基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀的制作方法
【專利摘要】一種基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，包括細(xì)胞通道和波導(dǎo)，所述流式細(xì)胞儀還包括微流體透鏡，所述細(xì)胞通道和波導(dǎo)之間布置所述微流體透鏡；所述流體微透鏡包括微腔、芯層流道、包層流道和出口流道，所述包層流道和所述微腔的進(jìn)口的周圍一圈均連通，所述芯層流道與芯層入口連通，所述芯層入口的內(nèi)徑比所述微腔的內(nèi)徑小，且所述芯層入口與所述微腔在同一根軸線上，所述芯層入口的出口處與所述包層流道連通且正對(duì)所述微腔的進(jìn)口，所述微腔的出口與所述出口流道連通。本發(fā)明提供一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力較強(qiáng)、適用性良好的基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀。
【專利說(shuō)明】
基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及集成型光學(xué)器件，屬于一種流式細(xì)胞儀，尤其是應(yīng)用焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的微流體透鏡的流式細(xì)胞儀。
【背景技術(shù)】
[0002]流式細(xì)胞儀由于其可移植性、小尺寸、方便處理以及大規(guī)模生產(chǎn)潛在的成本控制等有點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前流式?xì)胞儀上大多使用光纖或者波導(dǎo)將光束聚焦至檢測(cè)區(qū)域。然而這種做法只有較小的數(shù)值孔徑，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并且這種設(shè)計(jì)方案在一定程度上影響了“芯片實(shí)驗(yàn)室”的集成。J.Godin等人將一個(gè)微流體透鏡集成在流式細(xì)胞儀中(Jessica Godin；Victor Lien；and Yu-Hwa Lo ,Demonstrat1n of two-dimens1nal fluidic lens for integrat1n into microfluidic flow cytometers,APPLIED PHYSICS LETTERS 89,061106(2006);即Jessica Godin；Victor Lien;和Yu-HwaLo，用于集成微流體流式細(xì)胞儀的二維流體透鏡實(shí)例，應(yīng)用物理學(xué)報(bào)89，061106(2006))，提供了一種簡(jiǎn)單、緊密、耗費(fèi)少的片上檢測(cè)系統(tǒng)。然而該系統(tǒng)以及大部分系統(tǒng)只能提供一個(gè)固定大小的焦斑，在對(duì)不同種類(大小)細(xì)胞檢測(cè)時(shí)，精確度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服已有流式細(xì)胞儀的動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力較弱、適用性較差的不足，本發(fā)明提供一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)能力較強(qiáng)、適用性良好的基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]—種基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，包括細(xì)胞通道和波導(dǎo)，所述流式細(xì)胞儀還包括微流體透鏡，所述細(xì)胞通道和波導(dǎo)之間布置所述微流體透鏡;所述流體微透鏡包括微腔、芯層流道、包層流道和出口流道，所述包層流道和所述微腔的進(jìn)口的周圍一圈均連通，所述芯層流道與芯層入口連通，所述芯層入口的內(nèi)徑比所述微腔的內(nèi)徑小，且所述芯層入口與所述微腔在同一根軸線上，所述芯層入口的出口處與所述包層流道連通且正對(duì)所述微腔的進(jìn)口，所述微腔的出口與所述出口流道連通。
[0006]進(jìn)一步，所述包層流道含2個(gè)流道，通過(guò)圓角設(shè)計(jì)將芯層包裹，且所述包層流道與所述微腔的軸線呈相互垂直布置。
[0007]再進(jìn)一步，所述流體微透鏡與細(xì)胞通道之間的距離為150?250μπι，該范圍內(nèi)，焦斑以及焦距都有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:漸變折射率流體微透鏡(L-GRIN)基于不同折射率層流的擴(kuò)散和對(duì)流原理工作，而不是依賴于固定的液-液曲面，因此不需要高層流速度，并且微透鏡是通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流體條件，而非改變微透鏡表面曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率漸變，因此其光學(xué)特性可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。從原理上，本發(fā)明能夠通過(guò)2個(gè)包層流道流速以及溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)，從而對(duì)光束的光斑以及焦距在2個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
