CN114740611A - 一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，包括倒置成像单元、侧向成像单元和照明单元。二维位移台通过位移台固定板安装在4根支撑杆顶端。倒置数码显微镜的镜头位于二维位移台正下方，并连接电脑，便获得微流控通道下视图。4根支撑杆固定导轨，侧向数码显微镜固定于滑块上，将滑块的轨道支撑槽对准导轨的轨道槽并放入钢珠，在滑块两端安装滑块挡板，使滑块在导轨上自由滑动；光源滑块以同样方式安装在导轨上，LED光源通过套杆和套筒固定在光源滑块上，并正对侧向数码显微镜镜头，可在电脑上显示微流控通道侧视图。本发明具有设计合理、成本低、操作方便等优点，能够满足科研和生产中对微流控芯片通道内进行显微成像的需求。
Description
技术领域
本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，属于微流控成像领域。
背景技术
微流控芯片作为一种重要的生化分析工具，凭借分析样品消耗量低、结构微型化和集成度高的优势，成为当前研究的重点，并已在细胞筛选、疾病诊断、基因分析和环境监测等领域获得广泛应用[文献1. Yamada M , Seko W , Yanai T , et al. Slanted,asymmetric microfluidic lattices as size-selective sieves for continuousparticle/cell sorting[J]. Lab Chip, 2017.文献2. Song Y , Peng R , Wang J , etal. Automatic particle detection and sorting in an electrokineticmicrofluidic chip[J]. Electrophoresis, 2013, 34(5):684-690.]。
在对微流控芯片通道进行可视化的显微成像装置时，需要对制作完成的微流控芯片进行工艺检查，在工艺制备中检查内容包括：微通道尺寸、表面粗糙度等，避免由于通道加工工艺问题影响实验结果；在科研实验中，通过对微通道内粒子或液滴运动状态的成像，可以对微通道内复杂的流体流形进行分析；在传感检测中，通过对微流控芯片通道内的微粒进行高帧率显微成像，再利用粒子图像测速法(PIV)对成像结果进行分析处理，即可实现对微粒的检测和计数；以上所述都需要对微流控芯片通道和样品进行可视化显微成像。从现有发明专利查阅来看，目前缺少一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，如专利号为CN107613162B的一种便携式微流控芯片成像系统，该系统需要使用特定尺寸和结构的微流控芯片，且无法对微流控芯片进行侧向成像[文献3. 王敏,吴非逸. 一种便携式微流控芯片成像系统[P]. 浙江省：CN107613162B,2020-11-20.]；如专利号为CN110412123A的一种光声微流控成像系统及方法，需要利用扫描仪对激光信号进行捕获，再将激光信号超声转换为超声波信号，最后还需要将超声波信号转化为电信号，造成该系统体积庞大、结构复杂[文献4.奚磊,刘飞,金天. 一种光声微流控成像系统及方法[P]. 广东省：CN110412123A,2019-11-05.]。因此，本发明提出一种适用性强、结构简单、操作方便的微流控芯片通道可视化的显微成像装置。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的主要难点在于：1)在倒置显微成像单元中，将数码显微镜倒置安装，用于获得微流控芯片通道的下视图，在安装时需要对二维位移台进行二次加工，因为普通二维位移台的厚度大、通光孔面积小，所以微流控芯片通道与倒置数码显微镜镜头的距离大于倒置数码显微镜的焦距，在视野中无法获得清晰的成像，因此，需要对二维位移台进行二次加工；2）在侧向显微成像单元中，需要将圆环导轨与滑块组装在一起，使滑块带动侧向显微镜可以平稳快速地在导轨上移动，用于获得微流控芯片通道的360度侧视图，因此，在组装时需考虑，轨道与滑块如何配合，才能实现滑块在轨道上平稳移动，保证一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置的成像质量。
（二）技术方案
