CN113063744A - 微流控设备及成像检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微流控设备及成像检测装置，所述微流控设备包括：微流控芯片、微量注射泵、直流电源，以及收集器。所述成像检测装置包括所述微流控设备，以及多光谱光源、光纤束、物镜、检测平台、成像透镜、CMOS传感器以及计算机。结合微流控芯片技术和多光谱成像技术，提供了一种简单易行且适合体外肿瘤细胞培养的装置，并且具备体外肿瘤细胞观察，以及获取氧气浓度变化的能力。本发明所提供的一种微流控设备及成像检测装置，具有结构简单、检测方便快捷、易于产业化等优点，同时其中利用多光谱成像技术在微流控芯片中成像的方式也适用于多种的器官芯片检测。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种微流控设备及成像检测装置。
背景技术
肿瘤乏氧微环境在抑制药效、阻断免疫细胞浸润、促进肿瘤复发转移等过程中发挥了关键作用。因此，改善肿瘤内部乏氧微环境或可提高抗肿瘤药物疗效、抑制肿瘤复发转移，成为临床亟待解决的重要命题。
微流控技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。利用微流控技术研究肿瘤的生长过程及机理，为研究恶性肿瘤发病机理、新型药物及治疗手段开发提供了快速有效的平台。
发明内容
为了有效研究肿瘤细胞的生长过程及机理，开发新型药物及研究治疗手段，本发明提供一种微流控设备及成像检测装置，利用多光谱成像技术实时在线检测癌细胞生长过程及内部氧气浓度变化，研究肿瘤细胞的生长过程及机理。
为了实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种微流控设备，所述微流控设备包括：
微流控芯片，所述微流控芯片包括一基板以及设置于所述基板上的PDMS层，所述PDMS层底部具有凹陷图案并与所述基板贴合封装形成一微流道，所述微流道包含一腔室及数个通道，所述数个通道与所述腔室连通；
数个微量注射泵，每一所述微量注射泵与一个所述通道一端连接；
直流电源，与所述数个微量注射泵连接，以控制所述数个微量注射泵的推料速度；以及
收集器，所述收集器与另一个所述通道连接，用于收集所述腔室内的液体。
在一实施例中，所述PDMS层由透明PDMS材料制备，所述基板由透明玻璃制备。
在一实施例中，所述微流道的所述腔室用于放置细胞样品。
在一实施例中，所述数个通道包括与所述微量注射泵连接的第一通道和第二通道，所述第一通道为药物通道，所述第二通道为样品体液通道。
在一实施例中，所述数个通道还包括与所述收集器连接的第三通道，所述第三通道为出液通道。
在一实施例中，所述微流控芯片的所述腔室为圆形，直径为1cm。
本发明还提供一种成像检测装置，包括如上所述的微流控设备，还包括，多光谱光源、光纤束、物镜、检测平台、成像透镜，CMOS传感器以及计算机，所述多光谱光源发出单色激发光通过所述光纤束形成平行光，所述平行光通过所述物镜聚焦到所述检测平台上的所述微流控设备的所述微流控芯片上，光束再经所述成像透镜成像到所述CMOS传感器，所述CMOS传感器将影像信号传递到计算机进行处理。
在一实施例中，所述多光谱光源可以调节单色激发光的波长，所述波长包括且不限于660nm、810nm以及850nm。
在一实施例中，所述多光谱光源包括数个发光二极管，所述光纤束的光纤分支的数目大于或者等于所述数个发光二极管的数目，每一光纤分支包括100～9999根光纤丝，每条光纤分支的直径覆盖所述数个发光二极管之一的发光表面，并采用贴合式耦合方式。
在一实施例中，所述微流控设备输入的样品体液包括血红蛋白，所述计算机用以根据所述影像信号分析细胞样品的组织显微图像。
本发明的有益效果为：
