光器1作为光源，经透镜系统耦合光束到单模光纤中入射球形单粒子中，检测端通过聚焦透镜系统将散射光投射于CCD,以此来进行散射特性测量。该技术的特点是利用CCD的灵敏度测量散射，反应速度快，完成了单粒子小角度范围内散射分布的测量，基本符合理论预计曲线，同时利用了散射分布测量了粒子尺寸，但以上技术只是针对小角度散射特性的测量。二是利用光电倍增管11作为探测器对单个血红细胞进行了小角度散射分布的测量，同样利用激光器作为光源，使用显微镜观察光线入射情况，探测段使用光电倍增管11,这种技术实现了一种不规则粒子-血细胞的散射分布测量，但同样局限于小角度范围内的分布。三是通过测量群粒子的散射特性，使用同样规格的球形粒子，通过近似后得到群粒子的散射场分布，这种手段近似过程中忽略了粒子相互的反射影响，没有的得到单粒子散射的准确分布情况。

微流控芯片作为一种在上个世纪九十年代开始获得关注的新兴技术手段，近年来广泛得到应用。微流控芯片早期使用硅和玻璃做基底材料，后来转移到聚合物，尤其是聚二甲硅氧烷。现在商业微流控芯片系统已有一些成功的应用样例。相比于大量化学溶液反应过程，微流控芯片系统具有很多优势。因其体积小，反应速度快、样本消耗量小、易于做成便携设备用于现场测试。因此，微流控芯片可以应用于多个领域，具体的应用包括临床快速诊断、细胞分析、核酸检测、药物代谢、蛋白质代谢物组学、环境分析、空间探测领域。如三磷酸腺苷探测的相关应用、水体亚硝酸盐磷酸盐金属探测、海水pH监测等应用。

本发明利用微流控芯片技术，设计相应光机电装置，通过单粒子捕获，从而测量得出单粒子散射场分布。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于测量单粒子在平面内大角度范围的散射场分布，旨在解决原有方案无法进行大角度单粒子散射场测量的问题；本发明的另一目的在于解决单粒子环境的建立和捕获问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种单粒子散射测量装置，包括光源、分光光路、测量对准组件、探测组件，微流控芯片，其特征在于：

所述光源包括激光器和激光器调节具，激光器固定在激光器调节具上，由激光器调节具调整高度和垂直于光轴方向的横向位置；

所述分光光路包含分光镜和全反射镜，分光镜用于将激光器产生的激光分为主光路和参考光路，主光路穿过分光镜，入射至微流控芯片上；参考光路折射至全反射镜，经全反射镜反射到微流控芯片上，全反射镜装在全反镜调节具上，通过调节具调整反射角度；

所述测量对准装置包含外圆盘、内圆盘、比色皿、金属丝、上定位圆片、下定位圆片、三轴调节具；其中内圆盘和外圆盘上下相嵌，内圆盘置于外圆盘的上方正中，两者圆心重合，外圆盘置于工作平台上，且可连同内圆盘绕圆心转动；比色皿固定于内圆盘中心；上定位圆片、下定位圆片分别嵌在比色皿顶部和底部，金属丝通过上定位圆片的圆心，穿过比色皿圆轴中心，到下定位圆片圆心固定；

所述探测组件包括PMT、PIN管、示波器、显微镜和计算机；PIN管固定在参考光路上，用于接收全反射镜反射的光；PMT通过PMT调节具固定于外圆盘上，通过PMT调节具调整其空间位置和角度，用于接收微流控芯片内测试样本的散射光，PMT、PIN管输出端分别从不同输入通道接入示波器；显微镜固定在外圆盘上，显微镜的物镜对准微流控芯片中心，显微镜输出连接计算机，用于辅助观察粒子捕获情况；

所述微流控芯片结构包括输入流道、输出流道和圆环流道，圆环流道一端垂直于开口处切线方向延伸出作为输入流道；圆环流道另一端垂直于开口处切线方向延伸作为输出流道；输入流道和输出流道平行，输入流道和输出流道通过连通管道连通，所述连通管道靠近输入流道端口径较大，靠近输出流道端口径较小，连通管道截面尺寸和形状根据所要测量的粒子形状大小选取，用于捕获测量样本的单粒子；连通管道的中心即为微流控芯片中心。

