阅读说明：本技术 一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统 (Micro-fluidic automatic separation and intelligent component identification system ) 是由 马炯 盛菡 龙相安 糜岚 费义艳 于 2019-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统。该系统包括液滴芯片、上样和储存单元、颗粒图像检测单元、颗粒组分鉴定单元和载物台自动移位装置；上样和储存单元的上方依次设置颗粒图像检测单元和多个颗粒组分鉴定单元；载物台自动移位装置包括载物台和芯片位移轨道,载物台上搭载液滴芯片,载物台设置在芯片位移轨道上,芯片位移轨道分别和上样和储存单元、颗粒图像检测单元及颗粒组分鉴定单元相连；本发明的系统可实现对微量溶液中颗粒的连续自动化计数,粒度分布和图像识别,分选和收集,以及组分智能多功能分析鉴定。(The invention discloses a micro-fluidic automatic separation and intelligent component identification system. The system comprises a liquid drop chip, a sample loading and storing unit, a particle image detection unit, a particle component identification unit and an automatic stage shifting device; a particle image detection unit and a plurality of particle component identification units are sequentially arranged above the loading and storage unit; the objective table automatic shifting device comprises an objective table and a chip displacement track, wherein a droplet chip is carried on the objective table, the objective table is arranged on the chip displacement track, and the chip displacement track is respectively connected with the sample loading and storing unit, the particle image detection unit and the particle component identification unit; the system can realize continuous automatic counting, particle size distribution and image recognition, sorting and collection of particles in a trace solution, and intelligent multifunctional analysis and identification of components.)

一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统

技术领域

本发明颗粒分析技术领域，具体的说，涉及一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统。

背景技术

液体产品中颗粒控制的要求在医疗健康环保等领域逐渐加强，如血液样品分析，食品及制药研发与生产质量控制，以及纯水处理等。颗粒检测也成为了产品质量控制中至关重要的一环。了解和掌握颗粒的粒度分布，形态特征和结构组成，对各相关领域的产品工艺开发与过程优化，产品质量控制以及产品问题调查研究均提供了直接有力的思路和解决方案。

基于图像分析的颗粒粒度分析仪已有广泛报道。从美国专利号US 7064826 B2已知，一种数字光学颗粒粒度检测方法利用减少的放大倍率，对获得的颗粒图像像素阵列进行像素点差异分析，从而得到颗粒粒度分布和形态的检测结果。从美国专利号US 9360410B2已知，一种颗粒检测仪可覆盖较宽颗粒粒径范围。其中，较低尺寸范围和中等尺寸范围是基于颗粒暗图像区域检测得到的，而颗粒的较大尺寸范围是基于颗粒较明亮图像区域检测得到。该颗粒检测仪包括一个样品流动池，一个暗区域光源，一个亮区域光源，一个图像系统，一个过程系统，和一个泵系统。液体样品在蠕动泵的驱动下流经样品流动池，液体中的颗粒被显微镜和相机系统捕获。

颗粒检测由于应用领域的广泛性，有诸多领域均要求尽量减少检测样品的体积。利用微流控芯片技术制作的样品处理系统可实现液体样品的微量及高通量检测的目标。从CN 104846400 B 已知，一种基于介质层上电润湿原理的电解器件，通过对电解过程及液滴***过程的控制，得到了含有特定浓度不同极性电解产物的液滴。从CN 104994955 B 已知，液滴操纵系统通过电极阵列中向个别电极提供电压脉冲以实现电润湿来操纵液滴。

目前的颗粒检测仪仅可以分析液体中颗粒的粒度分布和形态，而不能更深入的提供颗粒的结构组成信息。对于颗粒的形态分析，目前尚处于图像的初步应用阶段。仪器分析得到的颗粒图像信息，还不能用来准确判断颗粒的属性，即内生性，内源性和异源性。这一局限使得颗粒图像分析往往只能用作颗粒分析的辅助和参考手段。如果想要知道颗粒的真实结构和来源，只有将颗粒图像分析和其他颗粒组分鉴定方法联合使用。然而，目前的颗粒组分鉴定方法纯粹依赖于液体中颗粒的手动过滤分离，相当耗时耗力。一个培训合格的研究员4小时只能完成一个液体样品中颗粒的分离和组分鉴定。基于样品手动操作的大体积要求，对样品的破坏性，和样品检测过程中不可避免的被环境污染的风险，以及单独鉴定检测及数据分析的高技术难度，颗粒组分鉴定尚不能在工业界大范围推广使用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统。该系统自动化程度高，其利用微流控技术制作的液滴芯片和进行颗粒图像检测和颗粒组分鉴定的光学检测器，可实现对微量溶液中颗粒的连续自动化计数，图像和粒度识别，分选和收集，以及组分多功能智能分析鉴定。

