CN107505251B - 基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪 - Google Patents

基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪 Download PDF

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    • G01N15/1434—Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers using an analyser being characterised by its optical arrangement

Abstract

本发明公开了基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，包括依次连接的微流控芯片，线阵探测器和数据处理装置；还包括有设置于微流控芯片正上方的光源，微流控芯片内部设置有直线型的主通道，主通道一端设置有样品入口，主通道另一端设置有样品出口，微流控芯片下表面与所述线阵探测器上表面贴合，主通道与线阵探测器之间形成夹角θ，且夹角θ满足如下关系：0°≤θ≤90°。本发明主要结合了微流控芯片多个微流控通道中细胞运动与传统的线阵探测器扫描成像特点，相对基于面阵探测器与微流控技术的流式细胞仪能够得到更高分辨率细胞图像，细胞流动计数更加准确、速度更快。

Description

基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪
技术领域
本发明属于细胞检测装置技术领域，涉及基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪。
背景技术
细胞检测在医学研究以及很多疾病检测中占有很重要的地位。然而，现有的医学检测系统都存在体积庞大、检测过程复杂及周期长等缺陷。微流控技术能把化学和生物领域的样品制备、分离、反应及检测等基本操作集成在一块几平方厘米的芯片上。这种微流控芯片小巧、使用方便，检测样本微量化，具有分析速度快、功耗低及自动化等特点，使其在医学研究领域应用中展现出特有的发展前景。
将微流控技术结合到细胞检测系统中，使细胞检测仪器小型化、低成本、及易操作的实现成为可能。现有的基于微流控技术与面阵探测器的流式细胞仪虽然能解决传统的医学检测系统体积大、周期长及功耗高等缺陷，但是利用面阵探测器阴影成像仍然存在一些缺陷，如：同像素尺寸的面阵探测器得到图像分辨率低，静止的杂质背景对于细胞计数存在影响，同一细胞重复采集，增加待处理的数据量并增加了细胞计数的复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，解决了现有流式细胞仪采集细胞图像分辨率极低的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，包括依次连接的微流控芯片，线阵探测器和数据处理装置；
还包括有设置于微流控芯片正上方的光源，微流控芯片内部设置有直线型的主通道，主通道一端设置有样品入口，主通道另一端设置有样品出口，微流控芯片下表面与所述线阵探测器上表面贴合，主通道与线阵探测器之间形成夹角θ，且夹角θ满足如下关系：0°≤θ≤90°。
本发明的特点还在于，
数据处理装置为上位机PC。
上位机PC设置有数据接口。
数据处理装置包括连接在一起的数据传输模块和数据处理模块。
数据处理模块内设置有ASIC芯片。
数据处理模块内设置有嵌入式系统。
数据处理模块内设置有FPGA系统。
主通道的左右两侧各平行设置有多个微通道，每个所述微通道一端均连接有样品入口，每个微通道另一端均连接有样品出口。
光源与微流控芯片之间水平设置有遮光板，遮光板上设置有漏光孔。
微流控芯片外围套有角度刻度盘。
本发明的有益效果是：本发明的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪能够对多通道中运动细胞同时采集数据，大幅度提高细胞检测速度；利用线阵探测器与微流控芯片通道的倾斜角度及样本流动速度调节，再进行简单的数字图像处理技术处理，在细胞流动计数同时，观测到细胞图像，且其分辨率显著提高；线阵探测器行频大，有效的避免了运动细胞的漏检，且运动细胞在微流控芯片通道中采集效果好；利用线阵探测器与样本在微流控芯片主通道和微通道中流动成像特点，避免微流控芯片制作中不可避免的静止杂质成像的影响，提高细胞计数的准确度，同时细胞图像中背景不易去除的问题得到了有效解决；线阵探测器采集微流控芯片中细胞图像不会重复出现，可以减少细胞追踪问题研究，更利于细胞流动计数；此外，由于采集数据量减少，后续的数字图像处理技术处理速度提高。
附图说明
图1是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪的结构示意图；
图2是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内数据处理装置第一种结构的结构示意图；
图3是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内数据处理装置第二种结构的结构示意图；
图4是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内数据处理模块第一种结构的结构示意图；
图5是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内数据处理模块第二种结构的结构示意图；
图6是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内数据处理模块第三种结构的结构示意图；
图7是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内微流控芯片和线阵探测器的结构示意图；
图8是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内微流控芯片中主通道的局部示意图；
图9是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内线阵探测器三种采样模式示意图；
图10是本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪内线阵探测器采集过程进行模拟仿真结果图，其中，图a是原始细胞图像，图b是常规模式采集的细胞图像，图c是减速斜模式采集的细胞图像，图d是减速斜模式采集的细胞校正图像。
图中，1.微流控芯片，2.线阵探测器，3.数据处理装置，4.数据传输模块， 5.光源，6.主通道，7.样品入口，8.样品出口，9.微通道，10.遮光板，11.漏光孔，12.角度刻度盘，13.数据处理模块，14.上位机PC，15.ASIC芯片，16. 嵌入式系统，17.FPGA系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，如图1所示，包括依次连接的微流控芯片1，线阵探测器2和数据处理装置3；其中，数据处理装置3有两种结构：第一种结构，如图2所示，数据处理装置3为设置有数据接口的上位机PC14；第二种结构，如图3所示，数据处理装置3包括连接在一起的数据传输模块4和数据处理模块13.
数据处理模块13有三种结构，分别如下：
