CN110252436A - 一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片 - Google Patents

一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，包括盖片、基片和夹具，夹具包括上夹体和下夹体，上夹体中央设有上透光孔，下夹体上设有下透光孔，基片上设有一条以上的检测通道，检测通道的中间部分为检测段，各检测通道的检测段位于基片的上表面上，各检测通道的入口和出口分别连接有接头，下夹体、基片、盖片和上夹体从下至上依次层叠布设，盖片的厚度为0.03‑0.5mm，盖片密封贴合于基片上，上夹体和下夹体固定连接，盖片通过夹具固定于基片上，各检测通道的检测段位于上透光孔和下透光孔之间。该芯片结构简单，易于组装和拆卸，易于清洗，可反复使用，且可用于对样品开展高精度的显微镜观察鉴定、高倍显微图像采集工作。

Description

一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片
技术领域
本发明属于浮游生物、细胞检测技术领域，具体涉及一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，该芯片适用于开展浮游生物、细胞样品的精密显微镜观察和高倍显微图像采集。
背景技术
近年来，国内以藻类水华为代表的生态灾害现象逐渐凸现，其中，太湖、巢湖、滇池等水域爆发藻类水华已成为一种经常性态势。水华的发生，不仅对水生态系统造成严重破坏，而且严重影响周边人民群众身体健康、社会经济的可持续发展。大力提升水华藻类的快速监测技术，跟踪水生态监测领域国际最新技术，开展藻类水华的智能监测研究迫在眉睫。
目前，国内外水华藻类监测技术主要包括显微鉴定计数法和在线仪器监测。目前国内广泛采用的显微镜鉴定法效率低、费时费力(浮游生物检测的水样的采集、固定、浓缩、预处理等步骤至少2天)，难以适应水华快速预警需求。另一方面，目前藻类在线监测仪器设计繁杂笨重、难以适应复杂恶劣的野外水环境，主要适用于海洋巡航监测，在河流、湖泊水库等条件复杂的淡水水体开展现场监测的使用中受限，无法完全胜任野外监测需求。
近来由于微机电加工技术发展，以微流控芯片(Microfluidics)为核心的芯片实验室已成为当前最前沿科技领域之一，与传统检测技术相比具高效快速、样品用量少、易实现仪器的自动化、便携化、易与物联网集成等优点，被认为下一代监测技术的发展方向。水生态监测领域应用技术可整合进入微流控芯片平台，开展浮游生物的微流控芯片的监测具重大价值。
然而，由于水体中藻类、浮游动物等个体微小，多在微米尺寸级别，需用高倍显微镜才能观察。而目前的微流控芯片的制作技术，盖板的厚度多只能做到1-2mm级别。微流控芯片盖板的厚度过厚带来一系列的问题。其中，最主要的缺点是难以使用工作距离短的高倍物镜进行观察，开展高放大倍数的精密光学观察和高倍显微图像采集。因此，在用于浮游生物检测的微流控芯片的研制中，尽可能减少芯片盖板的厚度十分必要。
此外，由于野外水体的复杂性，往往采集的水样中含有大量非生物的杂质，使用一次性键合的芯片进行检测，不仅芯片的加工成本高，而且极易发生芯片检测通道的堵塞，造成清洗难度巨大而导致芯片报废。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，该芯片结构简单，易于组装和拆卸，易于清洗，可反复使用，且可用于对样品开展高精度的显微镜观察鉴定、高倍显微图像采集工作。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，包括盖片、基片和括夹具，夹具包括上夹体和下夹体，上夹体中央设有上透光孔，下夹体上设有下透光孔，基片上设有一条以上的检测通道，若检测通道为多条时，多条检测通道并排排列，检测通道的中间部分为检测段，各检测通道的检测段位于基片的上表面上，下夹体、基片、盖片和上夹体从下至上依次层叠布设，盖片的厚度为0.03-0.5mm，盖片密封贴合于基片上，盖片密封各检测通道的检测段，上夹体和下夹体固定连接，盖片通过夹具固定于基片上，各检测通道的检测段位于上透光孔和下透光孔之间。
所述的上夹体和下夹体均呈板状，上透光孔周围均匀布设有多个穿孔，下透光孔周围对应位置处均布设有穿孔，上夹体和下夹体通过螺栓连接。
所述的上夹体由上金属壳体和上垫板构成，上金属壳体和上垫板的形状相同，上垫板粘接于上金属壳体内，下壳体由下金属壳体和下垫板构成，下金属壳体和下垫板的形状相同，下垫板粘接于下金属壳体内，上垫板与盖片贴合，下垫板与基片贴合。
