CN113916853A - 一种双通道荧光自动化检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双通道荧光自动化检测装置，包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分分为机械子系统和电路子系统，软件部分分为上位机软件和下位机软件，所述电路子系统信号连接所述机械子系统，所述机械子系统包括多孔板、多孔板支架、高精度滚珠丝杠二维滑台和双通道荧光显微镜模块，所述多孔板放置在多孔板支架上，所述双通道荧光显微镜模块设置在高精度滚珠丝杠二维滑台上，多孔板1与双通道荧光显微镜模块位置对应设置。本发明相较于传统的生物荧光显微镜装置具有体积较小，易于与细胞培养箱集成的优势，能够对多孔板中生物细胞或其他生物溶液实现长期的荧光成像监测，能够对标记多种生物荧光信息的图像进行同步的观察和记录。
Description
技术领域
本发明涉及生物光学领域，尤其涉及一种双通道荧光自动化检测装置。
背景技术
生物体内的生命活动是生命科学中迫切需要探索的领域。生物荧光显微成像技术因其可以特异性观察活体生物体内的生命活动和生物结构而成为此领域重要的科研工具。生物荧光显微成像技术是利用荧光发光成像。荧光发光的基本原理如图 4所示。荧光发光本质上是一个先受激吸收而后自发辐射的过程。荧光物质受到外来激发光照射，处于基态的电子吸收激发光光子能量后，由基态跃迁到激发态，此为受激吸收过程；处于激发态的电子，经过内转换和振动驰豫过程后从激发态回到基态并自发辐射出光子，这种自发辐射过程产生的光即为荧光。荧光是一种光致发光的冷发光现象：一旦停止外来入射激发光，发光现象也随之立即消失。
生物荧光显微成像技术即是利用荧光发光原理，通过荧光染料，荧光抗原抗体和转基因荧光蛋白等各种荧光标记物标记待观察物质，在激发光照射下，荧光物质发出荧光成像，从而观察标记物的成像技术。其具有以下几个基本特点：（1）荧光标记具有特异性，且可用于活体成像。由于荧光探针的高度特异性，它能够在复杂的混合物中选择性地探测荧光标记目标，并可以用于对活体生物的成像观测。（2）荧光成像高对比度。由于荧光波长与激发光波长完全不同，因此非常利于通过二向色片、滤光片的组合实现高效的光谱滤光，消除激发光对成像的干扰，获得高对比度的荧光图像。
当前生物荧光显微镜主要包含：结构简单的宽场显微镜、广泛使用的共聚焦显微镜、成像深度深的多光子显微镜、三维活体成像的光片显微镜以及突破 200nm 光学衍射极限的超分辨显微镜。不同的显微镜在时空分辨率，时空尺度和成像对象上各有取舍，并在各自的优势领域中发挥作用。但是，这些显微镜装置往往较大，无法与细胞培养箱集成进行荧光成像，不具有长时间监测细胞的活动状态的能力。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种双通道荧光自动化检测装置，其具体技术方案如下：
一种双通道荧光自动化检测装置，包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分分为机械子系统和电路子系统，软件部分分为上位机软件和下位机软件，所述电路子系统信号连接所述机械子系统，所述机械子系统包括多孔板、多孔板支架、高精度滚珠丝杠二维滑台和双通道荧光显微镜模块，所述多孔板放置在多孔板支架上，所述双通道荧光显微镜模块设置在高精度滚珠丝杠二维滑台上，多孔板1与双通道荧光显微镜模块位置对应设置。
优选的，所述高精度滚珠丝杠二维滑台由相互垂直纵向设置连接的第一滑台和第二滑台组成，均包括底座，底座上设有导轨，导轨一侧设有步进电机，步进电机驱动连接有滚珠丝杆，并将滚珠丝杆安装在导轨上，滚珠丝杆上安装有滑块，所述滑块上安装有滑双通道荧光显微镜模块。
优选的，所述电路子系统包括：步进电机主控电路、电源、驱动器，所述步进电机主控电路接受上位机发来的运动指令，并将运动指令中控制电机的信号发送给驱动器，电源连接驱动器，驱动器驱动步进电机运转。
优选的，步进电机主控电路集成有控制芯片、串口芯片、按键、信号输出电路，其中控制芯片采用STM32，串口芯片采用CH340，高速USB采集电路。