进一步的，所述的单粒子散射测量装置中，所述微流控芯片输入流道端部分为多个子流道。

进一步的，所述的单粒子散射测量装置的微流控芯片是采用芯片模板，对抽真空、静置后的聚二甲基硅氧烷进行倒模、烤制而成；所述芯片模板是采用单晶硅材料，通过铬板固定，经光刻制作而成。

进一步的，所述的单粒子散射测量装置中，所述探测组件中的PMT前端设计了4F光学系统，用于保证PMT的收光角度在1°内；其中，所述的4F光学系统构成由两片焦距相同的凸透镜和一小孔光阑组成，一透镜前焦点与另一透镜后焦点重合，小孔光阑置于重合的焦点上，三者处于同一光轴上；

工作时，分对准和测量两个阶段进行；

对准阶段，金属丝通过上定位圆片的圆心，穿过比色皿圆轴中心，到下定位圆片圆心固定；激光器1产生激光，通过分光镜和全反镜，经过主光路和参考光路，入射到比色皿中心的定位金属丝；PMT接收金属丝散射光信号显示在示波器上；分别调整激光器位置和全反镜位置，得到主光路上激光器和参考光路上全反射镜位置与PMT接收光强关系，找到最大值位置处，完成激光器和全反镜对准工作；将微流控芯片置于比色皿中心，其通三轴调节具固定和调节位置，分别得到X、Y、Z轴位置与PMT接收光强关系，找到极大值位置；调节三轴调节具，使微流控芯片的连通管道处于三个极大值的位置，完成芯片对准工作；

测量阶段，参考光路位置安装PIN管用来实时监测光源强度，将测量样本通过微流泵泵入微流控芯片，通过显微镜接入计算机，观测微流控芯片的连接通道是否捕获到单个粒子，是则进行下面粒子散射分布测量；否则继续泵送测量样本，直至捕获成功；捕获成功后，在比色皿和微流控芯片内部流道注入折射率与微流控芯片材料相同的透明液体，形成样本芯片折射率的匹配；逐步旋转外圆盘，改变固定在圆盘上PMT相对于主光路的角度，测量相应的PMT输出光强，得到粒子散射光的分布；通过微流泵移除捕获的单粒子，重新进行折射率匹配，重新进行上面的测量，完成背景散射的分布测量；经过数据处理，至此，完成测量阶段的全部过程，得到单粒子散射的分布。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于结合了微流控芯片粒子捕获技术，通过匹配能够取得良好的单粒子环境，通过整套实验装置能够实现大角度范围内单粒子散射分布的测量。

附图说明

图1是系统整体装置图；

图2a是准备阶段系统装置俯视图；

图2b是准备阶段系统对准装置侧视图；

图3a是测量阶段系统装置俯视图；

图3b是测量阶段系统粒子装置侧视图；

图4是微流控芯片内部结构图；

图5是散射测量结果图。

图中，1-激光器，2A-激光器调节具，2B-全反镜调节具，2C-PMT调节具，3-分光镜，4-全反镜，5-PIN管，6-外圆盘，7-内圆盘，8-比色皿，9-微流控芯片，10-显微镜；11-光电倍增管，12-示波器，13-计算机，14-金属丝，15A-上定位圆片、15B-下定位圆片，17-三轴调节具，18-微流泵，19-子流道，20-输出流道，21-输入流道，22-连接管道，23-圆环流道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明由四部分组成：光源、分光光路系统、对准测量组件、探测组件；同时，发明包含样本微流控芯片9的结构设计制作。

微流控芯片9的设计制作，微流控芯片9为聚二甲基硅氧烷材料，设计的芯片结构如图4所示，通过Comsol软件对设计的芯片流道结构进行仿真，得到散射场分布的仿真结果作为实验测量结果的参照，如图5所示，从而验证实验结果的正确性。结构为一个开口圆环状流道23，圆环一端平滑延伸出作为输入流道21，圆环另一端平滑延伸作为输出流道20；在输入和输出流道之间，设有连通管道22，所述连通管道靠近输入端一侧口径较大，靠近输出端一侧口径较小，用于捕获测量样本的单粒子；流道截面尺寸和形状由所要测量的粒子决定；芯片制作的工艺上，采用光刻工艺配合倒模制作芯片，光刻工艺完成芯片结构的单晶硅模板制作，使用MA6光刻机，采用聚二甲基硅氧烷作为芯片材料，聚二甲基硅氧烷为A、B胶的封装，10:1的比例混合后，抽真空后静置的方法去除气泡，在单晶硅模板上倒模后50℃以上温度烤制数小时至材料固化，切割分割后经等离子去胶机去胶后粘和80℃烤制数小时至粘和稳定，至此，芯片制作完成。