所述的上透光孔和下透光孔均呈方形或圆形。
所述的检测通道为对称结构，检测通道呈“几”字状，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片宽度方向的两侧壁上。
所述的检测通道为对称结构，检测通道呈U形，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片下表面上。
所述的检测通道为对称结构，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，连接段呈U形，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片上表面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1、本发明的夹具采用特殊的设计，在保证盖片不易破碎的情况下，牢靠地固定在盖片上，同时夹具的存在，能够大幅度降低盖片的厚度，使得可使用价格低廉、厚度仅0.13mm的常见显微镜盖玻片作为盖片，从而可采用生物显微镜上的40倍、100倍等各种短工作距离的高倍物镜进行观察，相对于盖片厚度为1-2mm的常规微流控芯片，本发明最大程度避免了盖片过厚对样品观察带来的色差改变、透光率下降、图像变形等一系列的负面影响。
2、本发明的芯片的检测对象为富含各种杂质、无机颗粒物、浮游生物的野外水样，芯片的检测通道相对于普通样品更易堵塞。如采用常规采用键合工艺制作的盖片、基片无法分离的芯片，芯片的清洗异常困难，极易报废，针对该问题，本发明的芯片设计为可拆卸式、反复使用的结构，采用的零件结构简单、拆卸安装方便，极易清洗、可反复使用，有效解决了监测野外水样时芯片清洗的难题。
3、本发明的芯片结构简单，所采用的零部件均为常见的耗材，制作、使用和维护的成本低，适合于大规模生产和推广应用。
附图说明
图1为用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片的结构爆炸图。
图2为用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片的结构示意图。
图3为上夹体的结构示意图。
图4为实施例1的基片的剖视图。
图5为实施例1的基片的剖视图。
图6为实施例1的基片的剖视图。
图7为实施例2的基片的剖视图。
图8为实施例3的基片的剖视图。
图9为实施例3的基片的剖视图。
图4、图5和图6中检测通道的结构均不相同，图8和图9中检测通道的结构不相同。
其中，1-盖片、2-基片、3-上夹体、4-下夹体、5-上透光孔、6-检测通道、7-检测段、8-连接段、9-接头、10-穿孔、11-螺栓、12-上金属壳体、13-上垫板、14-下透光孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例1提供的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片的结构如图1和图2所示，包括盖片、基片和夹具。
盖片1的厚度为0.03-0.05mm，可采用玻璃、钢化玻璃和石英等材质，如常规显微镜观察使用的厚度为0.13mm盖玻片，盖片1呈正方形，盖片的边长为3.0cm。
基片2可采用玻璃、钢化玻璃、石英、有机玻璃、塑料、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯等材质。基片2呈长方形，基片2的长度为7.5cm，宽度为3.0cm，厚度为2.0mm。
基片2上设有2条并排排列的检测通道6，检测通道6的横截面呈方形，深度为20μm～5mm，宽度为50μm～10mm，检测通道的宽度大于其深度。如图4、图5和图6所示，检测通道6为对称结构，检测通道6呈“几”字状，检测通道6由两连接段8和检测段7构成，两连接段8分别与检测段7的两端连接。各检测通道6的检测段7位于基片2的上表面上，各检测通道6的两连接段8分别位于基片内。各检测通道6在平行于基片2的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道6的检测段7平行于基片2上表面长度方向的边沿，各检测通道6的入口和出口分别位于基片2宽度方向的两侧壁上，各检测通道6的入口和出口分别连接有接头9。