本发明所提供的一种微流控设备及成像检测装置，结合微流控芯片技术和多光谱成像技术，提供了一种简单易行且适合体外肿瘤细胞培养的装置，并且具备体外肿瘤细胞观察，以及获取氧气浓度变化的能力。本发明所提供的一种微流控设备及成像检测装置，具有结构简单、检测方便快捷、易于产业化等优点，同时其中利用多光谱成像技术在微流控芯片中成像的方式也为更多器官芯片提供了新的思路。
附图说明
为了更清楚地阐述本发明专利的具体实施例的特点，下面将对实施例的附图进行简要介绍。显而易见地，下面描述的附图仅为本发明的一些实施例，对于本领域的普通研究或从业人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他类似的图片。
图1为本发明实施例微流控设备其中的微流控芯片结构示意图；
图2为本发明实施例成像检测装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分应用，而并非全部。应理解，这些实施例仅用于说明本发明的特性而并非用于限制本发明的范围。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
使用多光谱成像系统测定的血氧浓度的基础原理是利用在血液中血红蛋白与氧结合程度(OS)与光吸收的关系。根据血红蛋白与氧合血红蛋白吸光度随波长变化图选择一个血红蛋白吸光度无变化的波长，即该波长对OS的变化不敏感，血红蛋白对该波长的吸亮度不因OS的变化而改变。再选择另一个波长对OS的变化敏感，此时血红蛋白对该波长的吸光度变化将与OS成线性比例。拟合为直线方程进行经验校准即可通过测量吸光度变化得到血氧的变化。多光谱成像系统可以使用三个或三个以上光谱波段的信息来评估OS。多光谱血氧测量算法通过计算拟合的血管透射值与实验确定的血管透射值建立一个理论光学模型，可通过使用多光谱波段来单独对血液对光的吸收进行分析，并估计或补偿其他光学参数的影响。
根据郎伯比尔定律(Lambert-Beer law)，光穿过溶液后的光强与原光强有如下的关系：
I＝I0·10-ε·c·d (1)
其中I为入射光穿过溶液后的强度，I0为原入射光的强度，ε为溶液的吸收系数，c为溶液的浓度，d为光线穿过溶液的距离。
在波长为λ的光线下的光密度函数定义如(2)式：
其中，
为氧和血红蛋白溶液吸收系数，εHb为血红蛋白的溶液吸收系数，
为氧和血红蛋白的溶液浓度；cHb为血红蛋白的溶液浓度；lg为以10为底的对数符号。
因此吸收系数不相等的光密度ODn和等吸收系数的光密度OD0的比率ODR为：
ODR与氧气饱和度成线性关系，即：
SO2＝agODR+b (4)
因此在多光谱光源波长的选择上，根据血红蛋白与氧合血红蛋白吸光度随波长变化图可选择805nm波长(二者对此波长的吸收系数相同)，另外在805nm左右分别选取660nm(二者吸收系数相差最大，灵敏度最高)和850nm(细胞成分对此波长的红外光吸收率最好)。较佳实施例选择的光源为660nm、810nm(因805nm不易获得)、850nm的LED光源。
基于以上原理，本发明提供一种微流控设备及成像检测装置，对肿瘤细胞进行血氧浓度的测定，获取高清晰度细胞图像。
以下结合附图，详细说明本发明实施例所提供的技术方案。
本实施例提供一种微流控设备100，所述微流控设备100包括：微流控芯片1、数个微量注射泵12、直流电源13，以及收集器14。如图1所示，所述微流控芯片1包括一基板101，以及设置于所述基板101上的PDMS层103，所述PDMS层103底部具有凹陷图案并与所述基板101贴合封装形成一微流道102，所述微流道102包含一腔室1020(由所述PDMS层103底部与所述基板101形成)及数个通道1021、1022、1023，所述数个通道1021、1022、1023与所述腔室1020连通；每一所述微量注射泵12与一个所述通道1021、1022一端连接；所述直流电源13与所述数个微量注射泵12连接，以控制所述数个微量注射泵12的推料速度；所述收集器14与另一个所述通道1023连接，用于收集所述腔室1020内的液体。