在对准阶段完成光路、芯片位置对准工作，装置如图2a、图2b所示，具体装置是1-激光器，2A-激光器调节具，2B-全反镜调节具，2C-PMT调节具，3-分光镜，4-全反镜，6-外圆盘，7-内圆盘，8-比色皿，9-微流控芯片，10-显微镜；11-光电倍增管，12-示波器，13-计算机，14-金属丝，15A-上定位圆片，15B-下定位圆片，16-固定装置，17-三轴调节具，18-微流泵。

对准阶段，金属丝14通过上定位圆片15A的圆心，穿过比色皿8圆轴中心，到下定位圆片(15B)圆心固定，确定金属丝14在比色皿8中心位置，整体通过固定装置固定于内圆盘7上。调节光路系统中各部分在同一水平面内，首先调整主光路，遮挡参考光路，调节激光器调节具2A，通过PMT在固定位置接受金属丝14散射光，得到激光器横向位置与PMT接收光强关系曲线；然后调整参考光路，遮挡主光路，调节全反镜调节具2B，同样方法得到全反镜4位置与PMT接收光强关系曲线，通过上述两个曲线，找到最大值位置，确定激光器1和全反镜4位置，完成光路的调整；安装微流控芯片9，调节固定于芯片上的三轴调节具17，依次进行X、Y、Z轴的调节，同样在固定位置处通过PMT接收粒子散射光强，得到数据分别绘制芯片X、Y、Z轴位置与PMT接收光强关系曲线，找最大值点，得到芯片在比色皿8中位置，通过三轴调节具17调节芯片位置至此，完成芯片的对准。

测量样本描述：样本是通过微流控芯片9捕获实验获得，粒子为直径20um的聚苯乙烯材料球形颗粒。实验中通过在芯片内部以及比色皿8内部注入折射率匹配液来实现单粒子环境，聚二甲基硅氧烷折射率为1.4125，其折射率匹配溶液由丙三醇与去离子水按比例调和。

单粒子捕获和单粒子环境构建：在对准以及测量过程中包含的单粒子捕获和单粒子环境构建的主要环节，具体过程如下；

芯片要通过管道与微流泵18连接，芯片内部先后通入去离子水、折射率匹配液、粒子样品悬浊液、折射率匹配液，在这样的进液顺序下，每种液体的作用分别为：去离子水清洁流道；折射率匹配液匹配芯片材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)折射率实现单粒子环境；粒子样品悬浊液完成粒子样品注入，其中折射率匹配液有去离子水和甘油按比例混合组成、样品粒子悬浊液是含有粒子的密度匹配液；最后的折射率匹配液依然是保证匹配掉PDMS，实现单粒子环境。整个捕获过程通过显微镜10实时显示在计算机13上，观察粒子捕获情况，待粒子捕获完成后撤去观察的系统，进行散射测量实验，测量过程中持续通入匹配液，保证粒子位置的稳定。

测量阶段结构见图3a、图3b所示。具体装置是1-激光器，2C-PMT调节具，3-分光镜，4-全反镜，5-PIN管，6-外圆盘，7-内圆盘，8-比色皿，9-微流控芯片，10-显微镜；11-光电倍增管，12-示波器，13-计算机，16-固定装置，17-三轴调节具，18-微流泵。

测量阶段，安装PIN管5在参考光路位置，监测光源的实时光强，旋转外圆盘6，改变PMT位置，记录PMT光强数据，得到单粒子散射场的分布；探测系统部分，PMT前端设计了4F光学系统，保证PMT的收光角度在1°内，其中，所述的4F光学系统构成由两片焦距相同的凸透镜和一小孔光阑，一透镜前焦点与另一透镜后焦点重合，小孔光阑置于重合的焦点上，三者处于同一光轴上，组成4F光学系统；测量的位置间隔为每1度测量一次数据，装置可以进行半周范围内160度范围内的散射场分布(由于散射场的分布的对称性，无需进行另外半周的测量)。