当检测不同类型浮游生物时，检测通道的深度根据浮游生物的大小进行选择和调整，选用检测通道的深度应大于待检测浮游生物的大小。
夹具包括上夹体3和下夹体4，上夹体3和下夹体4的形状、尺寸相同，上夹体3和下夹体4均呈板状。
如图3所示，上夹体3由上金属壳体12和上垫板13构成，上金属壳体12和上垫板13的形状相同，上垫板13粘接于上金属壳体12内。上金属壳12的材质为铝、铜、不锈钢、钛和合金等材料，上垫板13为橡胶、硅胶、塑料、聚四氟乙烯等材料。上夹体3中央设有呈正方形的上透光孔5，上透光孔5的边长为2.0cm。上透光孔5四个角的外侧分别设有穿孔10，四个穿孔10呈正方形分布，且该正方形的中心与上透光孔10的中心在同一条直线上，相邻穿孔之间的距离为3.5cm。
下夹体由下金属壳体和下垫板构成，下金属壳体和下垫板的形状相同，下垫板粘接于下金属壳体内。下金属壳的材质为铝、铜、不锈钢、钛和合金等材料，下垫板为橡胶、硅胶、塑料、聚四氟乙烯等材料。下夹体中央设有呈正方形的下透光孔14，下透光孔14的边长为2.0cm。下透光孔14四个角的外侧分别设有穿孔10，四个穿孔10呈正方形分布，且该正方形的中心与上透光孔的中心在同一条直线上，相邻穿孔之间的距离为3.5cm。
下夹体4、基片2、盖片1和上夹体3从下至上依次层叠布设，上垫板13与盖片1贴合，盖片1密封贴合于基片2上，下垫板与基片2贴合，上透光孔5、盖片1、基片2和下透光孔的中心线在同一条直线上。上夹体3和下夹体4通过四个螺栓11连接，四个螺栓11分别位于盖片1和基片2的外侧，盖片1通过夹具固定于基片2上。盖片1密封各检测通道6的检测段7，各检测通道6的检测段7位于上透光孔5和下透光孔之间。
上述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片的使用方法如下：
A组装前准备
1.清洗：将所有的零部件放置在超声波清洗仪(上海左乐ZL6-180A)内，加入洗涤剂，对基片、盖片、夹具、接头等零部件超声清洗3-15min，随后再跟换超纯水清洗1-2次，每次3-15min，吹干，如检测通道堵塞，可用注射器抽取洗涤剂反复冲洗检测通道6。
2.涂抹密封物：将基片上的上表面均匀涂抹凡士林、润滑油、润滑脂、真空硅脂、热熔蜡、热熔胶等防水密封物，注意避免涂抹到检测通道内；
B芯片组装：
1、将下夹体放置于洁净的工作台上，使下垫片朝上，将基片表面分布有检测通道的一面向上并放置在下垫片上，将盖板小心放置在基片上，注意盖片放置的位置，使各检测通道的检测段均被盖片覆盖，轻轻按压盖片，注意避免盖片和基片之间存在气泡，将上夹体放置于盖片上，使上垫片与盖片贴合，调整上夹体的位置，使其与下夹体的位置相对应；
2、将四个螺栓分别安装在夹具的四个角上，逐步拧紧每个螺栓，注意避免螺栓拧的过紧导致盖片破裂；
3、将接头用热熔胶、热熔蜡等粘在基片上，使接头与检测通道的入口、出口相连；
C芯片密封性能测试
将各检测通道的入口通过管线与装满水溶液的注射器相连，推动注射器，在0.5-3大气压下推动水溶液通过各检测通道，整个测试过程持续0.5-5min，检测芯片是否漏水，来测试芯片的密封性能，若芯片不漏水为通过密封测试，可进行样品检测，否则，需拆卸重新安装。
D样品检测：
将上述安装好的微流控芯片放置在安装有CCD的光学显微镜(奥林巴斯CX31生物显微镜，配套的CCD型号为映美精DFK 33UX249)的载物台上，用载物台压片夹压住微流控芯片，将需要待观察的检测通道对准通光孔，打开显微镜光源，调整好显微镜光路并选择好物镜，通过调节粗准焦螺旋和细准焦螺旋来调整焦平面，使显微镜获得最清晰的图像，调整显微镜镜台，使微流控芯片待观察的检测通道在显微镜视野的正中央；
将待观察的检测通道的入口通过管线与待测浮游生物的水样连接，在注射泵(苏州汶颢WH-SP-02型)的动力驱动下，使待检测的含有浮游生物的水样以已知的固定的流量匀速通过芯片的检测通道，选用深度较小的检测通道(检测通道的深度为50μm)开展微型浮游生物观察与检测时，水样进样的流量范围为0.05-2.0ml/min，选用深度较大的检测通道(检测通道的深度为250μm)开展微型浮游生物观察与检测时，水样进样的流量范围为0.5-30ml/min；
通过目前观察、记录显微镜视野内在单位时间内通过芯片检测通道的各类浮游生物的种类、数量，依据检测通道的截面积、水样的进样速度和检测的单位时间计算得出观察记录的水样的实际体积，根据该数据计算出待检测水样中各类浮游生物的实际种类和数量。