本发明将含有颗粒的液体在电润湿技术的牵引下自动分离成液滴，经液滴芯片的数字液滴微流控流路到达可视的检测窗，液滴被安置在检测窗正上方外部的光学检测器所探测，基于检测到的颗粒图像和光谱信息，实现颗粒组分的自动智能鉴定。本发明的技术方案具体介绍如下。

一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统，其包括液滴芯片、上样和储存单元、颗粒图像检测单元、颗粒组分鉴定单元和载物台自动移位装置；上样和储存单元包括温度控制

仪和废液瓶；载物台自动移位装置包括载物台和芯片位移轨道，载物台上搭载液滴芯片，载物台设置在芯片位移轨道上，芯片位移轨道分别和上样和储存单元、颗粒图像检测单元及颗粒组分鉴定单元相连；液滴芯片包括底板、电极微阵列层、上疏水聚合物层、下疏水聚合物层和电极选择器，底板下方粘附至少一个电极选择器，底板上方设置电极微阵列层，电极微阵列层上方设置下疏水聚合物层和上疏水聚合物层；所述上、下疏水聚合物层之间设置样品储液区、数字液滴微流控流路、检测窗和液滴储存区；样品储液区至少由一个样品储液室组成；数字液滴微流控流路包括主流路和支流路，主流路和每个样品储液室的底部液流出口相连，主流路和检测窗的入口相连，检测窗出口通过支流路连接各液滴储存小室，微流控流路的分布和电极微阵列层中的电极微阵列的分布相对应，主流路主要实现液滴的分离；液滴存储区包含若干个液滴储存小室，检测窗的出口通过支流路发散连接至各个液滴储存小室，检测窗的入口的主流路和出口的支流路中均分布有电极微阵列；颗粒图像检测单元包括第一检测器，第一检测器为图像捕获器；颗粒组分鉴定单元包括第二检测器，第二检测器选自紫外光谱仪、红外光谱仪、拉曼光谱仪、荧光光谱仪、微波波谱仪、电子自旋波谱仪或核磁共振波谱仪中任一种或几种。

本发明中，还包括微型电池，微型电池和电极选择器相连。

本发明中，图像捕获器为电子显微镜或者光学显微镜。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明利用数字化电润湿液滴微流控技术处理液体颗粒样品，可极大的减少样品体积消耗，以及实现自动化分离液体中颗粒和样品的非破坏性的分析，即样品颗粒的收集再利用。

2、本发明将微流控技术和颗粒图像检测技术进行联用，可实现颗粒的初步自动分选，如制药工艺中常见的气泡和硅油可以在初步分选中被剔除。

3、本发明还采用颗粒组分鉴定技术，可以在颗粒初步分选的基础上，高效的完成疑似颗粒的组分鉴定。

4、本发明采用载物台自动移位装置，可实现颗粒分离和鉴定的全自动化一体操作。

5、本发明的系统利用数字微流控技术的液滴芯片和集成的多功能光学检测器，可实现对微量溶液中的蛋白颗粒、细胞等颗粒进行连续自动化的计数，粒度分布和图像识别，分选和收集，以及颗粒组分的多功能智能化分析鉴定。该系统可应用于任何有关颗粒作为主成分或杂质的工艺开发和质量控制领域。例如，该系统可应用于药液生产过程中的质量控制，尤其是对于颗粒杂质的偏差调查及根本原因分析。利用该系统产生的大量高价值的信息，可了解并确认引入或造成颗粒形成的原因，并有针对性的改进药液制剂生产工艺，最终实现对生产过程中的颗粒的有效控制。另外，该系统还可应用于制剂配方和工艺开发、微胶囊化工艺开发、细胞克隆筛选和细胞培养工艺优化、环境细菌微生物的鉴定，层析柱填料填装工艺检测与质量控制，食品和饮料的配方工艺开发和质量控制，设备清洗工艺确认，和钻石微粉化研磨工艺开发与优化，污水处理和纯水工艺开发，和血液样品分析等领域。

