一種基于微流控芯片粒子捕獲式的單粒子散射測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)與測(cè)量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于微流控芯片粒子捕獲式單粒子散射測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光散射作為一種重要特性廣泛應(yīng)用在生物、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域；光散射測(cè)量方面，有著多種方法，包括動(dòng)態(tài)光散射法、小角前向散射法、角散射法、全散射法等，而目前結(jié)合了微流控芯片技術(shù)進(jìn)行粒子散射測(cè)量的技術(shù)也有著多種手段。
[0003]—是基于CCD檢測(cè)的小角度散射特性(檢測(cè)對(duì)象小角度范圍內(nèi)散射場(chǎng)分布)的測(cè)量，利用光束質(zhì)量較好的激光器I作為光源，經(jīng)透鏡系統(tǒng)耦合光束到單模光纖中入射球形單粒子中，檢測(cè)端通過(guò)聚焦透鏡系統(tǒng)將散射光投射于CCD，以此來(lái)進(jìn)行散射特性測(cè)量。該技術(shù)的特點(diǎn)是利用CCD的靈敏度測(cè)量散射，反應(yīng)速度快，完成了單粒子小角度范圍內(nèi)散射分布的測(cè)量，基本符合理論預(yù)計(jì)曲線(xiàn)，同時(shí)利用了散射分布測(cè)量了粒子尺寸，但以上技術(shù)只是針對(duì)小角度散射特性的測(cè)量。二是利用光電倍增管11作為探測(cè)器對(duì)單個(gè)血紅細(xì)胞進(jìn)行了小角度散射分布的測(cè)量，同樣利用激光器作為光源，使用顯微鏡觀察光線(xiàn)入射情況，探測(cè)段使用光電倍增管11，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種不規(guī)則粒子-血細(xì)胞的散射分布測(cè)量，但同樣局限于小角度范圍內(nèi)的分布。三是通過(guò)測(cè)量群粒子的散射特性，使用同樣規(guī)格的球形粒子，通過(guò)近似后得到群粒子的散射場(chǎng)分布，這種手段近似過(guò)程中忽略了粒子相互的反射影響，沒(méi)有的得到單粒子散射的準(zhǔn)確分布情況。
[0004]微流控芯片作為一種在上個(gè)世紀(jì)九十年代開(kāi)始獲得關(guān)注的新興技術(shù)手段，近年來(lái)廣泛得到應(yīng)用。微流控芯片早期使用硅和玻璃做基底材料，后來(lái)轉(zhuǎn)移到聚合物，尤其是聚二甲硅氧烷。現(xiàn)在商業(yè)微流控芯片系統(tǒng)已有一些成功的應(yīng)用樣例。相比于大量化學(xué)溶液反應(yīng)過(guò)程，微流控芯片系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢(shì)。因其體積小，反應(yīng)速度快、樣本消耗量小、易于做成便攜設(shè)備用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。因此，微流控芯片可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，具體的應(yīng)用包括臨床快速診斷、細(xì)胞分析、核酸檢測(cè)、藥物代謝、蛋白質(zhì)代謝物組學(xué)、環(huán)境分析、空間探測(cè)領(lǐng)域。如三磷酸腺苷探測(cè)的相關(guān)應(yīng)用、水體亞硝酸鹽磷酸鹽金屬探測(cè)、海水PH監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明利用微流控芯片技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)光機(jī)電裝置，通過(guò)單粒子捕獲，從而測(cè)量得出單粒子散射場(chǎng)分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于測(cè)量單粒子在平面內(nèi)大角度范圍的散射場(chǎng)分布，旨在解決原有方案無(wú)法進(jìn)行大角度單粒子散射場(chǎng)測(cè)量的問(wèn)題；本發(fā)明的另一目的在于解決單粒子環(huán)境的建立和捕獲問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種單粒子散射測(cè)量裝置，包括光源、分光光路、測(cè)量對(duì)準(zhǔn)組件、探測(cè)組件，微流控芯片，其特征在于:
