專利名稱：基于微流控芯片影像技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及便攜式地中海貧血病篩查裝置，特別是一種基于微流體芯片影像 技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置。
背景技術(shù)：
地中海貧血(Thalassemias)隸屬于血紅蛋白病，但并不涉及血紅蛋白結(jié)構(gòu) 的異常，它是由于某類珠蛋白合成障礙而引起的遺傳性血液病。地中海貧血主要 的實驗室檢驗方法包括血常規(guī)測定、紅細胞形態(tài)學檢查、變性血紅蛋白包涵體檢 查、異丙醇試驗、微量血紅蛋白醋酸纖維薄膜電泳、紅細胞滲透脆性試驗(一管法)。 在地中海貧血的多種檢查方法中，紅細胞滲透脆性試驗(一管法)是地中海貧血群 體篩查的一種筒便方法，操作簡單、快速，也具有較高的敏感度和準確性，配合 紅細胞平均體積(MCV)及紅細胞平均血紅蛋白(MCH)等指標，可進行地中海貧血 病篩查。
微流控芯片是在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建的一個生化實驗室，它以 MEMS ( Micro Electro Mechanical systems )力口工工藝為基礎(chǔ)，在/圭片.玻璃或 PDMS等材料上制造微管道，并由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)， 實現(xiàn)生物和化學領(lǐng)域中所涉及的反應、分離、檢驗、細胞培養(yǎng)等基本操作，用以 取代常規(guī)生物或化學實驗室的各種功能，因此也被稱為"芯片上的實驗室 (Lab-on-a-chip)"。具有明顯的微型化、集成化和便攜性等特點。
在微流控芯片上使用的吸收光度檢測是一種應用廣泛的通用光學檢測方法， 它具有可測定的物質(zhì)種類多、儀器結(jié)構(gòu)較簡單等優(yōu)點。該檢測方法是基于被測物 質(zhì)的分子對光具有選擇性吸收的特性而建立起來的分析方法。測定下限可達 l(T5 ~10-6附0〃丄相當于含量10-4% 10-5%的4鼓量組分。吸收光度法對于物質(zhì)的定 量定性分析的一個重要依據(jù)就是物質(zhì)對光的吸收程度即吸光度。當 一束平行的單 色光照射到均勻物質(zhì)的溶液時，光的一部分被吸收，另一部分透過溶液，對光的 吸收程度即吸光度(光經(jīng)度D或消光度E )。朗伯比爾定理是吸收光度法定量分 析的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種小型、便攜、低成本的地中海貧血病篩查裝置，該 篩查裝置通過采集被檢對象少量血液，與一定濃度的NaCI鹽溶液注入微流控芯片，混合后用光學方法檢測血液中紅細胞基本的特征參數(shù)，即可反映被檢對象的 健康狀況。
本發(fā)明基于微流控芯片影像技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置，包括 微流控芯片，具有至少兩個入口和至少一個出口，其內(nèi)設(shè)置微通道，所述微 通道包括液體混合段和檢測段，液體混合段的輸入端與所述入口連通，檢測段與
所述出口連通；
微量注射泵，與所述微流控芯片的入口連通，用于將待測血液和鹽溶液泵入 微流控芯片內(nèi)的微通道中；
光學檢測器件，包括光源和圖像傳感器，它們分別固定于所述微流控芯片的 微通道檢測段的上下兩側(cè)，且光源、微通道檢測段和圖像傳感器位于同一光軸上；
數(shù)字信號處理器，與所述圖像傳感器連接，對檢測到的信號進行灰度值和細 胞邊緣的提取，得到吸收光度檢驗方法所需要的吸收光度值和診斷所需的細胞特 征值5和，
顯示屏，與所述數(shù)字信號處理器連接，用于顯示檢查結(jié)果。
所述微通道的液體混合段可以是S形、或Z形、或弓字形等形狀的蜿蜒結(jié)構(gòu)， 其內(nèi)徑為5 ~ 200微米。所述微通道的檢測段可以設(shè)計成橫截面為圓形、三角形、 半圓形或多邊形的儲液池，儲液池的深度可設(shè)計為20 100微米，深度優(yōu)選30 ~ 60微米。