本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，由倒置成像单元、侧向成像单元和照明单元组成。倒置成像单元包括：倒置数码显微镜、二维位移台、位移台固定板、4根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）、4颗m6全螺纹螺柱（长16mm）、4颗m6螺栓（长20mm）、2颗m3螺钉（长10mm）；侧向成像单元包括：导轨、滑块、2片滑块挡板、侧向数码显微镜、4根长300mm直径25mm的光学支撑杆和13颗直径8.2mm的钢珠、4颗m6全螺纹螺柱（长16mm）、4颗m6螺栓（长30mm）、2颗m6螺栓（长16mm）、8颗m3螺栓（长10mm）；照明单元包括：光源滑块、2片滑块挡板、套筒、套杆、LED光源、1颗m6全螺纹螺柱（长16mm）。4根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）支撑位移台固定板，二维位移台利用m3螺钉固定在位移台固定板上。1根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）用于支撑倒置数码显微镜，其镜头位于二维位移台正下方，将倒置数码显微镜连接电脑，便可以获得微流控通道的下视图。倒置数码显微镜所用的不锈钢圆柱支撑杆和其它3根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）的顶端利用m6螺栓固定导轨，将滑块的轨道支撑槽对准导轨的轨道槽并放入8.2mm钢珠，在滑块两端安装滑块挡板，使滑块可以在导轨上自由滑动，侧向数码显微镜固定于滑块上随滑块移动；同理，光源滑块以同样方式安装在导轨上，套筒利用1颗m6全螺纹螺柱（长16mm）固定在光源滑块上，LED光源固定在套杆上，将套杆放入套筒的固定孔且LED光源正对侧向数码显微镜的镜头，旋紧套筒顶针，便可以在电脑上显示微流控通道的侧视图。
在上述方案中，导轨由轨道承重板、轨道下支撑板、轨道槽、轨道上支撑板组成。
在上述方案中，滑块由滑块连接平台、滑块外侧上支撑板、滑块内侧上支撑板、轨道支撑槽、滑块外侧下支撑板、滑块内侧下支撑板、m6螺丝孔、支撑板连接孔m3螺丝孔、挡板固定孔m3 螺丝孔、顶针组成。
在上述方案中，轨道上均匀分布有4个m6螺孔，相邻螺孔之间的角度为90度；为保证滑块在导轨上平滑移动，上述四个螺孔均需要设计沉头螺孔，沉头螺孔直径为10mm。
在上述方案中， 滑块的轨道支撑槽和导轨的轨道槽一起卡置钢珠。
在上述方案中，导轨中轨道槽的高度和滑块中轨道支撑槽的高度均为8.2mm。
在上述方案中，导轨中轨道槽和滑块中轨道支撑槽的深度均为4.1mm。
在上述方案中，光源滑块与滑块的唯一区别在于：光源滑块只有一个m6螺孔，而滑块有两个m6螺孔。
在上述方案中，光源滑块与滑块所用滑块挡板完全相同。
在上述方案中，可以根据需要调节套杆和套筒的配合距离，保证LED光源对准侧向数码显微镜的镜头。
在上述方案中，套筒的长度为60mm，一端有m6螺孔用于和光源滑块连接，另一端有一直径12mm、深度40mm的固定孔，用于固定套杆。
在上述方案中，位移台固定板的厚度为10mm，其上有4个6mm螺孔，每个螺孔都设置有沉头螺孔，沉头螺孔直径为10mm；此外，还有2个m3螺孔，用于安装二维位移台。
在上述方案中，位移台固定板为一矩形框，外矩形长为185mm宽160mm，通光孔长135mm宽110mm。
在上述方案中，每一片滑块挡板均有4个m3螺孔，安装于滑块两端，防止钢珠滑出支撑槽。
在上述方案中，8根不锈钢圆柱支撑杆的两端端面均有m6螺孔。
在上述方案中，可以根据成像需要利用万向磁力表架对LED灯的位置进行调整。
（三）技术效果
从上述方案可以看出， 本发明具有以下技术效果。
1）本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，将数码显微镜倒置安装，成为倒置数码显微镜，利用位移台固定板将二维位移台固定于倒置数码显微镜的正上方，这样避免了在成像过程中移动微流控芯片时，样品液入口与数码显微镜镜头的侧向挤压，减小对微流控芯片的机械损伤。
2）本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，将圆环导轨固定于二维位移台的外侧，滑块与导轨通过钢珠滚动配合，侧向数码显微镜固定在滑块上，使数码显微镜可以围绕微流控芯片转动。当需要对微流控芯片的某一位置进行成像时，可以通过顶针将滑块固定在导轨的某一位置，可以实现对微流控芯片的侧向观察。
附图说明
以下各图所取一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置的结构参数均与具体实施方式相同。
图1为用于微流控芯片观察的三维成像系统结构示意图。
图2为导轨示意图。
图3为滑块示意图。
图4为光源滑块示意图。
图5为滑块挡板示意图。
图6为位移台固定板示意图。
图7为不锈钢圆柱支撑杆示意图。
图8为套筒示意图。
图9为导轨三视图。
图10为滑块三视图。
图11为滑块挡板三视图。
图12为位移台固定板三视图。
图13为不锈钢圆柱支撑杆三视图。
图14为钢珠三视图。