[0008]所述光源包括激光器和激光器調(diào)節(jié)具，激光器固定在激光器調(diào)節(jié)具上，由激光器調(diào)節(jié)具調(diào)整高度和垂直于光軸方向的橫向位置；
[0009]所述分光光路包含分光鏡和全反射鏡，分光鏡用于將激光器產(chǎn)生的激光分為主光路和參考光路，主光路穿過(guò)分光鏡，入射至微流控芯片上；參考光路折射至全反射鏡，經(jīng)全反射鏡反射到微流控芯片上，全反射鏡裝在全反鏡調(diào)節(jié)具上，通過(guò)調(diào)節(jié)具調(diào)整反射角度；
[0010]所述測(cè)量對(duì)準(zhǔn)裝置包含外圓盤(pán)、內(nèi)圓盤(pán)、比色皿、金屬絲、上定位圓片、下定位圓片、三軸調(diào)節(jié)具；其中內(nèi)圓盤(pán)和外圓盤(pán)上下相嵌，內(nèi)圓盤(pán)置于外圓盤(pán)的上方正中，兩者圓心重合，外圓盤(pán)置于工作平臺(tái)上，且可連同內(nèi)圓盤(pán)繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)；比色皿固定于內(nèi)圓盤(pán)中心；上定位圓片、下定位圓片分別嵌在比色皿頂部和底部，金屬絲通過(guò)上定位圓片的圓心，穿過(guò)比色皿圓軸中心，到下定位圓片圓心固定；
[0011]所述探測(cè)組件包括PMT、PIN管、示波器、顯微鏡和計(jì)算機(jī)；PIN管固定在參考光路上，用于接收全反射鏡反射的光；PMT通過(guò)PMT調(diào)節(jié)具固定于外圓盤(pán)上，通過(guò)PMT調(diào)節(jié)具調(diào)整其空間位置和角度，用于接收微流控芯片內(nèi)測(cè)試樣本的散射光，PMT、PIN管輸出端分別從不同輸入通道接入示波器；顯微鏡固定在外圓盤(pán)上，顯微鏡的物鏡對(duì)準(zhǔn)微流控芯片中心，顯微鏡輸出連接計(jì)算機(jī)，用于輔助觀察粒子捕獲情況；
[0012]所述微流控芯片結(jié)構(gòu)包括輸入流道、輸出流道和圓環(huán)流道，圓環(huán)流道一端垂直于開(kāi)口處切線(xiàn)方向延伸出作為輸入流道；圓環(huán)流道另一端垂直于開(kāi)口處切線(xiàn)方向延伸作為輸出流道；輸入流道和輸出流道平行，輸入流道和輸出流道通過(guò)連通管道連通，所述連通管道靠近輸入流道端口徑較大，靠近輸出流道端口徑較小，連通管道截面尺寸和形狀根據(jù)所要測(cè)量的粒子形狀大小選取，用于捕獲測(cè)量樣本的單粒子；連通管道的中心即為微流控芯片中心。
[0013]進(jìn)一步的，所述的單粒子散射測(cè)量裝置中，所述微流控芯片輸入流道端部分為多個(gè)子流道。
[0014]進(jìn)一步的，所述的單粒子散射測(cè)量裝置的微流控芯片是采用芯片模板，對(duì)抽真空、靜置后的聚二甲基硅氧烷進(jìn)行倒模、烤制而成；所述芯片模板是采用單晶硅材料，通過(guò)鉻板固定，經(jīng)光刻制作而成。
[0015]進(jìn)一步的，所述的單粒子散射測(cè)量裝置中，所述探測(cè)組件中的PMT前端設(shè)計(jì)了 4F光學(xué)系統(tǒng)，用于保證PMT的收光角度在1°內(nèi)；其中，所述的4F光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成由兩片焦距相同的凸透鏡和一小孔光闌組成，一透鏡前焦點(diǎn)與另一透鏡后焦點(diǎn)重合，小孔光闌置于重合的焦點(diǎn)上，三者處于同一光軸上；
[0016]工作時(shí)，分對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段進(jìn)行；
[0017]對(duì)準(zhǔn)階段，金屬絲通過(guò)上定位圓片的圓心，穿過(guò)比色皿圓軸中心，到下定位圓片圓心固定；激光器I產(chǎn)生激光，通過(guò)分光鏡和全反鏡，經(jīng)過(guò)主光路和參考光路，入射到比色皿中心的定位金屬絲；PMT接收金屬絲散射光信號(hào)顯示在示波器上；分別調(diào)整激光器位置和全反鏡位置，得到主光路上激光器和參考光路上全反射鏡位置與PMT接收光強(qiáng)關(guān)系，找到最大值位置處，完成激光器和全反鏡對(duì)準(zhǔn)工作；將微流控芯片置于比色皿中心，其通三軸調(diào)節(jié)具固定和調(diào)節(jié)位置，分別得到X、Y、Z軸位置與PMT接收光強(qiáng)關(guān)系，找到極大值位置；調(diào)節(jié)三軸調(diào)節(jié)具，使微流控芯片的連通管道處于三個(gè)極大值的位置，完成芯片對(duì)準(zhǔn)工作；