在本实施例中，所述微流控芯片1的所述PDMS层103由透明PDMS材料制备，所述基板101由透明玻璃制备。透明的材料有利于光线通过进行量测与观察。所述微流控芯片1的所述腔室1020为圆形，直径为1cm。
在本实施例中，所述微流控芯片1的所述微流道102的制备方法包括：利用软光刻技术在单晶硅板上凸刻微流道；用PDMS材料在单晶硅板上翻模，形成具有所述微流道凹陷图案的PDMS层，所述PDMS层与玻璃基板贴合，所述微流道凹陷图案与玻璃基板的表面贴合封闭而形成微流道。所述微流道102包含一腔室1020，还包含与所述微量注射泵12连接的第一通道1021和第二通道1022，所述第一通道1021为药物通道，所述第二通道1022为样品体液通道。所述微流道102还包含与所述收集器14连接的第三通道1023，所述第三通道1023为出液通道。
所述微流控芯片1的所述微流道102的制备方法中，利用软光刻技术在所述微流控芯片1的所述PDMS层103形成微流道凹陷图案，除去气泡，将具有所述微流道凹陷图案的一侧面与所述基板101封装贴合，以上操作均要求在超净台上完成。制备完成后要进行杀菌处理，之后可接种肿瘤细胞等细胞样品并对其进行培养。
在本实施例中，所述微流道102的所述腔室1020用于放置肿瘤细胞样品，进行培养，所述微量注射泵12通过所述第一通道1021输送试验所用的药品，通过所述第二通道1022输送肿瘤细胞培养材料，在所述腔室1020汇合后作用于肿瘤细胞，之后所述腔室1020内的液体由所述第三通道1023排出到收集器14。通过测量所述第一通道1021、所述第二通道1022与所述第三通道1023的氧气浓度变化，可以衡量药物对肿瘤细胞的作用。
在本实施例中，所述肿瘤细胞是利用生物3D打印技术得到的具有血管结构的肿瘤模型，利用生物3D打印技术可以实现多细胞仿生有序排列，获得模拟人体内部具有复杂血管网络的实体肿瘤的三维肿瘤模型。
如图2所示，本实施例还提供一种成像检测装置200，包括如上所述的微流控设备100(仅绘示所述微流控芯片1)，还包括，多光谱光源2、光纤束3、物镜4、检测平台5、成像透镜6，CMOS传感器7以及计算机8，所述多光谱光源2发出单色激发光通过所述光纤束3形成平行光，所述平行光通过所述物镜4聚焦到所述检测平台5上的所述微流控设备的所述微流控芯片1上，光束再经所述成像透镜6收集成像到所述CMOS传感器7，所述CMOS传感器7将影像信号传递到所述计算机8进行处理。
在本实施例中，所述多光谱光源2可以调节单色激发光的波长。所述多光谱光源2采用多个不同波长的二极管，在合理的波段选择下，较少的波段就能体现出某些组织的光谱差异，多光谱显微图像就可以辅助组织病理学诊断。在实际应用中，反射光谱法有无接触、无损、无侵入等优点，还可以根据应用场景不同更改光谱的组合。通过光谱学的原理，可将每一种色原和染料分离成单独的图像，提高细胞成像的信噪比，更清晰地对细胞成像。在本实施例中，所述多光谱光源2可以调节单色激发光的波长，所述波长包括660nm、810nm以及850nm。
在本实施例中，所述多光谱光源2包括数个发光二极管，所述光纤束3的光纤分支的数目大于或者等于所述数个发光二极管的数目，每一光纤分支包括100～9999根光纤丝，每条光纤分支的直径可覆盖一个发光二极管的发光表面，并采用贴合式耦合方式。
在本实施例中，所述微流控设备输入的样品体液包括血红蛋白，具体的，包括氧合血红蛋白。所述计算机8用以根据所述影像信号分析细胞样品的组织显微图像。
所述计算机8控制所述多光谱光源2和所述CMOS传感器7同步，所述多光谱光源2发出的单色激发光经所述光纤束3，通过所述光纤束3的光近似为平行光，经过所述物镜4聚焦到所述微流控设备的所述微流控芯片1上，而后被所述成像透镜6成像到所述CMOS传感器7上，所述CMOS传感器7将光信号转换为电信号，传递给所述计算机8，所述计算机8内安装有与所述成像检测装置配套使用的软件，以对图像进行处理与显示。
