本發(fā)明涉及輻射損傷評估技術，特別是一種基于微流控芯片的輻射損傷評估裝置及其評估方法。

背景技術：

隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，未來我國空間站需要由長期在軌的航天員執(zhí)行工程任務?？臻g環(huán)境是具有復雜輻射和微重力等復合的極端環(huán)境，空間輻射包含原子序數(shù)1-92各元素成分的粒子輻射，能量從幾個電子伏到超過1022電子伏。為了保證宇航員的身體安全和對輻射產生的生命物質損傷和遺傳變異的研究，空間輻射損傷評估已經成為航天醫(yī)學領域中首要的問題。指示生物監(jiān)測法是一種借助指示生物進行空間輻射損傷評估的方法，而秀麗隱干線蟲有各種研究的突變體，是最好的模式生物。

目前用于空間輻射損傷評估的裝置主要有：商用化流式細胞儀和共聚焦顯微鏡。

流式細胞儀是一種衛(wèi)生醫(yī)療器械，主要用于對細胞懸液中的細胞或細胞器進行快速測量，通過對測量區(qū)產生的光和電信號的收集和分析，測定細胞的物理特性和生化特性，在細胞生物學、免疫學、腫瘤學、血液學、遺傳學和病理學臨床檢測等領域有十分廣泛的用途。

共聚焦顯微鏡采用的是激光掃描共聚焦顯微術，激光掃描共聚焦顯微術是先進的分子和細胞生物學研究技術。它在熒光顯微成像的基礎上加裝激光掃描裝置，結合數(shù)據(jù)化圖像處理技術，采集組織和細胞內熒光標記圖像，在亞細胞水平觀察鈣等離子水平的變化，并結合電生理等技術觀察細胞生理活動與細胞形態(tài)及運動變化的相互關系。由于它的廣泛應用，已成為形態(tài)學、分子細胞生物學、神經科學和藥理學等研究領域中很重要的研究技術。

綜上分析，目前空間輻射損傷評估大部分方法存在著只能對細胞或單細胞生物進行測量，不能對多細胞生物的輻射損傷進行評估的問題，并且這些儀器結構龐大、結構復雜、操作復雜、價格昂貴、不能集成便攜、無法現(xiàn)場檢測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種既能對多細胞生物的輻射損傷進行評估，又結構簡單、操作簡單、價格低廉、便于攜帶進行現(xiàn)場檢測的基于微流控芯片的輻射損傷評估裝置及其評估方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

基于微流控芯片的輻射損傷評估裝置，包括熒光采集組件、明場采集組件、光源、微流控芯片、電源供電組件、數(shù)據(jù)處理組件和微控制器，所述微流控芯片分別與熒光采集組件的輸入端、明場采集組件的輸入端和微控制器的輸出端連接，所述數(shù)據(jù)處理組件分別與熒光采集組件和明場采集組件的輸出端連接；所述光源與熒光采集組件連接；所述電源供電組件分別與光源、微控制器和數(shù)據(jù)處理組件的輸入端相連；

所述熒光采集組件包括熒光顯微物鏡、分色鏡、綠色濾光片、平凸透鏡、雙凸透鏡和熒光檢測組件，所述熒光顯微物鏡通過光路依次與分色鏡、綠色濾光片、平凸透鏡、雙凸透鏡和熒光檢測組件串聯(lián)，熒光采集組件用于得到線蟲的熒光圖像、熒光波長和熒光強度；

所述明場采集組件包括顯微物鏡、平凸透鏡、雙凸透鏡和CCD，所述顯微物鏡通過光路依次與平凸透鏡、雙凸透鏡和CCD串聯(lián)，明場采集組件用于得到線蟲的明場圖像；

所述微控制器用于控制電場力的大小和方向；

所述微流控芯片由基片和固定在基片上的涂層組成，所述基片為玻璃片，所述涂層為聚二甲基硅氧烷涂層，所述涂層表面設有培養(yǎng)液池、樣品池、廢液池；培養(yǎng)液池通過通道Ⅰ與樣品池相連，樣品池通過通道Ⅱ與廢液池相連；培養(yǎng)液池和廢液池分別與微控制器相連；