图1中：1、光学平台，2、不锈钢圆柱支撑杆（2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8），3、数码显微镜固定件，4、数码显微镜连接固定架，5、倒置数码显微镜，6、导轨，7、滑块，8滑块挡板，9、钢珠，10、数码显微镜支撑架，11、侧向数码显微镜，12、位移台固定板，13、二维位移台，14、光源滑块，15、套筒，16、套杆，17、LED光源。
图2中：6-1、轨道承重板，6-2、轨道下支撑板，6-3、轨道槽，6-4、轨道上支撑板，6-5、m6沉头螺孔。
图3中：7-1、滑块连接平台，7-2、滑块外侧上支撑板，7-3、滑块内侧上支撑板，7-4、轨道支撑槽，7-5、滑块外侧下支撑板，7-6、滑块内侧下支撑板，7-7、m6螺丝孔，7-8、支撑板连接孔m3螺丝孔，7-9、挡板固定孔m3 螺丝孔，7-10、顶针。
图5中：8-1、m3螺丝孔。
图6中：12-1、m6螺丝孔，12-2、m3螺丝孔。
图7中：2-1、m6螺丝孔。
图7中：15-1、固定孔15-2、套筒顶针。
具体实施方式
为了使本发明的装置结构、技术方案和装配原理更加清晰，以下结合附图及实施，对本发明进行进一步详细说明。
为了实现上述目的本发明提供了一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，具体的，如图1所示为本系统结构图，4根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）（2.1、2.2、2.3、2.4）一端分别用4颗m6全螺纹螺柱（长16mm）固定于（1）光学平台上，（12）位移台固定板用4颗m6螺栓（长20mm）固定于（2）4根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）（2.1、2.2、2.3、2.4）的顶端，（13）二维位移台利用m3螺钉固定在（12）位移台固定板上。1根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）（2.5）用于支撑（5）倒置数码显微镜，其镜头位于（13）二维位移台正下方，将（5）倒置数码显微镜连接电脑，便可以获得微流控芯片通道的下视图。（5）倒置数码显微镜所用的不锈钢圆柱支撑杆（2.5）和其它3根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）（2.6、2.7、2.8）的顶端利用4颗m6螺栓（长30mm）固定（6）导轨，将（7）滑块的（7-4）轨道支撑槽对准（6）导轨的（6-3）轨道槽并放入（9）8.2mm钢珠，在（7）滑块两端利用8颗m3 螺栓（长10mm）安装（8）滑块挡板，使（7）滑块可以在（6）导轨上自由滑动，（11）侧向数码显微镜固定于（7）滑块上随（7）滑块移动；同理，（14）光源滑块以同样方式安装在（6）导轨上，（15）套筒利用1颗m6全螺纹螺柱（长16mm）固定在（14）光源滑块上，（17）LED光源固定在（16）套杆上，将（16）套杆放入（15）套筒的（15-1）固定孔且（17）LED光源正对（11）侧向数码显微镜的镜头，旋紧（15-2）套筒顶针，便可以在电脑上显示微流控通道的侧视图。便可以在电脑上显示微流控通道的侧视图。当需要对微流控芯片的目标位置进行成像时，可以通过旋紧（7-10）顶针将（7）滑块固定在（6）导轨的目标位置，实现对微流控芯片侧向目标位置的成像。
具体的，8根（2）光学支撑杆的一端利用8颗m6全螺纹螺柱（长16mm）固定于（1）光学平台上。
具体的，（12）位移台固定板通过4颗m6螺栓（长20mm）固定在（2.1、2.2、2.3、2.4）光学支撑杆的顶端。
具体的，（13）二维位移台通过2颗m3螺钉（长10mm）固定在（12）位移台固定板上。
具体的，为了使微流控芯片通道与（5）倒置数码显微镜的距离满足（5）倒置数码显微镜景深的要求，将（13）二维位移台拆卸，在底板上切割出135mm*110mm的通光孔，使倒置显微镜的镜头可以紧贴二维位移台的载物台（玻璃片）。
具体的，（5）倒置数码显微镜通过（3）数码显微镜固定件和（4）数码显微镜连接固定架，固定在（2.5）光学支撑杆上，且位于（13）二维位移台的正下方。（2.5）光学支撑杆到光学支撑杆（2.3）和（2.4）的垂直距离为75mm。
具体的，（6）导轨通过30mm长m6螺栓固定于光学支撑杆（2.5）、（2.6）、（2.7）和（2.8）的顶端。（2.6）光学支撑杆距离（2.1）光学支撑杆的水平和垂直距离均匀75mm，（2.7）光学支撑杆距离（2.2）光学支撑杆的水平和垂直距离均匀75mm。
具体的，（6）导轨和（7）滑块之间通过通过直径为8.2mm的（9）钢珠滚动配合，内侧6颗钢珠，外侧7颗钢珠。（8）滑块挡板通过m3螺栓固定于（7）滑块两侧，防止（9）钢珠在运动过程中滑出支撑槽。
具体的，（14）光源滑块与（6）导轨的配合方式与（7）滑块和（6）导轨的配合方式相同。