优选的，所述下位机软件由STM32运行。
优选的，所述双通道荧光显微镜模块，主体包括显微镜外壳，显微镜外壳的顶部设置有CMOS传感器，CMOS传感器与多孔板位置对应，壳体内设有LED灯、第一滤波片和第二滤波片。
本发明开发了一种高通量的双通道荧光自动化检测装置，相较于传统的生物荧光显微镜装置具有体积较小，易于与细胞培养箱集成的优势，能够对多孔板中生物细胞或其他生物溶液实现长期的荧光成像监测，并具有双通道同步荧光成像的特点，能够对标记多种生物荧光信息的图像进行同步的观察和记录。本发明在生物学、免疫学、脑科学等生命科学研究领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体装置结构示意图；
图2是本发明的机械子系统俯视结构示意图；
图3是本发明的系统框图示意图；
图4是荧光发光的基本原理示意图；
图5是本发明的多孔板支架结构示意图；
图6是本发明的高精度滚珠丝杠二维滑台结构示意图；
图7是本发明的双通道荧光显微镜模块结构示意图；
图8是本发明的软件部分的工作流程图；
图9a是本发明实施例的绿色荧光通道HEK293T细胞荧光成像示意图；
图9b是本发明实施例的红色荧光通道HEK293T细胞荧光成像示意图；
图中，1-多孔板，2-多孔板支架，3-滑块，4-滚珠丝杆，5-导轨，6-步进电机，7-步进电机主控电路，8-CMOS传感器，9-显微镜外壳，10- LED灯10，11-第一滤波片，12-第二滤波片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本发明作进一步详细说明。
如图 1-3所示，本发明的一种双通道荧光自动化检测装置，包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分分为机械子系统和电路子系统，所述电路子系统信号连接所述机械子系统，所述机械子系统包括多孔板1、多孔板支架2、高精度滚珠丝杠二维滑台和双通道荧光显微镜模块。
所述多孔板1可以是6/12/24/96多孔板，放置在多孔板支架2上，上下镂空，便于显微镜光路测量。
如图5所示，所述多孔板支架2采用3D打印技术，材料选用PLA，轻便环保，成本低廉。
如图6所示，所述高精度滚珠丝杠二维滑台，用于实现高精度的机械运动，包括相互垂直纵向设置连接的第一滑台和第二滑台，均包括底座，底座上设有导轨5，导轨5一侧设有步进电机6，步进电机6驱动连接有滚珠丝杆4，并将滚珠丝杆4安装在导轨5上，滚珠丝杆4上安装有滑块3，所述滑块3上安装有滑双通道荧光显微镜模块。
如图7所示，所述双通道荧光显微镜模块，是：应用精密塑料加工技术、3D打印技术制作的结构件及各种光学镜片等组成的光学组件，主体包括显微镜外壳9，显微镜外壳9的顶部设置有CMOS传感器8，壳体内设有LED灯10及两块滤波片，两块滤波片包括第一滤波片11和第二滤波片12。
所述电路子系统包括：步进电机主控电路7、电源、驱动器，所述步进电机主控电路7接受上位机发来的运动指令，并将运动指令中控制电机的信号发送给驱动器，电源连接驱动器，驱动器驱动步进电机6运转。步进电机主控电路7集成有控制芯片、串口芯片、按键、信号输出电路，其中控制芯片采用STM32，串口芯片采用CH340，高速USB采集电路。
所述软件部分，分为上位机软件和下位机软件，下位机软件由STM32运行，具体的，如图8所示，软件部分的工作流程包括以下步骤：
步骤1、开启定时器，初始化双通道荧光显微镜模块的摄像头；
步骤2、上位机软件发送控制指令至STM32控制芯片，定时器中断，STM32控制芯片接收上位机指令，将双通道荧光显微镜模块获取的视频数据USB传输给上位机，判断STM32控制芯片是否接收到正确指令，若接收到正确指令，则向驱动器发送控制信号后向上位机发送当前位置，再接着继续接收上位机指令；若没有接收到正确指令，则STM32控制芯片不发送控制信号，继续接收上位机指令；
步骤3、定时器中断，摄像头进行ADC采集，判断当CMOS传感器信号没有达到所设阈值时，继续进行ADC采集；判断当达到所设阈值是，则停止向驱动器发送控制信息，向上位机发送当前位置为零，后继续进行ADC采集。
