CN105588827A - 活体单细胞拉曼分析平台数字控制***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单细胞分选领域,具体的说是一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制***和方法。***包括仪器控制模块、细胞图像识别分析模块、拉曼分析处理模块和单细胞筛选控制模块;方法包括:输入样本、数据采集、边缘检测和坐标识别、仪器控制模块根据细胞坐标控制XYZ轴移动到细胞所在的位置;将单细胞拉曼光谱与拉曼图谱数据库进行对比,获得该单细胞信息;当满足条件的单细胞到达微流控芯片的选择分叉部位时,利用仪器控制模块控制电磁阀将单细胞推入筛选细胞出口,否则单细胞流入废液池。本发明的应用将会形成***化的、完整的操控平台,全面支撑和完善高通量原位活体单细胞光钳筛选***的控制部分,进而提速单细胞分析的研究。
Description
技术领域
本发明涉及单细胞分选领域,具体的说是一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制***和方法。
背景技术
单细胞分析对重大疾病早期诊断、治疗、药物筛选和细胞生理、病理过程的研究有重要意义,目前已成为研究的热点之一。由于细胞极小,直径一般为5-500μm,体积在fL-nL,组分含量少(fmol-zmol)、种类繁多,使得操纵和分析难度比较大。因此,要开展单细胞水平的研究,细胞分选成为必要的前提条件。
单细胞的识别与分选,其基础在于正确的采集表征细胞信息的指标。现有传统流式细胞仪中,细胞和颗粒信息的识别主要采用普通光信号,单位时间对目标的信息获得率较低,因此在满足工程应用的识别效率前提下,缺乏足够信息量,只能对细胞/颗粒的形态、折光率、反射率或荧光强度等有限指标进行区分,而难以区分活体细胞的细胞类型和生理特性,更无法提供细胞水平的基因表达与功能信息。
基于拉曼的活体单细胞拉曼分选仪,可以实现在单细胞水平上对具备特定化合物图谱的细胞个体或群体进行计数、功能区分和物理分离,实现从表观型和基因型两个方面同时考察和验证单个细胞(及其群体)的功能,从而为科研链条和产业链条中对这些细胞的组学分析、改造和利用奠定根本的基础。该机器由激光器、拉曼光谱仪、落射荧光显微镜、微流控细胞分选***组成,是世界上第一台基于细胞拉曼指纹图谱的细胞分选的仪器。目前国内外没有商品化的同类科研设备。目前分选仪已可实现单细胞拉曼图谱采集、细胞种类及生长状态鉴别、拉曼-落射荧光不可培养功能微生物鉴定、拉曼光钳单细胞操纵、拉曼光钳单细胞分选、基于表面增强拉曼散射(SERS)技术的拉曼信号等功能。
发明内容
针对目前分选单细胞出现的时间和精度上偏差、效率低下的问题,同时解决现有的细胞分选设备对目标的信息获得率较低等问题,本发明要解决的技术问题是提供一种可自动化、智能化对活体单细胞进行图像拉曼采集分析并分选的活体单细胞拉曼分析平台数字控制***和方法,尤其适合应用于对活体单细胞进行原位细胞分选。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制***,包括:
仪器控制模块,用于采集显微镜、EMCCD、三维调节平台的参数信息,并将采集到的参数信息发送给细胞图像识别分析模块,接收细胞图像识别分析模块的细胞坐标信息,根据所述细胞坐标信息生成三维调节平台的XYZ轴移动量;
细胞图像识别分析模块,用于根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
拉曼分析处理模块,用于根据细胞坐标扫描细胞并获得其拉曼光谱,将拉曼光谱利用SVM分类算法得到的数据与已知的拉曼图谱数据库中的数据进行比对,获得单细胞种类及培养条件信息,将单细胞种类及培养条件信息传送给单细胞筛选控制模块;
单细胞筛选控制模块,根据拉曼分析处理模块提供的单细胞种类及培养条件信息进行单细胞筛选,从而获得所需种类单细胞。
所述将拉曼光谱利用SVM分类算法得到的数据与已知的拉曼图谱数据库中的数据中,均记录单细胞的4类信息:A、项目信息,包括序号,测试时间;B、样品制备信息,包括细胞名字,温度;C、仪器参数,包括激光器波长,光栅,积分时间;D、细胞信息,包括位置、图像、拉曼谱图。
一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制方法,包括以下步骤:
输入样本:输入不同种类的单细胞;
仪器控制模块采集显微镜及EMCCD、三维调节平台的参数,并将采集到的参数发送给细胞图像识别分析模块;
根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
仪器控制模块根据细胞坐标控制XYZ轴移动到细胞所在的位置;拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱;
将单细胞拉曼光谱与拉曼图谱数据库进行对比,获得该单细胞信息;
当满足条件的单细胞到达微流控芯片的选择分叉部位时,利用仪器控制模块控制电磁阀将单细胞推入筛选细胞出口,否则单细胞流入废液池。
所述细胞边缘检测采用Sobel/Prewitt图像处理算法。
所述细胞识别和坐标识别采用图像处理方式对细胞边缘进行检测和位置获取。
所述拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱,具体包括以下步骤:
三维调节平台移动,根据细胞坐标调节三维调节平台到细胞所在位置;
控制激光器开启,并控制EMCCD进行光谱数据采集和保存;
进行下一个细胞光谱信息采集。
本发明具有以下优点及有益效果:
