基于双光路的微流控芯片单细胞自动分析装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于微流控芯片自动检测的激光诱导荧光双光路装置，包括双光路光学单元、数据采集单元、数据处理单元、微流控电源、光路控制单元。其特征是光路中的所有元件位置均固定，仅通过旋转光路转换盘，即可改变激光传播方向，使其在进样阶段和检测阶段分别沿两个不同的光路传播，从而实现单一激光器在单细胞选取和细胞组分激光诱导荧光检测两个功能间的自动转换。本装置适用于单细胞自动分析，可自动完成单细胞进样、溶膜、分离、检测全过程，重复性好、精密度高。
【专利说明】基于双光路的微流控芯片单细胞自动分析装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及微流控芯片单细胞自动分析技术，特别是涉及一种基于双光路的微流控芯片单细胞自动分析装置。
【背景技术】
[0002]单细胞分析无论对于疾病的早期诊断和治疗还是药物的设计和副作用控制都具有潜在的重要意义。因此研究高效、简便的单细胞分析方法和仪器，在临床实践中显得尤为重要。单细胞组分分析通常包括细胞进样、衍生、溶膜、分离及检测等多个步骤，操作较复杂。尽管微芯片以其网络通道结合微阀、微泵在单细胞操控方面取得了一些成果，实现了单细胞分析的所有步骤集成在一块微流控芯片上完成。但是，对单细胞进样和溶膜等步骤的操作，仍需依靠实验人员借助显微镜利用各种细胞操控技术手动完成。之后，才能利用激光诱导荧光检测装置进行细胞组分检测。
[0003]现有的用于单细胞分析的微流控芯片激光诱导荧光检测装置是单光路结构，其基本原理是:激光器固定在倒置显微镜一侧。激发光经空间滤波扩束器到达二色分光镜，被反射至芯片微通道，并聚焦成直径几十微米的光斑。被测细胞或组分经过光斑受到激发，发射光经二色分光镜到达倒置显微镜光学聚焦系统，并被反射至探测针孔，经长波滤光片进入光电倍增管。光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子，光电子经由连接于光电倍增管的微光测量仪收集并转换成电信号输出到记录仪。由于现有检测装置是单光路结构，激光光斑位置固定，如需检测不同区域的目标，则需手工移动被测物，操作复杂、费时，且不易重复。以十字型通道芯片上的单细胞分析为例，在单细胞进样阶段，需先在明视场下，将通道交叉区域置于显微镜视野，利用微流控技术手动操控细胞，将单个细胞从大量细胞基体中捕捉出来，输送到分离通道，进行溶膜。然后需迅速将分离通道末端检测点置于显微镜视野并迅速将明视场转为暗视场，再利用芯片毛细管电泳进行组分分离和激光诱导荧光检测。
[0004]因此，现有的单光路装置不易实现连续和自动检测，存在装置复杂、手工操作繁琐、效率低、重现性差等问题，不易被更多实验人员所掌握。同时也影响了微分析系统在单细胞分析领域的进一步发展。而用于单细胞自动分析的装置还未见专利和相关文献报道。
【发明内容】
[0005]为了克服现有单细胞分析装置的缺点，提高检测效率及实验重现性、简化仪器装置，本实用新型提供一种使激光光束在进样通道和分离通道自动切换的双光路装置，本实用新型还提供与之配合的微流控电源装置以及数据采集和处理接口。
[0006]本实用新型的技术解决方案如下:
[0007]—种用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征是包括双光路光学单元、数据采集单元、微流控电源、光路控制单元:其中:双光路光学单元中的光电倍增管(119)的输出端与数据采集单元中的放大电路(2)连接；数据采集单元中的模数转换器(3)通过RS232接口与数据处理单元(4)连接；数据处理单元(4)的输出经RS232接口与直流高压电源(5)连接；数据处理单元(4)的输出经RS232接口与光路控制单元的数模转换器
(6)连接，控制伺服电机(7)驱动光路转换盘(102)。
[0008](I)双光路光学单元:包括激光光源、光路转换盘、平面反射镜组、显微镜物镜组、样品台、聚光透镜组、凹面反射镜、针孔、长波通滤光片、光电倍增管。光路中的所有元件位置均固定，仅通过一个可旋转的光路转换盘，改变激光传播方向。转换盘由伺服电机推动，初始位置和终止位置各设一圆孔和反射镜，两者成90°放置。进样阶段转换盘旋转至初始位置，激光直接穿过圆孔，经过一组平面反射镜反射并由物镜聚焦，到达芯片上通道交叉区域，用作单细胞进样。单细胞进样后，转换盘被旋转至终止位置，激光被盘上的反光镜反射至盘外反射镜组，经过三次反射并由另一物镜聚焦，到达芯片上分离通道末端检测点位置，用作单细胞组分激光诱导荧光检测。两路产生的荧光经各自光路的平面反射镜均可被反射到同一个针孔和长波通滤光片，最后至光电倍增管。
[0009](2)数据采集单元:所述光电倍增管的输出端连接放大电路、模数转换器和RS232接口与数据处理单元相连。