[0009]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:增強(qiáng)流式細(xì)胞儀的集成度，根據(jù)檢測(cè)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距、焦斑，以達(dá)到更精確檢測(cè)目的。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明將微流體透鏡用于流式細(xì)胞儀光檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2即圖1中的L-GRIN結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是本發(fā)明腔體示意圖，圖中標(biāo)識(shí)了等效芯層入口以及包層入口。
[0013]圖4是特定流速下的腔內(nèi)折射率分布圖。
[0014]圖5是圖4下折射率分布的聚焦圖。
[0015]圖6是相同流速條件下，不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的聚焦圖。
[0016]圖7是相同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同流速情況焦斑大小圖。
[0017]圖8是不同流速下(即不同焦斑大小時(shí))，在200μπι處聚焦所對(duì)應(yīng)的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0019]參照?qǐng)D1和圖2，一種基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，包括細(xì)胞通道6和波導(dǎo)7，所述流式細(xì)胞儀還包括微流體透鏡8，所述細(xì)胞通道6和波導(dǎo)7之間布置所述微流體透鏡8;所述流體微透鏡8包括微腔、芯層流道、包層流道和出口流道，所述包層流道和所述微腔的進(jìn)口的周圍一圈均連通，所述芯層流道與芯層入口連通，所述芯層入口的內(nèi)徑比所述微腔的內(nèi)徑小，且所述芯層入口與所述微腔在同一根軸線上，所述芯層入口的出口處與所述包層流道連通且正對(duì)所述微腔的進(jìn)口，所述微腔的出口與所述出口流道連通。
[0020]進(jìn)一步，所述包層流道含2個(gè)流道，通過(guò)圓角設(shè)計(jì)將芯層包裹，且所述包層流道與所述微腔的軸線呈相互垂直布置。
[0021 ]微流體透鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中2，3通道為包層液體入口，I通道為芯層液體入口，4，5通道為混合流體出口。集成方法如圖1所示，將流體微透鏡固定在細(xì)胞通道200μπι處；當(dāng)然，所述流體微透鏡與細(xì)胞通道之間的距離也可以選擇150?250μπι范圍內(nèi)的任何其他點(diǎn)值。
[0022]所述芯層流道與兩個(gè)包層流道平行布置。本實(shí)施例中，芯層液體從芯層液體入口I注入，包層液體從包層液體入口 2，3注入，為了排除流速方向?qū)σ后w層流的影響，包層入口均采用圓角設(shè)計(jì)，改變流速矢量方向，混合液體分別通過(guò)混合流體出口 4，5流出。流體微透鏡的主要部分是中間混合腔體，芯層液體與包層液體在其中發(fā)生擴(kuò)散對(duì)流效應(yīng)，形成漸變折射率分布。流體微透鏡腔體的等效結(jié)構(gòu)如圖3所示，通道I的入口邊長(zhǎng)為50μπι，通道2，3，4，5 均為 50μηι*150μηι 矩形。
[0023]乙二醇溶液(芯層液體)與去離子水(DI，包層液體)同時(shí)注入腔體，xoy以及yoz截面上軸對(duì)稱的漸變折射率分布:近軸折射率最大，沿著腔中心軸線方向和垂直軸線方向的折射率分布逐漸減小。采用有限元法(FEM)和光跡追蹤法來(lái)模擬和優(yōu)化參數(shù)。器件的折射率分布可以通過(guò)模擬和計(jì)算兩相流體對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程穩(wěn)定后在腔體中的濃度獲得。在腔體內(nèi)，流體的擴(kuò)散和對(duì)流影響了流體微透鏡的折射率分布，對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程中，U= (Qcore+Qclad)/R2代表腔體的流體速度，和0。13(1分別代表芯層和包層的流速，R為邊長(zhǎng)。
[0024]擴(kuò)散系數(shù)較大的模擬結(jié)果沿著橫向縱向的擴(kuò)散效果很明顯，相反擴(kuò)散系數(shù)較小的折射率分布漸變效果不明顯。這說(shuō)明，擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)非常有效的控制漸變折射率分布的手段，這樣也直接影響了微透鏡的性能。由于環(huán)境溫度的變化，對(duì)液體擴(kuò)散系數(shù)將產(chǎn)生很大的影響，因此擴(kuò)散系數(shù)的調(diào)節(jié)可以通過(guò)改變液體溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)將去離子水和乙二醇分別選為包層和芯層液體，并且假設(shè)包層芯層液體流速相同且無(wú)相對(duì)滑移進(jìn)行計(jì)算。低流速下可以實(shí)現(xiàn)有效的焦距調(diào)節(jié)，高流速下可以實(shí)現(xiàn)焦斑大小的調(diào)節(jié)。