1.本发明的设计、开发和优化,为自动化、智能化和高通量的单细胞检测和分选提供了技术保障。
2.本发明的应用将会形成***化的、完整的(包括单细胞图像和拉曼信号提取等)操控平台,全面支撑和完善高通量原位活体单细胞光钳筛选***的控制部分,进而提速单细胞分析的研究。
附图说明
图1为本发明的整体架构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示,本发明***包括:
仪器控制模块,用于采集显微镜、EMCCD、三维调节平台的参数信息,并将采集到的参数信息发送给细胞图像识别分析模块,接收细胞图像识别分析模块的细胞坐标信息,根据所述细胞坐标信息生成三维调节平台的XYZ轴移动量;
细胞图像识别分析模块,用于根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
拉曼分析处理模块,用于根据细胞坐标扫描细胞并获得其拉曼光谱,将拉曼光谱利用SVM分类算法得到的数据与已知的拉曼图谱数据库中的数据进行比对,获得单细胞种类及培养条件信息,将单细胞种类及培养条件信息传送给单细胞筛选控制模块;
单细胞筛选控制模块,根据拉曼分析处理模块提供的单细胞种类及培养条件信息进行单细胞筛选,从而获得所需种类单细胞。
本发明方法包括以下步骤:
输入样本:输入不同种类的单细胞;
仪器控制模块采集显微镜及EMCCD、三维调节平台的参数,并将采集到的参数发送给细胞图像识别分析模块;
根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
仪器控制模块根据细胞坐标控制XYZ轴移动到细胞所在的位置;拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱;
将单细胞拉曼光谱与拉曼图谱数据库进行对比,获得该单细胞信息;
当满足条件的单细胞到达微流控芯片的选择分叉部位时,利用仪器控制模块控制电磁阀将单细胞推入筛选细胞出口,否则单细胞流入废液池。
所述细胞边缘检测采用Sobel/Prewitt图像处理算法。
所述细胞识别和坐标识别采用图像处理方式对细胞边缘进行检测和位置获取。图像处理方式包括灰度变换、平滑、边缘提取,以实现单细胞的定位。
所述拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱,具体包括以下步骤:
三维调节平台移动,根据细胞坐标调节三维调节平台到细胞所在位置;
控制激光器开启,并控制EMCCD进行光谱数据采集和保存;
进行下一个细胞光谱信息采集。
Claims (6)
1.一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制***,其特征在于,包括:
仪器控制模块,用于采集显微镜、EMCCD、三维调节平台的参数信息,并将采集到的参数信息发送给细胞图像识别分析模块,接收细胞图像识别分析模块的细胞坐标信息,根据所述细胞坐标信息生成三维调节平台的XYZ轴移动量;
细胞图像识别分析模块,用于根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
拉曼分析处理模块,用于根据细胞坐标扫描细胞并获得其拉曼光谱,将拉曼光谱利用SVM分类算法得到的数据与已知的拉曼图谱数据库中的数据进行比对,获得单细胞种类及培养条件信息,将单细胞种类及培养条件信息传送给单细胞筛选控制模块;
单细胞筛选控制模块,根据拉曼分析处理模块提供的单细胞种类及培养条件信息进行单细胞筛选,从而获得所需种类单细胞。
2.根据权利要求1所述的活体单细胞拉曼分析平台数字控制***,其特征在于,所述将拉曼光谱利用SVM分类算法得到的数据与已知的拉曼图谱数据库中的数据中,均记录单细胞的4类信息:A、项目信息,包括序号,测试时间;B、样品制备信息,包括细胞名字,温度;C、仪器参数,包括激光器波长,光栅,积分时间;D、细胞信息,包括位置、图像、拉曼谱图。
3.一种活体单细胞拉曼分析平台数字控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
输入样本:输入不同种类的单细胞;
仪器控制模块采集显微镜及EMCCD、三维调节平台的参数,并将采集到的参数发送给细胞图像识别分析模块;
根据仪器控制模块采集到的参数做细胞边缘检测、细胞识别和坐标识别,得到细胞坐标,并将细胞坐标发送给仪器控制模块和拉曼分析处理模块;
仪器控制模块根据细胞坐标控制XYZ轴移动到细胞所在的位置;拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱;
将单细胞拉曼光谱与拉曼图谱数据库进行对比,获得该单细胞信息;
当满足条件的单细胞到达微流控芯片的选择分叉部位时,利用仪器控制模块控制电磁阀将单细胞推入筛选细胞出口,否则单细胞流入废液池。
4.根据权利要求3所述的活体单细胞拉曼分析平台数字控制方法,其特征在于,所述细胞边缘检测采用Sobel/Prewitt图像处理算法。
5.根据权利要求3所述的活体单细胞拉曼分析平台数字控制方法,其特征在于,所述细胞识别和坐标识别采用图像处理方式对细胞边缘进行检测和位置获取。
6.根据权利要求3所述的活体单细胞拉曼分析平台数字控制方法,其特征在于,所述拉曼分析处理模块将细胞坐标提供给拉曼光谱扫描光钳,依次扫描所有细胞并获得其拉曼光谱,具体包括以下步骤:
三维调节平台移动,根据细胞坐标调节三维调节平台到细胞所在位置;
控制激光器开启,并控制EMCCD进行光谱数据采集和保存;
进行下一个细胞光谱信息采集。
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