CN101435818A

CN101435818A - 基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置

Info

Publication number: CN101435818A
Application number: CN 200810218356
Authority: CN
Inventors: 叶大田; 李雷; 周亚浩
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: CN101435818B

Abstract

一种基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置，包括：微流控芯片，具有至少两个入口和至少一个出口，其内设置微通道，所述微通道包括液体混合段和检测段，液体混合段的输入端与所述入口连通，检测段与所述出口连通；与所述微流控芯片的入口连通的微量注射泵；固定于所述微流控芯片的微通道检测段的上下两侧的光学检测器件；与所述光学检测器件的图像传感器连接的数字信号处理器；和，显示屏。本便携式地中海贫血病筛查装置将溶液配制和检测操作集成在一块芯片上一次完成，体积小、便于携带，而且易于操作。

Description

基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置

技术领域

本发明涉及便携式地中海贫血病筛查装置，特别是一种基于微流体芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置。

背景技术

地中海贫血(Thalassemias)隶属于血红蛋白病，但并不涉及血红蛋白结构的异常，它是由于某类珠蛋白合成障碍而引起的遗传性血液病。地中海贫血主要的实验室检验方法包括血常规测定、红细胞形态学检查、变性血红蛋白包涵体检查、异丙醇试验、微量血红蛋白醋酸纤维薄膜电泳、红细胞渗透脆性试验(一管法)。在地中海贫血的多种检查方法中，红细胞渗透脆性试验(一管法)是地中海贫血群体筛查的一种简便方法，操作简单、快速，也具有较高的敏感度和准确性，配合红细胞平均体积(MCV)及红细胞平均血红蛋白(MCH)等指标，可进行地中海贫血病筛查。

微流控芯片是在一块几平方厘米的芯片上构建的一个生化实验室，它以MEMS(Micro Electro Mechanical systems)加工工艺为基础，在硅片、玻璃或PDMS等材料上制造微管道，并由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个***，实现生物和化学领域中所涉及的反应、分离、检验、细胞培养等基本操作，用以取代常规生物或化学实验室的各种功能，因此也被称为“芯片上的实验室(Lab-on-a-chip)”。具有明显的微型化、集成化和便携性等特点。

在微流控芯片上使用的吸收光度检测是一种应用广泛的通用光学检测方法，它具有可测定的物质种类多、仪器结构较简单等优点。该检测方法是基于被测物质的分子对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法。测定下限可达10^-5～10^-6mol/L相当于含量10^-4％～10^-5％的微量组分。吸收光度法对于物质的定量定性分析的一个重要依据就是物质对光的吸收程度即吸光度。当一束平行的单色光照射到均匀物质的溶液时，光的一部分被吸收，另一部分透过溶液，对光的吸收程度即吸光度(光经度D或消光度E)。朗伯比尔定理是吸收光度法定量分析的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型、便携、低成本的地中海贫血病筛查装置，该筛查装置通过采集被检对象少量血液，与一定浓度的NaCl盐溶液注入微流控芯片，混合后用光学方法检测血液中红细胞基本的特征参数，即可反映被检对象的健康状况。

本发明基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置，包括：

微流控芯片，具有至少两个入口和至少一个出口，其内设置微通道，所述微通道包括液体混合段和检测段，液体混合段的输入端与所述入口连通，检测段与所述出口连通；

微量注射泵，与所述微流控芯片的入口连通，用于将待测血液和盐溶液泵入微流控芯片内的微通道中；

光学检测器件，包括光源和图像传感器，它们分别固定于所述微流控芯片的微通道检测段的上下两侧，且光源、微通道检测段和图像传感器位于同一光轴上；

数字信号处理器，与所述图像传感器连接，对检测到的信号进行灰度值和细胞边缘的提取，得到吸收光度检验方法所需要的吸收光度值和诊断所需的细胞特征值；和，

显示屏，与所述数字信号处理器连接，用于显示检查结果。

所述微通道的液体混合段可以是S形、或Z形、或弓字形等形状的蜿蜒结构，其内径为5～200微米。所述微通道的检测段可以设计成横截面为圆形、三角形、半圆形或多边形的储液池，储液池的深度可设计为20～100微米，深度优选30～60微米。

上述微流控芯片由两片透光的基片封合制成，其中一个基片上成型有构成所述微通道的微结构，另一个基片紧贴在所述微结构的开口一侧，两个基片封合后将所述微结构的开口侧封闭形成所述微通道(包括液体混合段和检测段)，其中，基片可以采用PDMS、玻璃或者其它高分子材料制成。

