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

背景技術(shù)：

隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，未來我國(guó)空間站需要由長(zhǎng)期在軌的航天員執(zhí)行工程任務(wù)?？臻g環(huán)境是具有復(fù)雜輻射和微重力等復(fù)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(gè)電子伏到超過1022電子伏。為了保證宇航員的身體安全和對(duì)輻射產(chǎn)生的生命物質(zhì)損傷和遺傳變異的研究，空間輻射損傷評(píng)估已經(jīng)成為航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中首要的問題。指示生物監(jiān)測(cè)法是一種借助指示生物進(jìn)行空間輻射損傷評(píng)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(píng)估的裝置主要有：商用化流式細(xì)胞儀和共聚焦顯微鏡。

流式細(xì)胞儀是一種衛(wèi)生醫(yī)療器械，主要用于對(duì)細(xì)胞懸液中的細(xì)胞或細(xì)胞器進(jìn)行快速測(cè)量，通過對(duì)測(cè)量區(qū)產(chǎn)生的光和電信號(hào)的收集和分析，測(cè)定細(xì)胞的物理特性和生化特性，在細(xì)胞生物學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)、血液學(xué)、遺傳學(xué)和病理學(xué)臨床檢測(cè)等領(lǐng)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(shù)，激光掃描共聚焦顯微術(shù)是先進(jìn)的分子和細(xì)胞生物學(xué)研究技術(shù)。它在熒光顯微成像的基礎(chǔ)上加裝激光掃描裝置，結(jié)合數(shù)據(jù)化圖像處理技術(shù)，采集組織和細(xì)胞內(nèi)熒光標(biāo)記圖像，在亞細(xì)胞水平觀察鈣等離子水平的變化，并結(jié)合電生理等技術(shù)觀察細(xì)胞生理活動(dòng)與細(xì)胞形態(tài)及運(yùn)動(dòng)變化的相互關(guān)系。由于它的廣泛應(yīng)用，已成為形態(tài)學(xué)、分子細(xì)胞生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和藥理學(xué)等研究領(lǐng)域中很重要的研究技術(shù)。

綜上分析，目前空間輻射損傷評(píng)估大部分方法存在著只能對(duì)細(xì)胞或單細(xì)胞生物進(jìn)行測(cè)量，不能對(duì)多細(xì)胞生物的輻射損傷進(jìn)行評(píng)估的問題，并且這些儀器結(jié)構(gòu)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不能集成便攜、無法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種既能對(duì)多細(xì)胞生物的輻射損傷進(jìn)行評(píng)估，又結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于攜帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的基于微流控芯片的輻射損傷評(píng)估裝置及其評(píng)估方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

基于微流控芯片的輻射損傷評(píng)估裝置，包括熒光采集組件、明場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)和熒光強(qiáng)度；

所述明場(chǎng)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(chǎng)采集組件用于得到線蟲的明場(chǎng)圖像；

所述微控制器用于控制電場(chǎng)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(shè)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(cè)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(gè)裝置供電。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理組件用于處理明場(chǎng)圖像、熒光圖像、熒光波長(zhǎng)和熒光強(qiáng)度；數(shù)據(jù)處理組件通過明場(chǎng)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(dòng)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(diǎn)的灰度值、所有發(fā)光位點(diǎn)的總灰度值和發(fā)光位點(diǎn)的數(shù)目；數(shù)據(jù)處理組件通過明場(chǎng)圖像和熒光圖像二者結(jié)合得出線蟲發(fā)光位點(diǎn)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(píng)估裝置的評(píng)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(chǎng)力驅(qū)動(dòng)樣品池中線蟲進(jìn)入檢測(cè)通道，同時(shí)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(chǎng)采集組件分別對(duì)線蟲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，明場(chǎng)采集組件得到線蟲的明場(chǎng)圖像，熒光采集組件得到線蟲的熒光圖像、熒光波長(zhǎng)和熒光強(qiáng)度，數(shù)據(jù)處理組件通過明場(chǎng)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(dòng)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(diǎn)的灰度值、所有發(fā)光位點(diǎn)的總灰度值和發(fā)光位點(diǎn)的數(shù)目；數(shù)據(jù)處理組件通過結(jié)合明場(chǎng)圖像和熒光圖像得出線蟲發(fā)光位點(diǎn)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(chǎng)力反向驅(qū)動(dòng)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(cè)結(jié)束，轉(zhuǎn)步驟F；否則，轉(zhuǎn)步驟E；

E、將線蟲培養(yǎng)一段時(shí)間，再返回步驟B重新檢測(cè)；

F、數(shù)據(jù)處理組件對(duì)線蟲輻射損傷程度進(jìn)行評(píng)估；評(píng)估方法包括以下步驟：

F1、通過熒光波長(zhǎng)評(píng)估線蟲的輻射損傷程度，熒光波長(zhǎng)越短代表線蟲的輻射損傷程度越嚴(yán)重；

F2、通過熒光強(qiáng)度評(píng)估線蟲的輻射損傷程度，熒光強(qiáng)度越強(qiáng)代表線蟲的輻射損傷程度越嚴(yán)重；

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

F4、通過發(fā)光位點(diǎn)的灰度值評(píng)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(yán)重；發(fā)光位點(diǎn)的灰度值是指熒光圖像中發(fā)光位點(diǎn)處的像素灰度值；