实施例：
（1）使用DMEM培养基在24孔培养板装置即多孔板1上培养人胚肾细胞系HEK293T细胞24至72小时，直到HEK293T细胞覆盖培养孔70%以上面积，每个培养孔内DMEM培养基溶液为1mL。
（2）使用移液枪在每个培养孔内移除0.5mL的DMEM培养基溶液，加入2μL的lipofectamine 2000溶液和1至2μL含有500 ng绿色荧光蛋白sfGFP和红色荧光蛋白mScarlet表达基因质粒溶液，将培养板放回细胞培养箱静置孵育4至6小时。质粒采用慢病毒载体（lentivirus vector, LV）作为载体，采用钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(CaMK II)识别作为启动子。
（3）在培养板装置放回细胞培养箱静置孵育4至6小时后，移除培养板培养孔内的所有DMEM培养基溶液，并重新立即加入1mL新鲜DMEM培养基溶液，将培养板装置放回细胞培养箱静置孵育过夜，等待绿色荧光蛋白sfGFP和红色荧光蛋白mScarlet表达在HEK293T细胞内表达。
（4）培养板装置放回细胞培养箱静置孵育过夜后，将本发明装置置于细胞培养箱内，然后将培养板装置放置在多孔板支架2上，关闭细胞培养箱以进行后续的荧光成像观察与记录。
（5）在所有装置均通电的情况下，打开上位机Labview端操作界面。控制滑块3的X和Y方向的水平移动和垂直Z方向的焦距。通过移动显微镜模块来选择24孔培养板装置中需要测量的培养孔，通过肉眼观察荧光图像视频端效果来调节滑块3至最佳焦距。
（6）完成滑块3的水平移动和垂直焦距调节后，点击软件的保存图片或者保存视频按钮，保存双通道荧光图像文件至本地，荧光成像结果如图9所示。后续根据需求对培养板装置上其他培养孔中细胞进行荧光成像记录与分析，或针对同一培养孔中细胞在不同时间点进行荧光成像图像记录与分析。
以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双通道荧光自动化检测装置，包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分分为机械子系统和电路子系统，软件部分分为上位机软件和下位机软件，所述电路子系统信号连接所述机械子系统，其特征在于，所述机械子系统包括多孔板（1）、多孔板支架（2）、高精度滚珠丝杠二维滑台和双通道荧光显微镜模块，所述多孔板1放置在多孔板支架（2）上，所述双通道荧光显微镜模块设置在高精度滚珠丝杠二维滑台上，多孔板（1）与双通道荧光显微镜模块位置对应设置。
2.如权利要求1所述的一种双通道荧光自动化检测装置，其特征在于，所述高精度滚珠丝杠二维滑台由相互垂直纵向设置连接的第一滑台和第二滑台组成，均包括底座，底座上设有导轨（5），导轨（5）一侧设有步进电机（6），步进电机（6）驱动连接有滚珠丝杆（4），并将滚珠丝杆（4）安装在导轨（5）上，滚珠丝杆（4）上安装有滑块（3），所述滑块（3）上安装有滑双通道荧光显微镜模块。
3.如权利要求2所述的一种双通道荧光自动化检测装置，其特征在于，所述电路子系统包括：步进电机主控电路（7）、电源、驱动器，所述步进电机主控电路（7）接受上位机发来的运动指令，并将运动指令中控制电机的信号发送给驱动器，电源连接驱动器，驱动器驱动步进电机（6）运转。
4.如权利要求3所述的一种双通道荧光自动化检测装置，其特征在于，步进电机主控电路（7）集成有控制芯片、串口芯片、按键、信号输出电路，其中控制芯片采用STM32，串口芯片采用CH340，高速USB采集电路。
5.如权利要求4所述的一种双通道荧光自动化检测装置，其特征在于，所述下位机软件由STM32运行。
6.如权利要求1所述的一种双通道荧光自动化检测装置，其特征在于，所述双通道荧光显微镜模块，主体包括显微镜外壳（9），显微镜外壳（9）的顶部设置有CMOS传感器（8），CMOS传感器（8）与多孔板（1）位置对应，壳体内设有LED灯（10）、第一滤波片（11）和第二滤波片（12）。
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