上述微流控芯片由兩片透光的基片封合制成，其中一個基片上成型有構(gòu)成所 述微通道的微結(jié)構(gòu)，另一個基片緊貼在所述微結(jié)構(gòu)的開口一側(cè)，兩個基片封合后 將所述微結(jié)構(gòu)的開口側(cè)封閉形成所述微通道(包括液體混合段和檢測段)，其中， 基片可以采用PDMS、玻璃或者其它高分子材料制成。
所述光源為LED光源，所述圖像傳感器釆用CMOS圖像傳感器，象素尺寸 可以達到2|jm。
本發(fā)明篩查裝置的主要功能包括紅細胞脆性檢驗和紅細胞基本參數(shù)的測量。 血樣進入微流控芯片后，通過CMOS直接成像，獲得紅細胞的近似尺寸等幾個 重要的血液學指標，包括紅細胞的形態(tài)、大小、平均體積(MCV)、細胞計數(shù)等。 在微通道的液體混合段，血液和鹽水混合，在0.32%或0.36%的NaCI溶液中， 正常人的紅細胞會膨脹至破裂，血紅蛋白釋放到溶液中，溶液是澄清的，而地貧 患者的紅細胞不會破裂，溶液是混濁的，血液-鹽水混合液流入芯片內(nèi)的儲液池(即 微通道的檢測段)，LED、芯片內(nèi)的儲液池和CMOS圖像傳感器處在同一光軸上， 使用LED發(fā)射可見光照射微流控芯片，將微通道里的血液-鹽水混合液投影于 CMOS圖像傳感器上，通過計算CMOS上的投影灰度情況來判斷血液是來自正常人還是地貧患者。
本便攜式地中海貧血病篩查裝置采用微流控芯片技術(shù)對細胞進行操作和分 析，與目前實驗室的常用方法相比，具有以下主要優(yōu)勢1)微通道尺寸與細胞
尺寸相匹配；2)微流控芯片提供了一個相對封閉的空間，減少了外界環(huán)境對細 胞的刺激；3)微流控芯片體積微小，節(jié)約了細胞溶液以及其它試劑的消耗量， 微通道傳熱傳質(zhì)迅速，反應時間也大大減少；4)溶液配制和檢測操作集成在一 塊芯片上一次完成。
其使用高分辨率的CMOS成像裝置對微流控芯片直接成像，在吸收光度檢 測的基礎(chǔ)上結(jié)合圖像特征提取等圖像處理方法，對地中海貧血病篩查，使得裝置 可以小型化，便于攜帶，而且易于操作。


圖1為本便攜式地中海貧血病篩查裝置的原理圖； 圖2為其微流控芯片的微通道的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為其微流控芯片的外部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
參照圖1-3,本基于微流控芯片影像技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置， 包括
微流控芯片1,具有兩個入口 11、 12和一個出口 13,其內(nèi)設(shè)置微通道，所 述微通道包括液體混合段14和檢測段15，液體混合段14的輸入端與所述兩個 入口 11、 12連通，4企測段15與所述出口 13連通；
微量注射泵2,與所述微流控芯片的兩個入口 11、 12連通，用于將待測血 液和鹽溶液泵入微流控芯片1內(nèi)的微通道中；
光學檢測器件3,包括光源31和圖像傳感器32，它們分別固定于所述微流 控芯片的微通道檢測段15的上下兩側(cè)，且光源31 、微通道檢測段15和圖像傳 感器32位于同一光軸上；
數(shù)字信號處理器4,與所述圖像傳感器32連接，對檢測到的圖像信號進行 灰度值和細胞邊緣的提取，得到吸收光度檢驗方法所需要的吸收光度值和診斷所 需的細胞特征值；和，
顯示屏5，與所迷數(shù)字信號處理器4連接，用于顯示檢查結(jié)果。顯示屏5采用 640x480的液晶屏。
圖1中電源6用于給整個裝置提供工作電壓。
微通道的液體混合段14呈S形的蜿蜒結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑可設(shè)計為5 ~ 200微米，微通道的檢測段15可以設(shè)計成橫截面為圓形、三角形、半圓形或多邊形的儲液
池，儲液池的深度可設(shè)計為20 ~ 100微米，深度優(yōu)選30 ~ 60微米。