[0025]通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)入口的流速，獲得不同折射率的分布效果，從而調(diào)節(jié)焦斑以及焦距。
[0026]溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響:由于溶液的濃度將直接影響擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)的變化將直接影響到微透鏡的變化。在微腔中擴(kuò)散對(duì)流過(guò)程中，沿著流動(dòng)方向擴(kuò)散的效果越來(lái)越明顯。然而，這種擴(kuò)散導(dǎo)致在不同位置的液體濃度不同，這種濃度的變化將直接反應(yīng)在每個(gè)位置的擴(kuò)散系數(shù)上，因此擴(kuò)散系數(shù)在整個(gè)過(guò)程中并不是恒定不變的。這種現(xiàn)象在濃溶液中尤為突出。目前為止，該現(xiàn)象的變化規(guī)律還沒(méi)有一個(gè)確切的表達(dá)式能夠描述。因此，為了簡(jiǎn)化計(jì)算的復(fù)雜度，采用濃度不是很高的溶液，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2的乙二醇溶液，在擴(kuò)散對(duì)流的過(guò)程中采用恒定的擴(kuò)散系數(shù)D來(lái)進(jìn)行仿真。
[0027]由于本發(fā)明含4個(gè)包層入口，可以實(shí)現(xiàn)二維面上的折射率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果，可以應(yīng)用于更多不同的測(cè)試需求。
[0028]圖4是在四個(gè)包層通道以及芯層通道流速均為25*103pL/s的情況下得到的等效折射率分布以及圖5則是通過(guò)光跡追蹤法得到的聚焦示意圖。
[0029]圖6給出了在包層流速為40*103pL/s，調(diào)整乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)折射率分布發(fā)生的變化。當(dāng)增大芯層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，相應(yīng)的焦距隨之減小，6階擬合函數(shù)為:F (b )= 9.03*106*b6-l.30*107*b5+7.65*106樸4-2.36*106*b3+416377.0*b2_42645.0*b+2342.6。其中b為溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，F(xiàn)(b)即焦距。通過(guò)此性質(zhì)我們可以調(diào)節(jié)流體微透鏡焦距，使其在不同流速下，仍能聚焦在檢測(cè)區(qū)。
[0030]圖7給出了包層流速與焦斑大小的關(guān)系圖，通過(guò)對(duì)不同包層流速下的仿真，我們可以獲得一個(gè)5?50μπι的可調(diào)諧焦斑，細(xì)胞大小一般為10?50μπι，可滿足大部分細(xì)胞的精確檢測(cè)。由于包層流速也會(huì)影響光束焦距，在調(diào)節(jié)焦斑大小后，我們應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，保持焦距在200μπι，聚焦于監(jiān)測(cè)區(qū)域。圖8給出了在不同包層流速下，聚焦于200μπι所對(duì)應(yīng)的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這種靈活可調(diào)的光束調(diào)控效果能夠在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)，尤其是流式細(xì)胞儀上有重要的應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，包括細(xì)胞通道和波導(dǎo)，其特征在于:所述流式細(xì)胞儀還包括微流體透鏡，所述細(xì)胞通道和波導(dǎo)之間布置所述微流體透鏡;所述流體微透鏡包括微腔、芯層流道、包層流道和出口流道，所述包層流道和所述微腔的進(jìn)口的周圍一圈均連通，所述芯層流道與芯層入口連通，所述芯層入口的內(nèi)徑比所述微腔的內(nèi)徑小，且所述芯層入口與所述微腔在同一根軸線上，所述芯層入口的出口處與所述包層流道連通且正對(duì)所述微腔的進(jìn)口，所述微腔的出口與所述出口流道連通。2.如權(quán)利要求1所述的基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，其特征在于:所述包層流道含2個(gè)流道，通過(guò)圓角設(shè)計(jì)將芯層包裹，且所述包層流道與所述微腔的軸線呈相互垂直布置。3.如權(quán)利要求1或2所述的基于微流體透鏡的流式細(xì)胞儀，其特征在于:所述流體微透鏡與細(xì)胞通道之間的距離為150μηι?250μηι。
【文檔編號(hào)】G01N15/14GK106018247SQ201610542672
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】杜穎, 吳翔, 樂(lè)孜純
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)