所述光源为LED光源，所述图像传感器采用CMOS图像传感器，象素尺寸可以达到2μm。

本发明筛查装置的主要功能包括红细胞脆性检验和红细胞基本参数的测量。血样进入微流控芯片后，通过CMOS直接成像，获得红细胞的近似尺寸等几个重要的血液学指标，包括红细胞的形态、大小、平均体积(MCV)、细胞计数等。在微通道的液体混合段，血液和盐水混合，在0.32％或0.36％的NaCl溶液中，正常人的红细胞会膨胀至破裂，血红蛋白释放到溶液中，溶液是澄清的，而地贫患者的红细胞不会破裂，溶液是混浊的，血液-盐水混合液流入芯片内的储液池(即微通道的检测段)，LED、芯片内的储液池和CMOS图像传感器处在同一光轴上，使用LED发射可见光照射微流控芯片，将微通道里的血液-盐水混合液投影于CMOS图像传感器上，通过计算CMOS上的投影灰度情况来判断血液是来自正常人还是地贫患者。

本便携式地中海贫血病筛查装置采用微流控芯片技术对细胞进行操作和分析，与目前实验室的常用方法相比，具有以下主要优势：1)微通道尺寸与细胞尺寸相匹配；2)微流控芯片提供了一个相对封闭的空间，减少了外界环境对细胞的刺激；3)微流控芯片体积微小，节约了细胞溶液以及其它试剂的消耗量，微通道传热传质迅速，反应时间也大大减少；4)溶液配制和检测操作集成在一块芯片上一次完成。

其使用高分辨率的CMOS成像装置对微流控芯片直接成像，在吸收光度检测的基础上结合图像特征提取等图像处理方法，对地中海贫血病筛查，使得装置可以小型化，便于携带，而且易于操作。

附图说明

图1为本便携式地中海贫血病筛查装置的原理图；

图2为其微流控芯片的微通道的结构示意图；

图3为其微流控芯片的外部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1-3，本基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置，包括：

微流控芯片1，具有两个入口11、12和一个出口13，其内设置微通道，所述微通道包括液体混合段14和检测段15，液体混合段14的输入端与所述两个入口11、12连通，检测段15与所述出口13连通；

微量注射泵2，与所述微流控芯片的两个入口11、12连通，用于将待测血液和盐溶液泵入微流控芯片1内的微通道中；

光学检测器件3，包括光源31和图像传感器32，它们分别固定于所述微流控芯片的微通道检测段15的上下两侧，且光源31、微通道检测段15和图像传感器32位于同一光轴上；

数字信号处理器4，与所述图像传感器32连接，对检测到的图像信号进行灰度值和细胞边缘的提取，得到吸收光度检验方法所需要的吸收光度值和诊断所需的细胞特征值；和，

显示屏5，与所述数字信号处理器4连接，用于显示检查结果。显示屏5采用640×480的液晶屏。

图1中电源6用于给整个装置提供工作电压。

微通道的液体混合段14呈S形的蜿蜒结构，其内径可设计为5～200微米，微通道的检测段15可以设计成横截面为圆形、三角形、半圆形或多边形的储液池，储液池的深度可设计为20～100微米，深度优选30～60微米。

微流控芯片1由两片透光的基片16、17封合制成，其中一个基片17上成型有构成所述微通道的微结构，另一个基片16为平板，基片16紧贴在基片17的微结构的开口一侧，两个基片16、17封合后将所述微结构的开口侧封闭形成所述微通道(包括液体混合段14和检测段15)，其中，基片16、17可以采用PDMS、玻璃或者其它高分子材料制成。

微流控芯片1可以由PDMS基片和玻璃片键合制成，其中PDMS基片是通过微通道成型模具制成的，微通道成型模具采用MEMS加工工艺制成。其一种具体制作过程如下：

1.用计算机制图软件绘制微流控芯片的设计图形(即微通道结构图)。

2.制作光刻掩模版

掩模材料选用5英寸镀铬玻璃板，电子束曝光，将设计图形转移到掩模版上。

3.曝光、显影

清洗4寸硅片，在其表面均匀地涂上一层光刻胶(正胶)，带有光刻胶的硅片在一束光通过绘有预定图案的掩模版中的透明部分而曝光，则图案部分被光刻胶保护了起来。

4.等离子刻蚀(ICP)

包含气体分子、自由电子和气体离子的高能量等离子体撞击硅片表面，并且从表面除去硅，刻蚀深度50微米。至此，微通道成型模具制作完毕，图案部分凸起50微米。

5.制作PDMS基片

PDMS与固化剂按照质量比10:1混合，搅拌均匀，除去气泡，倒在微通道成型模具上，置于烘箱中以70℃固化1小时左右后取出，冷却，揭下成形的PDMS，在通道进样口及出液口用钻孔器打孔，即制成PDMS基片。