微流控芯片1由兩片透光的基片16、 17封合制成，其中一個基片17上成 型有構(gòu)成所述微通道的微結(jié)構(gòu)，另一個基片16為平板，基片16緊貼在基片17 的微結(jié)構(gòu)的開口一側(cè)，兩個基片16、 17封合后將所述微結(jié)構(gòu)的開口側(cè)封閉形成 所述微通道(包括液體混合段14和檢測段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基片和玻璃片鍵合制成，其中PDMS基片是通 過微通道成型模具制成的，微通道成型模具釆用MEMS加工工藝制成。其一種 具體制作過程如下
1. 用計算機制圖軟件繪制微流控芯片的設(shè)計圖形(即微通道結(jié)構(gòu)圖)。
2. 制作光刻掩模版
掩模材料選用5英寸鍍鉻玻璃板，電子束曝光，將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移到掩模版上。
3. 曝光、顯影
清洗4寸硅片，在其表面均勻地涂上一層光刻膠(正膠)，帶有光刻膠的硅 片在一束光通過繪有預定圖案的掩模版中的透明部分而曝光，則圖案部分被光刻 膠保護了起來。
4. 等離子刻蝕(ICP)
包含氣體分子、自由電子和氣體離子的高能量等離子體撞擊硅片表面，并且 從表面除去硅，刻蝕深度50微米。至此，微通道成型模具制作完畢，圖案部分 凸起50微米。
5. 制作PDMS基片
PDMS與固化劑按照質(zhì)量比10: 1混合，攪拌均勻，除去氣泡，倒在微通道 成型模具上，置于烘箱中以7CTC固化1小時左右后取出，冷卻，揭下成形的 PDMS,在通道進樣口及出液口用鉆孔器打孔，即制成PDMS基片。
6. 封裝
PDMS基片經(jīng)氧氣等離子體表面處理后，與玻璃片鍵合在一起，即制成微流 控芯片。制作好的芯片如圖3所示。
微量注射泵2可以采用一個雙通道的微量注射泵，如美國KDScience公司 的KDS200等，也可以釆用2個單通道的微量注射泵，比如美國KDScience公 司的KDS 100等。
微流控芯片的光學檢測系統(tǒng)的兩個最重要的組成部分是光源和探測器，因此光學檢測系統(tǒng)的微型化也就是光源和探測器這兩個主要部件的微型化。在探測器 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頂'J陣列 上。
本篩查裝置中，光源31釆用LED光源，圖像傳感器32采用CMOS圖像傳 感器，象素尺寸可以達到2|jm。 CMOS成像陣列可以直接尋址單個象素，能夠 改變每個象素的積分時間從而獲得更靈敏的分析，由于一般來說成像陣列的大部 分單元是用不到的，所以CMOS具有更短的響應時間。雖然COMS的橫向分辨 力不可能達到光學顯微鏡的水平，但是他們完全可以滿足較大物體上的可見光光 譜實驗的要求。這樣一個近似成像系統(tǒng)的最高分辨力由成像陣列上的象素大小來 決定，它可以達到10)jm以下。成像系統(tǒng)的靈敏度則取決于象素的有效區(qū)域大小， 同樣也取決于象素的泄漏電流。
使用CMOS圖像傳感器直接成像還具備以下優(yōu)點(1)集成度高，可將圖像 傳感器陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、全數(shù)字接口電路 等集成在一起，可實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)；(2)工作電壓低，功耗??；(3)更低的系 統(tǒng)代價。
CMOS圖像傳感器32采集到的圖像信號可以獲得圖像對應每個象素的灰度 值，可以確定，通過這些灰度值完全可以恢復原始圖像。經(jīng)過類似數(shù)字剪影的方 法，在DSP4上比較正常細胞的混合液和待測細胞的混合液的象素值差異，這種 差異直接反映了混合液的吸光度，吸光度值可以用來作診斷使用。在作吸光度檢 測的同時，使用腐蝕、二值化等圖像處理方法對通道內(nèi)的紅細胞圖像進行邊緣提 取，獲得近似的紅細胞形態(tài)、大小、體積等參數(shù)。