F5、通過單位面積上的灰度值評(píng)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(yán)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(diǎn)的總灰度值，由明場(chǎng)圖像得出線蟲圖像輪廓內(nèi)的面積、簡(jiǎn)稱輪廓面積；

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

F7、通過線蟲扭動(dòng)頻率和縱橫比兩個(gè)指標(biāo)的綜合分析評(píng)估線蟲的活性；

F8、通過線蟲輪廓面積和縱橫比兩個(gè)指標(biāo)綜合分析評(píng)估線蟲所處的時(shí)期，所述時(shí)期包括dauer期、幼蟲期和成蟲期。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果為：

1、由于本發(fā)明采用明場(chǎng)采集組件和熒光采集組件的結(jié)合，因此可以準(zhǔn)確得到明場(chǎng)圖像、熒光圖像和熒光波長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)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(shí)，因此，不需要專業(yè)化人員的操作，步驟少，操作簡(jiǎn)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(píng)估檢測(cè)的微平臺(tái)，而相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備亦可采用體積較小的結(jié)構(gòu)形式，因此，相對(duì)于現(xiàn)有大型檢測(cè)設(shè)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(jìn)行手持用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

4、本發(fā)明克服了現(xiàn)有輻射損傷評(píng)估方法中存在的無法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、檢測(cè)設(shè)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(píng)估問題。這將對(duì)于環(huán)境科學(xué)、航空領(lǐng)域以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

5、由于線蟲的扭動(dòng)頻率和縱橫比都可以表示線蟲的活性，本發(fā)明通過對(duì)線蟲扭動(dòng)頻率和縱橫比兩個(gè)指標(biāo)的分析，可以更加準(zhǔn)確的評(píng)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(shí)期，本發(fā)明通過對(duì)線蟲輪廓面積和縱橫比兩個(gè)指標(biāo)的分析，可以更加準(zhǔn)確得出線蟲所在的時(shí)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(píng)估裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1、明場(chǎng)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(cè)通道)。

具體實(shí)施方式

下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)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(shè)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(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下線蟲進(jìn)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(cè)；因此通道Ⅱ12是檢測(cè)通道。而且線蟲生存需要食物、氧氣等物質(zhì)，因此培養(yǎng)液就是提供這些因素的，以便線蟲可以長(zhǎng)時(shí)間生存，便于檢測(cè)。

在微流控芯片3中檢測(cè)時(shí)，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(qū)動(dòng)樣品池9中的線蟲進(jìn)入檢測(cè)通道，并使線蟲固定在檢測(cè)通道中，同時(shí)更新培養(yǎng)液，待檢測(cè)完畢后，微控制器5反向驅(qū)動(dòng)線蟲回到樣品池9中，一次檢測(cè)完畢。微流控芯片3具有使線蟲長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)和定期重復(fù)檢測(cè)的功能。微流控芯片3的檢測(cè)通道是一個(gè)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(qū)動(dòng)線蟲進(jìn)入檢測(cè)通道，使線蟲停留在檢測(cè)通道中，并使線蟲身體展開，便于處理其特征。

檢測(cè)時(shí)，光源4從側(cè)方照射經(jīng)過光采集組件中的分色鏡反射到線蟲上，此時(shí)，光線透過線蟲成為明場(chǎng)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(dú)特之處，利用一個(gè)光源4，巧妙地將熒光采集組件2和明場(chǎng)采集組件1結(jié)合在了一起。檢測(cè)結(jié)果分成兩路信號(hào)：一路為線蟲明場(chǎng)圖像檢測(cè)信號(hào)，另一路為線蟲熒光圖像和熒光波長(zhǎng)檢測(cè)信號(hào)，兩種方式同時(shí)進(jìn)行，相互獨(dú)立。同時(shí)獲得的同一線蟲兩路檢測(cè)信號(hào)可用于同時(shí)分析，以準(zhǔn)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(chǎn)生電壓，通過電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)樣品池9中任意一條線蟲，進(jìn)入檢測(cè)通道，由熒光采集組件2和明場(chǎng)采集組件1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集后，微控制器5控制電場(chǎng)力方向反向，驅(qū)動(dòng)線蟲回到樣品池9，一次檢測(cè)完畢。

明場(chǎng)采集組件1工作流程為：明場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)顯微物鏡放大→平凸透鏡再次放大→雙凸透鏡聚焦→由CCD進(jìn)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(chǎn)生的熒光數(shù)據(jù)經(jīng)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(cè)組件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集→傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理組件7處理。