6.封装

PDMS基片经氧气等离子体表面处理后，与玻璃片键合在一起，即制成微流控芯片。制作好的芯片如图3所示。

微量注射泵2可以采用一个双通道的微量注射泵，如美国KDScience公司的KDS 200等，也可以采用2个单通道的微量注射泵，比如美国KDScience公司的KDS 100等。

微流控芯片的光学检测***的两个最重要的组成部分是光源和探测器，因此光学检测***的微型化也就是光源和探测器这两个主要部件的微型化。在探测器的微型化方面，最有效和直接的方法就是把微流控芯片直接放在成像探测阵列上。

本筛查装置中，光源31采用LED光源，图像传感器32采用CMOS图像传感器，象素尺寸可以达到2μm。CMOS成像阵列可以直接寻址单个象素，能够改变每个象素的积分时间从而获得更灵敏的分析，由于一般来说成像阵列的大部分单元是用不到的，所以CMOS具有更短的响应时间。虽然COMS的横向分辨力不可能达到光学显微镜的水平，但是他们完全可以满足较大物体上的可见光光谱实验的要求。这样一个近似成像***的最高分辨力由成像阵列上的象素大小来决定，它可以达到10μm以下。成像***的灵敏度则取决于象素的有效区域大小，同样也取决于象素的泄漏电流。

使用CMOS图像传感器直接成像还具备以下优点：(1)集成度高，可将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、A/D转换电路、全数字接口电路等集成在一起，可实现单芯片成像***；(2)工作电压低，功耗小；(3)更低的***代价。

CMOS图像传感器32采集到的图像信号可以获得图像对应每个象素的灰度值，可以确定，通过这些灰度值完全可以恢复原始图像。经过类似数字剪影的方法，在DSP 4上比较正常细胞的混合液和待测细胞的混合液的象素值差异，这种差异直接反映了混合液的吸光度，吸光度值可以用来作诊断使用。在作吸光度检测的同时，使用腐蚀、二值化等图像处理方法对通道内的红细胞图像进行边缘提取，获得近似的红细胞形态、大小、体积等参数。

检测过程如下：待测血液和一定浓度的盐溶液分别从微流控芯片的两个入口11、12通过微量注射泵2的驱动进入微流控芯片1内的微通道，通过微通道的液体混合段14后，待测血液和盐溶液充分混合，然后进入检测段15，LED 31发出的可见光通过检测段15入射在CMOS图像传感器32上，形成关于血液和盐溶液混合液的图像信息。这些信息通过DSP 4处理，与正常血液的光学特性相比较，判断待测血液是否病变，同时，通过成像***对混合液中的红细胞成像，具体观察红细胞的形态学特征，供医生判断。

也可以在微流控芯片1上开三个入口，一个进血样，另外两个进溶液，形成所谓“夹流进样式”；也可以开更多的入口，只要血样和溶液都进入芯片就可以。出口也可以开两个或多个。

Claims

1、基于微流控芯片影像技术的便携式地中海贫血病筛查装置，其特征在于包括：

显示屏，与所述数字信号处理器连接，用于显示检查结果。

2、根据权利要求1所述的筛查装置，其特征在于：所述微通道的液体混合段呈S形、或Z形、或弓字形的蜿蜒结构，其内径为5～200微米；微通道的检测段是横截面为圆形、三角形、半圆形或多边形的储液池，储液池的深度为20～100微米。

3、根据权利要求2所述的筛查装置，其特征在于：所述储液池的深度为30～60微米。

4、根据权利要求1-3任一项所述的筛查装置，其特征在于：所述微流控芯片由两片透光的基片封合制成，其中一个基片上成型有构成所述微通道的微结构，另一个基片紧贴在所述微结构的开口一侧，两个基片封合后将所述微结构的开口侧封闭形成所述微通道。

5、根据权利要求1-3任一项所述的筛查装置，其特征在于：所述微流控芯片是由PDMS基片和玻璃片键合制成，其中PDMS基片是通过微通道成型模具制成的，微通道成型模具采用MEMS加工工艺制成。

6、根据权利要求1-3任一项所述的筛查装置，其特征在于：所述光源为LED光源，所述图像传感器采用CMOS图像传感器。

7、根据权利要求6所述的筛查装置，其特征在于：所述CMOS图像传感器的象素尺寸为2μm。