[0018]測(cè)量階段，參考光路位置安裝PIN管用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源強(qiáng)度，將測(cè)量樣本通過(guò)微流栗栗入微流控芯片，通過(guò)顯微鏡接入計(jì)算機(jī)，觀測(cè)微流控芯片的連接通道是否捕獲到單個(gè)粒子，是則進(jìn)行下面粒子散射分布測(cè)量；否則繼續(xù)栗送測(cè)量樣本，直至捕獲成功；捕獲成功后，在比色皿和微流控芯片內(nèi)部流道注入折射率與微流控芯片材料相同的透明液體，形成樣本芯片折射率的匹配；逐步旋轉(zhuǎn)外圓盤(pán)，改變固定在圓盤(pán)上PMT相對(duì)于主光路的角度，測(cè)量相應(yīng)的PMT輸出光強(qiáng)，得到粒子散射光的分布；通過(guò)微流栗移除捕獲的單粒子，重新進(jìn)行折射率匹配，重新進(jìn)行上面的測(cè)量，完成背景散射的分布測(cè)量；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，至此，完成測(cè)量階段的全部過(guò)程，得到單粒子散射的分布。
[0019]通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于結(jié)合了微流控芯片粒子捕獲技術(shù)，通過(guò)匹配能夠取得良好的單粒子環(huán)境，通過(guò)整套實(shí)驗(yàn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)大角度范圍內(nèi)單粒子散射分布的測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是系統(tǒng)整體裝置圖；
[0021]圖2a是準(zhǔn)備階段系統(tǒng)裝置俯視圖；
[0022]圖2b是準(zhǔn)備階段系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)裝置側(cè)視圖；
[0023]圖3a是測(cè)量階段系統(tǒng)裝置俯視圖；
[0024]圖3b是測(cè)量階段系統(tǒng)粒子裝置側(cè)視圖；
[0025]圖4是微流控芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖5是散射測(cè)量結(jié)果圖。
[0027]圖中，1-激光器，2A-激光器調(diào)節(jié)具，2B-全反鏡調(diào)節(jié)具，2C-PMT調(diào)節(jié)具，3-分光鏡，4-全反鏡，5-PIN管，6-外圓盤(pán)，7-內(nèi)圓盤(pán)，8-比色皿，9-微流控芯片，10-顯微鏡；11-光電倍增管，12-示波器，13-計(jì)算機(jī)，14-金屬絲，15A-上定位圓片、15B-下定位圓片，17-三軸調(diào)節(jié)具，18-微流栗，19-子流道，20-輸出流道，21-輸入流道，22-連接管道，23-圓環(huán)流道。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0029]本發(fā)明由四部分組成:光源、分光光路系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)測(cè)量組件、探測(cè)組件；同時(shí)，發(fā)明包含樣本微流控芯片9的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作。
[0030]微流控芯片9的設(shè)計(jì)制作，微流控芯片9為聚二甲基硅氧烷材料，設(shè)計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)Comsol軟件對(duì)設(shè)計(jì)的芯片流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到散射場(chǎng)分布的仿真結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的參照，如圖5所示，從而驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。結(jié)構(gòu)為一個(gè)開(kāi)口圓環(huán)狀流道23，圓環(huán)一端平滑延伸出作為輸入流道21，圓環(huán)另一端平滑延伸作為輸出流道20 ;在輸入和輸出流道之間，設(shè)有連通管道22，所述連通管道靠近輸入端一側(cè)口徑較大，靠近輸出端一側(cè)口徑較小，用于捕獲測(cè)量樣本的單粒子；流道截面尺寸和形狀由所要測(cè)量的粒子決定；芯片制作的工藝上，采用光刻工藝配合倒模制作芯片，