将肿瘤细胞(利用生物3D打印技术得到的具有血管结构的肿瘤模型)放置于所述微流道102的腔室1020，血管结构与腔室1020的通道1021、1022、1023连通。所述微量注射泵12通过所述第一通道1021输送试验所用的药品，通过所述第二通道1022输送样品体液(血红蛋白)，对所述成像检测装置进行调试，启动所述成像检测装置后调整所述CMOS传感器7与所述微流控芯片1的相对位置，调节对焦，在所述微流控芯片1的所述培养腔室1020前后分别找到一组便于观测的点。所述计算机8控制多光谱光源2与所述CMOS传感器7同步，所述计算机8控制所述CMOS传感器7与所述多光谱光源2进行静态成像，完成一次对所述微流控芯片1的细胞图像采集。先后依此采用660nm、810nm、850nm的光源对所选取的点进行多光谱图像采集，并依据上述方法对氧气饱和度进行计算。对所取的点的氧气饱和度进行计算，多个点取均值以减小误差。所述计算机8对同一时刻不同波长下的多光谱图像进行处理，包括图像不均匀度矫正、光照强度矫正和图像去噪处理，进而得到清晰的图像。
本发明所提供的一种微流控设备及成像检测装置，结合微流控芯片技术和多光谱成像技术，提供了一种简单易行且适合体外肿瘤细胞培养的装置，并且具备体外肿瘤细胞观察，以及获取氧气浓度变化的能力。本发明所提供的一种微流控设备及成像检测装置，具有结构简单、检测方便快捷、易于产业化等优点，同时其中利用多光谱成像技术在微流控芯片中成像的方式也为更多器官芯片提供了新的思路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微流控设备，其特征在于，所述微流控设备包括：
微流控芯片，所述微流控芯片包括一基板以及设置于所述基板上的PDMS层，所述PDMS层底部具有凹陷图案并与所述基板贴合封装形成一微流道，所述微流道包含一腔室及数个通道，所述数个通道与所述腔室连通；
数个微量注射泵，每一所述微量注射泵与一个所述通道一端连接；
直流电源，与所述数个微量注射泵连接，以控制所述数个微量注射泵的推料速度；以及
收集器，所述收集器与另一个所述通道连接，用于收集所述腔室内的液体。
2.根据权利要求1所述的微流控设备，其特征在于，所述PDMS层由透明PDMS材料制备，所述基板由透明玻璃制备。
3.根据权利要求1所述的微流控设备，其特征在于，所述微流道的所述腔室用于放置细胞样品。
4.根据权利要求1所述的微流控设备，其特征在于，所述数个通道包括与所述微量注射泵连接的第一通道和第二通道，所述第一通道为药物通道，所述第二通道为样品体液通道。
5.根据权利要求4所述的微流控设备，其特征在于，所述数个通道还包括与所述收集器连接的第三通道，所述第三通道为出液通道。
6.根据权利要求1所述的微流控设备，其特征在于，所述微流控芯片的所述腔室为圆形，直径为1cm。
7.一种成像检测装置，包括如权利要求1-6任一项所述的微流控设备，其特征在于还包括，多光谱光源、光纤束、物镜、检测平台、成像透镜，CMOS传感器以及计算机，所述多光谱光源发出单色激发光通过所述光纤束形成平行光，所述平行光通过所述物镜聚焦到所述检测平台上的所述微流控设备的所述微流控芯片上，光束再经所述成像透镜成像到所述CMOS传感器，所述CMOS传感器将影像信号传递到计算机进行处理。
8.根据权利要求7所述的成像检测装置，其特征在于，所述多光谱光源可以调节单色激发光的波长，所述波长包括且不限于660nm、810nm以及850nm。
9.根据权利要求7所述的成像检测装置，其特征在于，所述多光谱光源包括数个发光二极管，所述光纤束的光纤分支的数目大于或者等于所述数个发光二极管的数目，每一光纤分支包括100～9999根光纤丝，每条光纤分支的直径覆盖所述数个发光二极管之一的发光表面，并采用贴合式耦合方式。
10.根据权利要求7所述的成像检测装置，其特征在于，所述微流控设备输入的样品体液包括血红蛋白，所述计算机用以根据所述影像信号分析细胞样品的组织显微图像。
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