附图说明

图1是本发明的系统的结构示意图。

图2是液滴芯片结构及液滴检测示意图。

图3是液滴在液滴芯片上位移控制示意图。

附图标记：1-废液瓶，2-芯片位移轨道，3-废液管路，4-温度控制仪，5 -液滴芯片，6-检测窗，7-数据处理中心，8-上样和储存单元，9-光源，10-光学器件，11-第一检测器，12-颗粒图像检测单元，13-第二检测器，14,16-颗粒组分鉴定单元，15-第n检测器, 17-底板，18-电极选择器，19-电极微阵列层，20-下疏水聚合物层，21-液滴微流控流路层，22-上疏水聚合物层， 23-待检液滴， 24-聚合物薄膜，25-样品储液室，26-样品储液区，27-液滴储存区，28-数字液滴微流控流路，29-液滴储存小室，30-废弃液滴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

如图1~图3所示，一种微流控自动分选及组分智能鉴定系统，包括上样和储存

单元8、液滴芯片5，颗粒图像检测单元12、颗粒组分鉴定单元14，载物台自动移位装置

和数据处理中心7。上样和储存单元8正上方依次叠加设置颗粒图像检测单元12、颗粒组分鉴定单元14；载物台自动移位装置包括载物台和芯片位移轨道2，载物台上搭载液滴芯片5，载物台自动移位装置连接液滴芯片5和上样和储存单元8、颗粒图像检测单元12和颗粒组分鉴定单元14。载物台自动移位装置可实现双向运输。上样和储存单元8含有温度控制仪4和一个废液瓶1。当需要对液滴芯片5中的样品进行加温或降温孵育时，载物台自动移位装置将液滴芯片5传输至该单元。为保证温度敏感生物制品的分析，可控制样品的温度范围是2~80℃。当温度处理结束后，液滴芯片5经载物台自动移位装置依次传输至颗粒图像检测单元12、以及颗粒组分鉴定单元14和16进行检测。本发明的系统可处理的颗粒粒度范围较宽，其粒度可以在0.1 ~1000 μm之间。

液滴芯片5是本发明一体化系统的样品处理核心元件；液滴芯片5的制作是在一个底板17上依次铺上电极微阵列层19，上疏水聚合物层22和下疏水聚合物层20；上疏水聚合物层22和下疏水聚合物层20之间设置液滴微流控流路层21，液滴芯片5的底板17下至少粘附一个电极选择器18，电极选择器18可向电极微阵列层19施加脉冲式电压，从而驱使液滴微流控流路层21中的液滴以电润湿的方式进行分离和移动。液滴芯片5可以用聚合物一体浇注制备成薄膜，也可以用聚合物分体浇注上下层薄膜，再粘附而成。液滴芯片5可处理的样品体积范围较宽，优选为1μL至1mL。

液滴芯片5中的液滴微流控流路层21分成若干区域，包括样品储液区26，数字液滴微流控流路28，检测窗6和液滴储存区27。

样品储液区26由至少一个或多个（优选10个）独立的1 mL样品储液室25组成，可分别放置至少一个或多个相同或不同的生物样品。样品储液区26是由聚合物薄膜制作的无上盖储液小池（小池密封可额外覆盖盖板，优选定制硅胶片），小池尺寸优选10mm ×10mm×10mm。

数字液滴微流控流路28是液滴芯片5的经脉，是基于微流控电润湿技术的液滴操控系统，主要连接样品储液室25，检测窗6和液滴存储区27。液滴从样品储液室25分离，被液滴操控系统牵引，流经数字液滴微流控流路28，被输送至检测窗6，在光源9和光学器件10辅助下，最终被检测窗6上方的颗粒图像检测单元12、颗粒组分鉴定单元14中的光学检测器11，13和15检测鉴定。