第一种结构，如图4所示，数据处理模块13内设置ASIC芯片15；
第二种结构，如图5所示，数据处理模块13内设置嵌入式系统16；
第三种结构，如图6所示，数据处理模块13内设置FPGA系统17。
本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，如图7所示，还包括有位于微流控芯片1正上方光强恒定的光源5，光源5与微流控芯片1之间水平设置有遮光板10，遮光板10上设置有漏光孔11，微流控芯片1下表面与线阵探测器2上表面贴合，微流控芯片1内部设置有直线型的主通道6，主通道6的左右两侧各平行设置有多个微通道9，每个微通道9一端均连接有样品入口7，每个微通道9另一端均连接有样品出口8，主通道6与线阵探测器2之间形成夹角θ，且0°≤θ≤90°，微流控芯片1外围套合有角度刻度盘12。
本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，如图7所示，还包括有位于微流控芯片1正上方的光强恒定的光源5，光源5与微流控芯片1 之间水平设置有遮光板10，遮光板10上设置有漏光孔11，微流控芯片1下表面与线阵探测器2上表面贴合，微流控芯片1内部设置有直线型的主通道 6，主通道6周围设置有多个微通道9，每个微通道9一端均连接有样品入口 7，每个微通道9另一端均连接有样品出口8，主通道6与线阵探测器2的夹角为θ，且0°≤θ≤90°，微流控芯片1外围套合有角度刻度盘12。
如图7和图8所示，微流控芯片1具有体积小的特点；微流控芯片1中含有主通道6和多个微通道9，可用于同时检测多个通道中的运动细胞，具有细胞检测速度高的优点；其中，主通道6和微通道9的截面优选为方形或矩形，主通道6和微通道9宽度范围为50微米-200微米，高度范围为20微米-40微米；微流控芯片1的选用石英玻璃或聚合物(如聚二甲基硅氧烷等) 透光性好的材料制作，使光线能充分照入主通道6和多个微通道9内部，便于细胞图像的采集。
线阵探测器2的作用是：采集微流控芯片1中主通道6和微通道9的流动细胞图像，排除静止杂质对检测影响；线阵探测器2采集的细胞图像在数字图像处理技术过程中，减少了细胞追踪环节，使细胞检测速度提高；此外，线阵探测器2行频大，采集运动细胞效果更好。
本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，具有以下四种工作方式：
第一种工作方式具体如下：
利用压力将要检测的样本溶液从微流控芯片1内部的样品入口7注入，通过降低压力降低样本溶液的流速，以增加线阵探测器2对主通道6和微通道9内样本流动方向的数据采样密度，同时将线阵探测器2长度方向与主通道6长度方向的夹角调小，以增大垂直于流动方向的采样密度，细胞样品通过主通道6和微通道9时被线阵探测器2感应，并采集得到数据图像，从而得到样品在主通道6和微通道9的行序列图像；线阵探测器2将得到的样品行序列图像直接通过数据接口传入上位机PC14中，再由上位机PC14中的算法硬件实现对样品行序列图像的识别、分类和计数。
第二种工作方式具体如下：
利用压力将要检测的样本溶液从微流控芯片1内部的样品入口7注入，通过降低压力降低样本溶液的流速，以增加线阵探测器2对主通道6和微通道9内样本流动方向的数据采样密度，同时将线阵探测器2长度方向与主通道6长度方向的夹角逐渐调小，增大垂直于流动方向的采样密度，细胞样品通过主通道6和微通道9时被线阵探测器2感应，并采集得到数据图像，从而得到样品在主通道6和微通道9的行序列图像；线阵探测器2将得到的样品行序列图像通过数据传输模块4传送到数据处理模块13中，由数据处理模块13中的ASIC芯片15对收到的样品行序列图像进行识别、分类和计数。
第三种工作方式具体如下：
利用压力将要检测的样本溶液从微流控芯片1内部的样品入口7注入，通过降低压力降低样本溶液的流速，以增加线阵探测器2对主通道6和微通道9内样本流动方向的数据采样密度，同时将线阵探测器2长度方向与主通道6长度方向的夹角逐渐调小，增大垂直于流动方向的采样密度，细胞样品通过主通道6和微通道9时被线阵探测器2感应，并采集得到数据图像，从而得到样品在主通道6和微通道9的行序列图像；线阵探测器2将得到的样品行序列图像通过数据传输模块4传送到数据处理模块13中，由数据处理模块13中的嵌入式系统16对收到的样品行序列图像进行识别、分类和计数。
第四种工作方式具体如下：
利用压力将要检测的样本溶液从微流控芯片1内部的样品入口7注入，通过降低压力降低样本溶液的流速，以增加线阵探测器2对主通道6和微通道9内样本流动方向的数据采样密度，同时将线阵探测器2长度方向与主通道6长度方向的夹角逐渐调小，增大垂直于流动方向的采样密度，细胞样品通过主通道6和微通道9时被线阵探测器2感应，并采集得到数据图像，从而得到样品在主通道6和微通道9的行序列图像；线阵探测器2将得到的样品行序列图像通过数据传输模块4传送到数据处理模块13中，由数据处理模块13中的EPGA系统17对收到的样品行序列图像进行识别、分类和计数。
如图9所示，线阵探测器2有三种采样模式，包括减速斜模式采样、减速模式采样和常规模式采样；其中，x轴表示线阵探测器的线阵方向，y轴表示样本在主通道6和微通道9中的流动方向，A方向表示减速或常规模式采样方向，B表示减速斜模式采样方向，P为常规采样间距。本发明的流式细胞仪中，由于主通道6的长度方向与线阵探测器2的长度方向具有夹角，故本发明的流式细胞仪中线阵探测器2的采样模式为减速斜模式，其中，样本流速是常规线阵采样样本流速的1/n倍，样本流动方向与减速斜模式采样的线阵探测器2方向的夹角为θ，且0°≤θ≤90°，斜模式采样网格基本矢量为：V1＝(Psinθ，Pcosθ)T，V2＝(0，P/n)T，则减速斜模式采样网格密度为：
Figure BDA0001360934640000081
从式(1)可以看出：主通道6和微通道9中的流速越小即n越大，则细胞通过线阵探测器2的时间越长，竖直方向的采样密度高，采集图像信息越多，分辨率越高；线阵夹角θ，在0°～90°范围里，θ越小，线阵探测器2 投影在水平方向上，水平方向的采样间隔越小，采集的信息越多，分辨率越高，但是倾斜角度不能无限制的减小，因为θ越小水平方向采样距离会越来越小，水平方向采集宽度越来越窄，有可能采集不到微流控通道图像，因此用主通道6和微通道9的宽度进行约束，得到最大的倾斜角度，满足水平采样范围及最大的水平采样密度。
图10中图a为原始细胞图像，根据线阵探测器2采集过程对细胞样品进行常规模式采样和减速斜模式采样进行模拟仿真，分别得到如图b所示的常规模式采集的细胞图像和图c所示的减速斜模式采集的细胞图像，图d为减速斜模式采集的细胞校正图像，其中模拟的减速斜模式，采用倾斜角度为2.8660°，流速为常规采样流速的1/20；通过模拟仿真过程得到的图b和图d比较可以看到，减速斜模式下单线阵图像传感器采集的图像分辨率能够实现对细胞图像的二维方向上分辨率的提高，且明显高于常规模式下采集的图像分辨率，且常规模式的线阵探测器2采集的图像与和它同样像素尺寸大小的面阵探测器采集的图像分辨率相同，因此同像素尺寸的面阵探测器和线阵探测器2采集图像分辨率相比较，采用减速斜模式的线阵探测器采集的图像分辨率较高。
通过上述方式，本发明基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，主要结合了微流控芯片1内部主通道6和多个微通道9中细胞运动与线阵探测器2扫描成像特点，相对基于面阵探测器与微流控技术的流式细胞仪能够得到更高分辨率细胞图像，细胞流动计数更加准确、速度更快。