具体的，（11）侧向数码显微镜通过（10）数码显微镜支撑架固定于（7）滑块上，随（7）滑块绕微流控芯片做圆周运动，将（11）侧向数码显微镜连接电脑，便可以获得微流控芯片通道内的侧视图。
具体的，当需要观察微流控芯片的某一位置时，可以通过旋紧（7-10）顶针将（7）滑块固定在（6）导轨的某一位置，实现对微流控芯片侧向特定位置的观察。
在实际使用时，将微流控芯片连同微流控芯片夹具固定在（13）二维位移台上，移动（13）二维位移台使微流控芯片的观测位置位于（5）数码显微镜视野的中心位置，调节（4）数码显微镜连接固定架，使看到的视野清晰明亮。再移动（7）滑块，使（11）侧向数码显微镜镜头对准微流控芯片被观测位置，调节（10）数码显微镜支撑架，使电脑显示屏中的视野清晰明亮。最后，旋紧（7-10）顶针，使（11）侧向数码显微镜固定在该观测位置处。
根据在实际实验中的应用表明，一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置对微流控芯片下视图的视野采集面积为135mm*110mm，在侧向可以实现360度任意角度位置处的成像。
Claims (5)
1.本发明提出一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，由倒置成像单元、侧向成像单元和照明单元组成；倒置成像单元包括：倒置数码显微镜、二维位移台、位移台固定板、4根不锈钢圆柱支撑杆（长300mm直径25mm）、4颗m6全螺纹螺柱（长16mm）、4颗m6螺栓（长20mm）、2颗m3螺钉（长10mm）；侧向成像单元包括：导轨、滑块、2片滑块挡板、侧向数码显微镜、4根长300mm直径25mm的光学支撑杆和13颗直径8.2mm的钢珠、4颗m6全螺纹螺柱（长16mm）、4颗m6螺栓（长30mm）、2颗m6螺栓（长16mm）、8颗m3螺栓（长10mm）；照明单元包括：光源滑块、2片滑块挡板、套筒、套杆、LED光源、1颗m6全螺纹螺柱（长16mm）。
2.如权利要求书1所述的一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，特征在于：在倒置成像单元中将传统的数码显微镜改装为（5）倒置数码显微镜，4根长300mm直径25mm光学支撑杆（2.1、2.2、2.3、2.4）支撑（12）位移台固定板，（13）二维位移台利用m3螺钉固定在（12）位移台固定板上；1根长300mm直径25mm支撑杆（2.5）用于支撑（5）倒置数码显微镜，其镜头位于（13）二维位移台正下方，将（5）倒置数码显微镜连接电脑，便可以获得微流控通道的下视图。
3.如权利要求书1所述的一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，特征在于：侧向成像单元中，（5）倒置数码显微镜所用的光学支撑杆（2.5）和其它3根长300mm直径25mm光学支撑杆（2.6、2.7、2.8）的顶端利用m6螺栓固定（6）导轨，将（7）滑块的（7-4）轨道支撑槽对准（6）轨道的（6-3）轨道槽并放入（9）8.2mm钢珠，在（7）滑块两端安装（8）滑块挡板，使（7）滑块可以在（6）导轨上自由滑动，（11）侧向数码显微镜固定于（7）滑块上随（7）滑块移动，便可以在电脑上看到微流控通道的侧视图；当需要观察微流控芯片的某一位置时，可以通过旋紧（7-10）顶针将（7）滑块固定在（6）导轨的某一位置，实现对微流控芯片侧向特定位置的观察。
4.根据权利要求3所述的一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，其特征在于：（6）轨道中（6-1）轨道承重板的内径为258mm，外径为342mm，厚度为5mm；（6-2）轨道下支撑板的内径为280mm，外径为320mm，厚度为8mm；（6-3）轨道槽的内径为290mm，外径为310mm，厚度为8.2mm；（6-4）轨道上支撑板的尺寸和（6-2）轨道下支撑板的尺寸相同。
5.根据权利要求3所述的一种用于微流控芯片通道可视化的显微成像装置，其特征在于：（7）滑块中（7-1）滑块连接平台的内径为258mm，外径为342mm，厚度为5mm；（7-2）滑块外侧上支撑板的内径为321mm，外径为342mm，厚度为15mm；（7-3）滑块内侧上支撑板的内径为258mm，外径为279mm，厚度为15mm；（7-4）轨道支撑槽的内径为273.8 mm，外径为326.2mm，厚度为8.2mm；（7-5）滑块外侧下支撑板的内径为321mm，外径为342mm，厚度为5mm；（7-6）滑块内侧下支撑板的内径为258mm，外径为279mm，厚度为5mm。
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2021
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