进一步的，所述内外圆盘包括角度测量刻度，通过外圆盘6上面角度标注，实现测量过程中散射场分布的具体角度的确定。

本发明的特点：整个测量系统完成了大角度范围的单粒子散射的测量。利用微流控芯片9结合粒子捕获实验，获得单粒子样本，方法使用简单；准备阶段的定位工作，使用了上下定位圆盘与细金属丝14方法确定比色皿8中心，上下定位圆盘采用硬刷电路板工艺加工，保证微米级加工精度，细金属丝14直径在50um左右，光斑直径在1mm左右，配合使用保证了寻找的定位中心的误差在微米级范围内，方法简单实用；测量阶段样本上面利用折射率匹配液实现单粒子环境，探测系统设计了4F光学系统，使得光电倍增管PMT11接收散射光视场角大大减少，避免其他杂散光线的影响。

装置系统完成散射测量，实验结果和仿真结果对比图见图5所示，装置较好完成了单粒子散射的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单粒子散射测量装置，包括光源、分光光路、测量对准组件、探测组件，微流控芯片，其特征在于：

所述光源包括激光器(1)和激光器调节具(2A)，激光器(1)固定在激光器调节具(2A)上，由激光器调节具(2A)调整高度和垂直于光轴方向的横向位置；

所述分光光路包含分光镜(3)和全反射镜(4)，分光镜(3)用于将激光器(1)产生的激光分为主光路和参考光路，主光路穿过分光镜(3)，入射至微流控芯片(9)上；参考光路折射至全反射镜(4)，经全反射镜(4)反射到微流控芯片(9)上，全反射镜(4)装在全反镜调节具(2B)上，通过调节具(2B)调整反射角度；

所述测量对准装置包含外圆盘(6)、内圆盘(7)、比色皿(8)、金属丝(14)、上定位圆片(15A)、下定位圆片(15B)、三轴调节具(17)；其中内圆盘(7)和外圆盘(6)上下相嵌，内圆盘(7)置于外圆盘(6)的上方正中，两者圆心重合，外圆盘(6)置于工作平台上，且可连同内圆盘(7)绕圆心转动；比色皿(8)固定于内圆盘(7)中心；上定位圆片(15A)、下定位圆片(15B)分别嵌在比色皿(8)顶部和底部，金属丝(14)通过上定位圆片(15A)的圆心，穿过比色皿(8)圆轴中心，到下定位圆片(15B)圆心固定；

所述探测组件包括PMT(11)、PIN管(5)、示波器(12)、显微镜(10)和计算机(13)；PIN管(5)固定在参考光路上，用于接收全反射镜反射的光；PMT(11)通过PMT调节具(2C)固定于外圆盘(6)上，通过PMT调节具(2C)调整其空间位置和角度，用于接收微流控芯片(9)内测试样本的散射光，PMT(11)、PIN管(5)输出端分别从不同输入通道接入示波器(12)；显微镜(10)固定在外圆盘(6)上，显微镜(10)的物镜对准微流控芯片(9)中心，显微镜(10)输出连接计算机(13)，用于辅助观察粒子捕获情况；

所述微流控芯片(9)结构包括输入流道(21)、输出流道(20)和圆环流道(23)，圆环流道(23)一端垂直于开口处切线方向延伸出作为输入流道(21)；圆环流道(23)另一端垂直于开口处切线方向延伸作为输出流道(20)；输入流道(21)和输出流道(20)平行，输入流道(21)和输出流道(20)通过连通管道(22)连通，所述连通管道靠近输入流道(21)端口径较大，靠近输出流道(20)端口径较小，连通管道截面尺寸和形状根据所要测量的粒子形状大小选取，用于捕获测量样本的单粒子；连通管道的中心即为微流控芯片中心。

2.如权利要求1所述的单粒子散射测量装置，其特征在于，所述输入流道(21)端部分为多个子流道。

3.如权利要求1或2所述的单粒子散射测量装置，其特征在于，所述微流控芯片(9)是采用芯片模板，对抽真空、静置后的聚二甲基硅氧烷进行倒模、烤制而成；所述芯片模板是采用单晶硅材料，通过铬板固定，经光刻制作而成。

4.如权利要求1或2所述的单粒子散射测量装置，其特征在于，所述探测组件中的PMT前端设计了4F光学系统，用于保证PMT的收光角度在1°内；其中，所述的4F光学系统构成由两片焦距相同的凸透镜和一小孔光阑组成，一透镜前焦点与另一透镜后焦点重合，小孔光阑置于重合的焦点上，三者处于同一光轴上。