Claims (9)

1.基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，包括依次连接的微流控芯片(1)，线阵探测器(2)和数据处理装置(3)；
还包括有设置于微流控芯片(1)正上方的光源(5)，所述微流控芯片(1)内部设置有直线型的主通道(6)，所述主通道(6)一端设置有样品入口(7)，所述主通道(6)另一端设置有样品出口(8)，所述主通道(6)的左右两侧各平行设置有多个微通道(9)，每个所述微通道(9)一端均连接有所述样品入口(7)，每个所述微通道(9)另一端均连接有所述样品出口(8)，所述微流控芯片(1)下表面与所述线阵探测器(2)上表面贴合，所述主通道(6)与线阵探测器(2)之间形成夹角，且夹角θ满足如下关系：0°≤θ≤90°。
2.根据权利要求1所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述数据处理装置(3)为上位机PC(14)。
3.根据权利要求2所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述上位机PC(14)设置有数据接口。
4.根据权利要求1所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述数据处理装置(3)包括连接在一起的数据传输模块(4)和数据处理模块(13)。
5.根据权利要求4所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述数据处理模块(13)内设置有ASIC芯片(15)。
6.根据权利要求4所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述数据处理模块(13)内设置有嵌入式系统(16)。
7.根据权利要求4所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述数据处理模块(13)内设置有FPGA系统(17)。
8.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述光源(5)与微流控芯片(1)之间水平设置有遮光板(10)，所述遮光板(10)上设置有漏光孔(11)。
9.根据权利要求1或8所述的基于微流控技术与线阵探测器的流式细胞仪，其特征在于，所述微流控芯片(1)外围套有角度刻度盘(12)。
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