[0010](3)微流控电源:所述数据处理单元的输出经RS232接口与直流高压电源连接，程序控制电源施加夹流电压于通道内样品溶液，完成单细胞进样。
[0011](4)光路控制单元:所述数据处理单元的输出经RS232接口、数模转换器、伺服电机驱动光路转换盘旋转90°，激光光斑被置于检测点位置。
[0012](5)数据处理单元:处理所述的数据采集单元的数据；程序控制所述的微流控电源；程序控制所述的光路控制单元。
[0013]优选的，所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的光源为激光光源，该激光光源安装在卡槽内，由卡槽精确定位，拆卸方便，可根据需要更换不同波长激光器。
[0014]优选的，所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的所有光学元件位置均固定，仅通过一个可旋转的光路转换盘，改变激光传播方向。
[0015]优选的，所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的光路转换盘由电机带动，绕轴心旋转，转换盘边缘处成90度角位置，分别设置一圆孔和一反射镜，以直接透过或反射激光。
[0016]优选的，所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的样品台为三维微调工作台，可手动微调芯片位置，辅助对焦。移动范围(Γ13 _，精度0.001 _。
[0017]优选的，所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的数据处理单元具有数据采集处理程序、微流控电源控制程序和光路控制程序。数据处理单元可以是计算机，也可以是具有数据处理功能的芯片等。
[0018]本实用新型微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置的特点和优点:
[0019]1.本实用新型的双光路设计，通过光路转换，使单一激光光源在进样阶段和检测阶段分别沿两个不同的光路传播，从而实现单一激光器在激光阀门与激光诱导荧光激发光源两个功能间的自动转换；
[0020]2.所述的数据处理单元可处理所述的数据采集单元所采集的数据，根据此数据控制所述的微流控电源和光路控制单元，从而实现单细胞自动分析；
[0021]3.所述的激光光源可根据需要更换为不同波长的激光光源。
[0022]综上，本装置各单元的协同工作，实现了单细胞各个分析步骤的自动连续进行，提高了工作效率，克服了手动操作的不利因素，重现性好、精确度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本实用新型微流控芯片单细胞自动分析双光路装置结构框图。
[0024]图2是本实用新型双光路光学单元结构示意图。
[0025]图3是本实用新型单细胞自动分析示意图。
[0026]1:双光路光学单元101:激光光源102:光路转换盘
[0027]103?105，109，111 ?112，116:平面反射镜
[0028]106、113:显微镜物镜 107、114:聚光透镜108、115:半透半反镜
[0029]110:凹面反射镜117:针孔118:长波通滤光片
[0030]119:光电倍增管120:样品台
[0031]2:放大电路3:模数转换器4:数据处理单元
[0032]5:直流高压电源6:数模转换器7:伺服电机
[0033]8:微流控芯片。
【具体实施方式】
[0034]实施例1
[0035]以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0036]参阅图1和图2，本实用新型是一种用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其构成包括:
[0037]I)双光路光学单元1:微流控芯片8置于样品台(120)。初始阶段即单细胞进样阶段光路，光源(101)发出的光束沿OX轴穿过光路转换盘(102)上的圆孔，经平面反射镜(103?105)反射至显微镜物镜(106)，其中103、104法线在XOZ面内平行且与OX轴成45°角，平面反射镜(105)法线在XOY面内且与OX轴成135°角。激光光束在通道交叉点经显微镜物镜(106)聚焦成直径1(Γ20 μ m的光斑，当预先进行荧光标记的单个细胞流经激光光斑，发出荧光。荧光和激光经聚光透镜(107)汇聚到达半透半反镜(108)，半透半反镜(108)与平面反射镜(105)法线在XOY面内垂直。在此，激光透过半透半反镜(108)，而荧光被反射至平面反射镜(109)，平面反射镜(109)法线在XOZ面内且与OX轴成45°角。然后，荧光被反射至凹面反射镜(110)，凹面反射镜(110)法线与OX轴平行，将荧光平行反射至针孔(117)。荧光经过针孔(117)过滤并透过长波通滤光片(118)，最终到达光电倍增管(119)。