所述通道Ⅱ從樣品池到廢液池為由寬逐漸過渡到窄的檢測通道，其窄端尺寸小于線蟲最小尺寸。

本發(fā)明所述電源供電組件為整個裝置供電。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理組件用于處理明場圖像、熒光圖像、熒光波長和熒光強度；數(shù)據(jù)處理組件通過明場圖像得到線蟲身體的外部特征，外部特征包括線蟲輪廓面積、縱橫比和扭動頻率；數(shù)據(jù)處理組件通過熒光圖像得到線蟲身體的發(fā)光特征，發(fā)光特征包括線蟲發(fā)光位點的灰度值、所有發(fā)光位點的總灰度值和發(fā)光位點的數(shù)目；數(shù)據(jù)處理組件通過明場圖像和熒光圖像二者結合得出線蟲發(fā)光位點的分布特性、單位面積上的灰度值。

基于微流控芯片的輻射損傷評估裝置的評估方法，包括如下步驟：

A、將線蟲加入樣品池，將培養(yǎng)液加入培養(yǎng)液池；

B、打開電源，微控制器控制電場力驅動樣品池中線蟲進入檢測通道，同時通過通道I更新樣品池的培養(yǎng)液；

C、由熒光采集組件和明場采集組件分別對線蟲進行數(shù)據(jù)采集，明場采集組件得到線蟲的明場圖像，熒光采集組件得到線蟲的熒光圖像、熒光波長和熒光強度，數(shù)據(jù)處理組件通過明場圖像得到線蟲身體的外部特征，外部特征包括線蟲輪廓面積、縱橫比和扭動頻率；數(shù)據(jù)處理組件通過熒光圖像得到線蟲身體的發(fā)光特征，發(fā)光特征包括線蟲發(fā)光位點的灰度值、所有發(fā)光位點的總灰度值和發(fā)光位點的數(shù)目；數(shù)據(jù)處理組件通過結合明場圖像和熒光圖像得出線蟲發(fā)光位點的分布特性、單位面積上的灰度值；

D、采集后，微控制器控制電場力反向驅動線蟲回到樣品池；通過數(shù)據(jù)處理組件分析是否得到足夠數(shù)據(jù)采集量，如果得到足夠數(shù)據(jù)采集量，則檢測結束，轉步驟F；否則，轉步驟E；

E、將線蟲培養(yǎng)一段時間，再返回步驟B重新檢測；

F、數(shù)據(jù)處理組件對線蟲輻射損傷程度進行評估；評估方法包括以下步驟：

F1、通過熒光波長評估線蟲的輻射損傷程度，熒光波長越短代表線蟲的輻射損傷程度越嚴重；

F2、通過熒光強度評估線蟲的輻射損傷程度，熒光強度越強代表線蟲的輻射損傷程度越嚴重；

F3、通過發(fā)光位點的數(shù)目評估線蟲的輻射損傷程度，發(fā)光位點的數(shù)目越大代表線蟲的輻射損傷程度越嚴重；

F4、通過發(fā)光位點的灰度值評估線蟲的輻射損傷程度，灰度值越大代表線蟲的輻射損傷程度越嚴重；發(fā)光位點的灰度值是指熒光圖像中發(fā)光位點處的像素灰度值；

F5、通過單位面積上的灰度值評估線蟲的輻射損傷程度，灰度值越大代表線蟲的輻射損傷程度越嚴重；單位面積上的灰度值是指總灰度值與輪廓面積的比值，由熒光圖像得出線蟲所有發(fā)光位點的總灰度值，由明場圖像得出線蟲圖像輪廓內的面積、簡稱輪廓面積；

F6、通過線蟲發(fā)光位點的分布特性評估線蟲的輻射損傷部位及其輻射損傷程度；發(fā)光位點的分布特性為通過熒光圖像得出的線蟲發(fā)光位點和明場圖像得出的線蟲圖像輪廓二者結合得出的發(fā)光位點在圖像輪廓內的分布情況；

F7、通過線蟲扭動頻率和縱橫比兩個指標的綜合分析評估線蟲的活性；

F8、通過線蟲輪廓面積和縱橫比兩個指標綜合分析評估線蟲所處的時期，所述時期包括dauer期、幼蟲期和成蟲期。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明有益效果為：

1、由于本發(fā)明采用明場采集組件和熒光采集組件的結合，因此可以準確得到明場圖像、熒光圖像和熒光波長，操作簡單，克服了傳統(tǒng)方法中單一功能的缺陷帶來的誤差。

2、由于本發(fā)明在樣品池加入線蟲后，后續(xù)步驟都是智能化完成，不需要任何專業(yè)化知識，因此，不需要專業(yè)化人員的操作，步驟少，操作簡單，解決了樣品處理繁瑣的問題。