样品储液室25至检测窗6是单向流路设计，每一个样品储液室25底部均有一条主流路通向检测窗6，检测窗6通向支流路；样品储液室25底部微流控流路的分布和电极微阵列层19中的电极微阵列的分布相对应，该芯片没有特殊阀门的设计，液体的流动均依靠底板17下方的电极选择器18对电极微阵列层19上电极施加的脉冲电压。当向样品储液室25中装液体和存储液体时，其底部的液流出口在脉冲电压的作用下处于关闭状态。而当样品检测时，其底部的液流出口处于开启状态。基于检测方式的不同，出口开启的时长也有所区别。在连续液流检测模式下，该出口可长时间开启，直至该样品储液室25的液体耗尽；在液滴检测模式下（非连续），该出口的开启可依照所需分离液滴体积的大小而进行控制。样品储液室25相对独立，没有交叉污染的风险。样品储液室25除了放置待检样品外，也可放置清洗液。清洗液可用于不同样品间切换时微流控流路和可视检测窗6的清洗。清洗液可包括但不限于纯水，制剂用水，含有表面活性剂（吐温20 或80）的水溶液等等。

检测窗6是一个可视窗口，为实现样品微量检测，该窗口的优选直径为1mm。在该检测窗6下方未配备电极微阵列。但在该检测窗6入口和出口的微流控流路中均分布有电极微阵列，以实现液滴的移动。在光源9（芯片正下方）和光学器件10（检测窗正上方）辅助下，液滴中的颗粒被安置在该检测窗6外部正上方的颗粒图像检测单元12和颗粒组分鉴定单元14中的多功能的光学检测器11，13和15所探测。基于检测到的颗粒数量和种类，如有必要，可进一步将液滴拆分成仅含一个颗粒的更小液滴单元。颗粒图像检测单元12包括一个光源9，一个光学器件10，和第一检测器11，第一检测器11为图像捕获器（可自动调节焦距的显微镜），其基于显微镜捕获的颗粒图像传输至数据处理中心7，系统自动记录颗粒的数量和大小，并分析判断该颗粒的疑似属性；它可以将液滴中含有生物制剂生产中常见的硅油和气泡识别出来，并经废液管路3输送至外部上样和储存单元8的废液瓶1中，而其他的包含可疑颗粒的液滴会被液滴操控系统流经通路输送至液滴储存区27的液滴储存小室29，这些液滴将进行第二轮的颗粒组分鉴定。

检测窗6和液滴储存区27有一条支流路连接，是双向流路设计。液滴储存区27优选是5 cm × 5 cm 的正方形阵列，液滴储存区27包含足够多的液滴储存小室29，可以制成12×24=288 个的2μL储存小室，体积为2μL= 2mm ×1mm×1 mm，可以放置存储相应数量的待检颗粒。各个液滴储存小室29相互独立，彼此间距优选设计为1 mm。在液滴存储区27，支流路发散连接至各个液滴储存小室29。每个液滴储存小室29有独立编号，系统会根据待检小室编号对含有可疑颗粒的液滴进行标记和编号。液滴储存小室29实现了颗粒从待测样品的分离的目的，并为多功能颗粒鉴定提供了基础。暂存在液滴储存小室29的含有可疑颗粒的液滴可以流经数字液滴微流控流路28，逐个被重新输送至液滴芯片5中的检测窗6，进行颗粒组分的检测；一些特殊的颗粒甚至可以重新经检测窗6转移回样品储液区26，收集后存入密闭容器，可以作为颗粒标准品或进一步做其他颗粒鉴定检测。该功能很好的满足了可疑液体颗粒二轮或多轮检测的需求。为实现样品微量检测，该流路的优选直径为1mm。该液体芯片主要的特点是体积微小，液滴体积可控，液滴流速可控，易清洗，不易交叉污染，以及密闭系统确保了检测过程中不易受外界环境中颗粒污染等。

待全部样品的颗粒图像检测结束后，液滴芯片5会被自动移至第二检测器13、进而第n检测器15的位置，即颗粒组分鉴定单元14、16。该系列单元连接强大的数据处理中心7。该数据处理中心7包含种类丰富的颗粒组分库，自带的智能数据处理软件可以实现由检测器13和15收集的颗粒光学信号自动对照组分库，识别并分析颗粒元素组成，进而给出颗粒属性的准确判断。颗粒组分鉴定单元14中的检测器，包括但不限于紫外光谱仪，红外光谱仪，拉曼光谱仪，荧光光谱仪，微波波谱仪，电子自旋波谱仪和核磁共振波谱仪等。系统根据颗粒鉴定结果，自动对照系统软件中的颗粒元素数据库，最终生成颗粒属性的鉴定报告。