同时，待检测样品可通过与光学显微镜相连的CCD以固定的图像采集帧率(1-60次/秒)、分辨率范围(800×600-5472×3648)，将图像采集至电脑中保存，以供后期采用人工方法或智能识别软件进行水样中浮游生物的种类、数量的鉴定和统计分析。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于检测通道的形状，本实施例中，如图7所示，检测通道呈U形，各检测通道的检测段位于基片的上表面上，各检测通道的两连接段分别位于基片内。各检测通道在平行于基片方向的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片下表面上。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于检测通道的形状，本实施例中，如图8和图9所示，连接段呈U形，各检测通道的检测段位于基片的上表面上，各检测通道的两连接段分别位于基片内。各检测通道在平行于基片方向的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片上表面上。

Claims (10)

1.一种用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，包括盖片和基片，其特征在于：还包括夹具，夹具包括上夹体和下夹体，上夹体中央设有上透光孔，下夹体上设有下透光孔，基片上设有一条以上的检测通道，若检测通道为多条时，多条检测通道并排排列，检测通道的中间部分为检测段，各检测通道的检测段位于基片的上表面上，下夹体、基片、盖片和上夹体从下至上依次层叠布设，盖片的厚度为0.03-0.5mm，盖片密封贴合于基片上，盖片密封各检测通道的检测段，上夹体和下夹体固定连接，盖片通过夹具固定于基片上，各检测通道的检测段位于上透光孔和下透光孔之间。
2.根据权利要求1所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的上夹体和下夹体均呈板状，上透光孔周围均匀布设有多个穿孔，下透光孔周围对应位置处均布设有穿孔，上夹体和下夹体通过螺栓连接。
3.根据权利要求2所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的上夹体由上金属壳体和上垫板构成，上金属壳体和上垫板的形状相同，上垫板粘接于上金属壳体内，下壳体由下金属壳体和下垫板构成，下金属壳体和下垫板的形状相同，下垫板粘接于下金属壳体内，上垫板与盖片贴合，下垫板与基片贴合。
4.根据权利要求2所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的上透光孔和下透光孔均呈方形或圆形。
5.根据权利要求2所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的检测通道为对称结构，检测通道呈“几”字状，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
6.根据权利要求5所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片宽度方向的两侧壁上。
7.根据权利要求2所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的检测通道为对称结构，检测通道呈U形，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
8.根据权利要求7所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片下表面上。
9.根据权利要求2所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的检测通道为对称结构，检测通道由两连接段和检测段构成，检测通道的两侧部位分别为连接段，两连接段的一端分别与检测段的两端连接，连接段呈U形，各检测通道的两连接段分别位于基片内，各检测通道的两连接段的另一端分别连接有接头。
10.根据权利要求9所述的用于高倍显微图像采集的可拆卸式浮游生物微流控芯片，其特征在于：所述的基片和盖片均呈方形，各检测通道在平行于基片的平面上的投影呈“一”字状，各检测通道的检测段平行于基片上表面长度方向的边沿，各检测通道的入口和出口分别位于基片上表面上。
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