3、由于本發(fā)明采用微流控芯片作為樣品輻射損傷評估檢測的微平臺，而相關的檢測設備亦可采用體積較小的結構形式，因此，相對于現(xiàn)有大型檢測設備，本發(fā)明具有體積小、重量輕、成本低、樣品用量少、便于攜帶、能夠進行手持用于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點。

4、本發(fā)明克服了現(xiàn)有輻射損傷評估方法中存在的無法現(xiàn)場檢測、檢測設備昂貴、樣品處理繁瑣、樣品用量多帶來的普適性和誤差等問題，從根本上解決輻射損傷評估問題。這將對于環(huán)境科學、航空領域以及醫(yī)學領域具有重要的科學意義和現(xiàn)實價值。

5、由于線蟲的扭動頻率和縱橫比都可以表示線蟲的活性，本發(fā)明通過對線蟲扭動頻率和縱橫比兩個指標的分析，可以更加準確的評估線蟲的活性。

6、由于線蟲的輪廓面積和縱橫比都可以得出線蟲所在時期，本發(fā)明通過對線蟲輪廓面積和縱橫比兩個指標的分析，可以更加準確得出線蟲所在的時期。

附圖說明

本發(fā)明共有附圖2幅，其中：

圖1為本發(fā)明的評估裝置結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的微流控芯片結構示意圖。

其中：1、明場采集組件，2、熒光采集組件，3、微流控芯片，4、光源，5、微控制器，6、電源供電組件，7、數(shù)據(jù)處理組件，8、培養(yǎng)液池，9、樣品池，10、廢液池，11、通道Ⅰ，12、通道Ⅱ(檢測通道)。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地說明。如圖1-2所示，

本發(fā)明的基本工作原理如下：

本發(fā)明在微流控芯片3上設置了通道Ⅰ11和通道Ⅱ12，通道Ⅰ11是用來更新培養(yǎng)液的，通道Ⅱ12是由寬逐漸過渡到窄的通道，在電場力的驅動下線蟲進入通道Ⅱ12，但是通道Ⅱ12尾端比較窄，線蟲過不去，也就停留在這里，便于檢測；因此通道Ⅱ12是檢測通道。而且線蟲生存需要食物、氧氣等物質，因此培養(yǎng)液就是提供這些因素的，以便線蟲可以長時間生存，便于檢測。

在微流控芯片3中檢測時，在培養(yǎng)液池8中加入培養(yǎng)液，在樣品池9中加入線蟲，微控制器5驅動樣品池9中的線蟲進入檢測通道，并使線蟲固定在檢測通道中，同時更新培養(yǎng)液，待檢測完畢后，微控制器5反向驅動線蟲回到樣品池9中，一次檢測完畢。微流控芯片3具有使線蟲長時間培養(yǎng)和定期重復檢測的功能。微流控芯片3的檢測通道是一個從樣品池9到廢液池10由寬逐漸過渡到窄的過程，在微控制器5的作用下驅動線蟲進入檢測通道，使線蟲停留在檢測通道中，并使線蟲身體展開，便于處理其特征。

檢測時，光源4從側方照射經過光采集組件中的分色鏡反射到線蟲上，此時，光線透過線蟲成為明場采集組件1的光源，另一方面光照射到線蟲上激發(fā)線蟲發(fā)出熒光，因此也是熒光采集組件2的光源，由此可以看出本發(fā)明的獨特之處，利用一個光源4，巧妙地將熒光采集組件2和明場采集組件1結合在了一起。檢測結果分成兩路信號：一路為線蟲明場圖像檢測信號，另一路為線蟲熒光圖像和熒光波長檢測信號，兩種方式同時進行，相互獨立。同時獲得的同一線蟲兩路檢測信號可用于同時分析，以準確獲得線蟲輻射損傷程度。

微控制器5控制培養(yǎng)液池8與廢液池10之間產生電壓，通過電場力驅動樣品池9中任意一條線蟲，進入檢測通道，由熒光采集組件2和明場采集組件1進行數(shù)據(jù)采集，采集后，微控制器5控制電場力方向反向，驅動線蟲回到樣品池9，一次檢測完畢。

明場采集組件1工作流程為：明場數(shù)據(jù)經顯微物鏡放大→平凸透鏡再次放大→雙凸透鏡聚焦→由CCD進行數(shù)據(jù)采集→傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理組件7處理。

熒光圖像采集組件2工作流程為：線蟲產生的熒光數(shù)據(jù)經熒光顯微物鏡放大→綠色濾光片濾出雜光數(shù)據(jù)→平凸透鏡再次放大→雙凸透鏡聚焦→由熒光檢測組件進行數(shù)據(jù)采集→傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理組件7處理。