[0038]终止阶段即检测阶段光路，光路转换盘旋转90°，光源(101)发出的光束沿OX轴到达光路转换盘(102)，被光路转换盘(102)上的平面反射镜反射而改变方向至平面反射镜(111)，经与进样阶段平行的光路到达芯片通道检测点位置，激发的荧光经与进样阶段平行的光路最终到达光电倍增管(119)。详见图2。
[0039]2)数据采集单元:所述光电倍增管(119)的输出端连接放大电路(2)、模数转换器
(3)和RS232接口与数据处理单元(4)相连。
[0040]3)直流高压电源:所述数据处理单元(4)的输出经RS232接口与直流高压电源(5 )连接，程序控制电源施加夹流电压于通道内样品溶液，完成单细胞进样。
[0041]4)光路控制单元:所述数据处理单元(4)的输出经RS232接口、数模转换器(6)、伺服电机(7)驱动光路转换盘旋转90°，激光光斑被置于微流控芯片(8)分离通道末端检测点位置。
[0042]5)数据处理单元:处理所述的数据采集单元的数据；程序控制所述的直流高压电源(5)执行进样阶段的单细胞进样和检测阶段的芯片毛细管电泳分离；程序控制所述的光路控制单元。
[0043]所述的用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的激光光源(101)，由卡槽精确定位，拆卸方便，可根据需要更换不同波长激光器。
[0044]所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的所有光学元件均精确定位，仅通过一个可旋转的光路转换盘(102)，改变激光传播方向。
[0045]所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的光路转换盘(102)由伺服电机(7)带动，绕轴心旋转，转换盘边缘处成90度角位置，分别设置一圆孔和一反射镜，以直接透过或反射激光。
[0046]所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的样品台(120)为三维微调工作台，可手动微调芯片(8)位置，辅助对焦。移动范围(Γ13 mm，精度0.001 mm。
[0047]所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置中的数据处理单元(4)具有数据采集处理程序、微流控电源控制程序和光路控制程序。
[0048]本实用新型的工作过程包括:
[0049]1.开启激光光源(101)，双光路光学单元(1)，数据处理单元(4)等。
[0050]2.微流控芯片(8)置于样品台(120)，微调样品台，激光光斑在微通道内精确聚焦。
[0051]3.注入细胞悬液，直流高压电源(5)，施加一组电压如图3A所示，使细胞成单行由样品池S流向样品废液池SW，同时缓冲溶液由B和BW流向SW，形成夹流。当细胞流经激光光斑，产生荧光，信号由光电倍增管(119)接收，经放大电路(2)，模数转换器(3)送数据处理单元(4)处理。数据处理单元(4)根据信号大小判断是否为单细胞，如否，不做动作；如是，则启动伺服电机(7)以及调整直流高压电源(5)。
[0052]4.如3所述，数据处理单元(4)启动伺服电机(7)，推动光路转换盘(102)旋转90°角，激光光斑被转换至微流控芯片(8)分离通道末端检测点位置，如图3B所示。
[0053]5.如3所述，数据处理单元(4)调整直流高压电源(5)，输出一组溶膜和分离电压，完成单细胞选取、溶膜和组分分离。
[0054]6.单细胞组分在微流控芯片(8)分离通道末端检测点被激光激发，荧光信号由光电倍增管(119)接收，经放大电路(2)，模数转换器(3)送数据处理单元(4)处理，输出结果。
【权利要求】
1.一种用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其构成包括双光路光学单元、数据采集单元、微流控电源、光路控制单元；其中:双光路光学单元中的光电倍增管(119)的输出端与数据采集单元中的放大电路(2)连接；数据采集单元中的模数转换器(3)通过RS232接口与数据处理单元(4)连接；数据处理单元(4)的输出经RS232接口与直流高压电源(5)连接；数据处理单元(4)的输出经RS232接口与光路控制单元的数模转换器(6)连接，控制伺服电机(7)驱动光路转换盘(102)； 双光路光学单元(I):包括初始阶段即单细胞进样阶段光路和检测阶段光路: 