檢測過程如下待測血液和一定濃度的鹽溶液分別從微流控芯片的兩個入口 11、 12通過微量注射泵2的驅(qū)動進入微流控芯片1內(nèi)的微通道，通過微通道的 液體混合段14后，待測血液和鹽溶液充分混合，然后進入檢測段15, LED 31 發(fā)出的可見光通過檢測段15入射在CMOS圖像傳感器32上，形成關(guān)于血液和 鹽溶液混合液的圖像信息。這些信息通過DSP4處理，與正常血液的光學特性相 比較，判斷待測血液是否病變，同時，通過成像系統(tǒng)對混合液中的紅細胞成像， 具體觀察紅細胞的形態(tài)學特征，供醫(yī)生判斷。
也可以在微流控芯片1上開三個入口， 一個進血樣，另外兩個進溶液，形成 所謂"夾流進樣式，，；也可以開更多的入口，只要血樣和溶液都進入芯片就可以。 出口也可以開兩個或多個。
權(quán)利要求
1、基于微流控芯片影像技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置，其特征在于包括微流控芯片，具有至少兩個入口和至少一個出口，其內(nèi)設(shè)置微通道，所述微通道包括液體混合段和檢測段，液體混合段的輸入端與所述入口連通，檢測段與所述出口連通；微量注射泵，與所述微流控芯片的入口連通，用于將待測血液和鹽溶液泵入微流控芯片內(nèi)的微通道中；光學檢測器件，包括光源和圖像傳感器，它們分別固定于所述微流控芯片的微通道檢測段的上下兩側(cè)，且光源、微通道檢測段和圖像傳感器位于同一光軸上；數(shù)字信號處理器，與所述圖像傳感器連接，對檢測到的信號進行灰度值和細胞邊緣的提取，得到吸收光度檢驗方法所需要的吸收光度值和診斷所需的細胞特征值；和，顯示屏，與所述數(shù)字信號處理器連接，用于顯示檢查結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的篩查裝置，其特征在于所述微通道的液體混合 段呈S形、或Z形、或弓字形的蜿蜒結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為5 200微米；微通道的檢 測段是橫截面為圓形、三角形、半圓形或多邊形的儲液池，儲液池的深度為20 ~ 100微米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的篩查裝置，其特征在于所述儲液池的深度為30~ 60微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的篩查裝置，其特征在于所述微流控芯 片由兩片透光的基片封合制成，其中 一個基片上成型有構(gòu)成所述微通道的微結(jié) 構(gòu)，另一個基片緊貼在所述微結(jié)構(gòu)的開口一側(cè)，兩個基片封合后將所述微結(jié)構(gòu)的 開口側(cè)封閉形成所迷微通道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的篩查裝置，其特征在于所述微流控芯 片是由PDMS基片和玻璃片鍵合制成，其中PDMS基片是通過微通道成型模具 制成的，微通道成型模具采用MEMS加工工藝制成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的篩查裝置，其特征在于所述光源為LED 光源，所述圖像傳感器采用CMOS圖像傳感器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的篩查裝置，其特征在于所述CMOS圖像傳感器 的象素尺寸為2)jm。
全文摘要
一種基于微流控芯片影像技術(shù)的便攜式地中海貧血病篩查裝置，包括微流控芯片，具有至少兩個入口和至少一個出口，其內(nèi)設(shè)置微通道，所述微通道包括液體混合段和檢測段，液體混合段的輸入端與所述入口連通，檢測段與所述出口連通；與所述微流控芯片的入口連通的微量注射泵；固定于所述微流控芯片的微通道檢測段的上下兩側(cè)的光學檢測器件；與所述光學檢測器件的圖像傳感器連接的數(shù)字信號處理器；和，顯示屏。本便攜式地中海貧血病篩查裝置將溶液配制和檢測操作集成在一塊芯片上一次完成，體積小、便于攜帶，而且易于操作。
文檔編號C12Q1/02GK101435818SQ20081021835
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者葉大田, 周亞浩, 雷 李 申請人:清華大學深圳研究生院