其中:单细胞进样阶段光路，包括激光光源(101)、光路转换盘(102)、平面反射镜组(103?105，109)、显微镜物镜(106)、聚光透镜(107)、半透半反镜(108)、凹面反射镜(110)、针孔(117)、长波通滤光片(118)、光电倍增管(119)、样品台(120);沿光源(101)发出光束的前进方向即OX轴方向，依次是光路转换盘(102)上的圆孔，平面反射镜(103)且平面反射镜(103)法线在XOZ平面内与OX轴成30°?60°角；平面反射镜(104)法线在XOZ面内与平面反射镜(103)法线平行，方向相反，距离2(T30 mm;平面反射镜(105)法线在XOY面内且与OX轴成130°?160°角；显微镜物镜(106)聚焦激光光束成直径1(Γ20 μ m的光斑，预先进行荧光标记的单个细胞在微流控芯片(8)通道交叉点流经激光光斑，发出荧光；聚光透镜(107)置于微流控芯片(8)上方，汇聚荧光和激光；半透半反镜(108)与平面反射镜(105)法线在XOY面内垂直；平面反射镜(109)置于沿半透半反镜(108)反射的荧光前进方向且法线在XOZ面内与OX轴成30°?60°角；凹面反射镜(110)法线在XOZ面内且与OX轴平行，将荧光平行反射；沿凹面反射镜(110)反射的荧光方向依次是针孔(117)、长波通滤光片(118)、光电倍增管(I 19)； 检测阶段光路，包括激光光源(101)、光路转换盘(102)、平面反射镜组(Ilf 112，116)、显微镜物镜(113)、聚光透镜组(114)、半透半反镜(115)、凹面反射镜(110)、针孔(117)、长波通滤光片(118 )、光电倍增管(119 )、样品台(120 );光路转换盘旋转30°、0°，沿光源(101)发出光束的前进方向即OX轴方向，是光路转换盘(102)上的平面反射镜；光路转换盘(102)上的平面反射镜法线在XOZ平面内与OX轴成30°飞0°角；光路转换盘(102)上的平面反射镜将激光反射至平面反射镜(111)，平面反射镜(111)法线在XOZ面内与光路转换盘(102)上的平面反射镜法线平行，方向相反，距离2(T30 mm;平面反射镜(112)、显微镜物镜(113)、聚光透镜(114)、半透半反镜(115)的位置、方向分别对应于初始光路上的元件；平面反射镜(116)法线在XOZ面内与(109 )法线垂直； 单细胞进样阶段光路和检测阶段光路共用原件有:激光光源(101)、光路转换盘(102)、凹面反射镜(110)、针孔(117)、长波通滤光片(118)、光电倍增管(119)、样品台(120);激光光源(101)发出的激光经光路转换盘(102)的偏转实现光路的转换；两个光路的发射光分别经凹面反射镜(110)汇聚，沿针孔(117)、长波通滤光片(118)，最终到达光电倍增管(I 19)； 数据采集单元:所述光电倍增管(119)的输出端连接放大电路(2)、模数转换器(3)和RS232接口与数据处理单元(4)相连； 直流高压电源:所述数据处理单元(4 )的输出经RS232接口与直流高压电源(5 )连接，程序控制电源施加夹流电压于通道内样品溶液，完成单细胞进样； 光路控制单元:所述数据处理单元(4)的输出经RS232接口、数模转换器(6)、伺服电机(7)驱动光路转换盘旋转90°，激光光斑被置于微流控芯片(8)分离通道末端检测点位置；数据处理单元:处理所述的数据采集单元的数据；程序控制所述的直流高压电源(5)执行进样阶段的单细胞进样和检测阶段的芯片毛细管电泳分离；程序控制所述的光路控制单元。
2.根据权利要求1所述的用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征在于，所述的激光光源(101),安装在卡槽内。
3.根据权利要求1所述的用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征在于，通过一个可旋转的光路转换盘(102)，改变激光传播方向。
4.根据权利要求1所述的用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征在于，双光路装置中的光路转换盘(102)由电机带动并绕轴心旋转；光路转换盘(102)边缘处成90度角位置，分别设置一圆孔和一反射镜。
5.根据权利要求1所述的用于微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征在于，双光路装置中的样品台为三维微调工作台，移动范围(Γ13 mm，精度0.001 mm。
6.根据权利要求1至5任一项所述的微流控芯片单细胞自动分析的双光路装置，其特征在于所述的数据处理单元具有数据采集处理程序、微流控电源控制程序和光路控制程序。
【文档编号】G01N21/64GK203929785SQ201420233342
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】刘彧, 李金波, 陈奕冰, 简丹丹, 高健 申请人:齐鲁工业大学