一种基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法，该系统包括：微流控芯片微粒进样系统、计数系统、信号检测系统和光镊分选系统；微流控芯片微粒进样系统，用于通过流体动力学聚焦使微粒沿一定路径逐一经过微流控芯片；微粒通过检测计数区时，信号检测系统通过微弱光信号检测技术，实现微粒的发光信号和前向散射光信号的多参数同时表征，实现微粒的检测，并通过计数系统对微粒数量进行统计；微粒通过捕获分选区时，根据微粒的检测结果，通过光镊分选系统对特定种类的微粒进行偏转，实现微粒的分选功能。本发明专利技术装置结构紧凑，易实现小型化，本方法具有灵敏度高、分析速度快、高通量、选择性好、样品用量少、抗干扰能力强等优点。

A multifunctional optical tweezers system and method based on microfluidic chip

The invention discloses a multifunctional optical tweezers system and method based on a microfluidic chip. The system comprises a microfluidic chip particle injection system, a counting system, a signal detection system and an optical tweezers sorting system; and a microfluidic chip particle injection system for making particles pass through a certain path one by one through a hydrodynamic focusing. Microfluidic chip; when particles pass through the detection and counting area, the signal detection system realizes the simultaneous characterization of the emission signal and the forward scattering signal of particles by the weak light signal detection technology, realizes the detection of particles, and counts the number of particles by the counting system; when particles pass through the capture and sorting area, according to The results of particle detection, through optical tweezers sorting system for specific types of particles deflection, to achieve the separation function of particles. The device has compact structure and is easy to realize miniaturization. The method has the advantages of high sensitivity, fast analysis speed, high throughput, good selectivity, less sample consumption and strong anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法
本专利技术涉及微流控芯片实验室、光镊微操纵技术、纳米光子学以及生物医学检测等交叉
，尤其涉及一种基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法。
技术介绍
常用的细胞分选方法有细胞筛分选法、离心分选法、激光诱导荧光分选法和磁分选法。商品化的流式细胞术通常采用激光诱导荧光检测，结合介电泳力分选的方法，而基于微流控芯片的流式细胞术能够将传统的细胞分选方法推广到微流控技术层面实现，利用外力的作用实现分选，如介电泳分选、磁力吸附、光力分选和声力分选，从而充分体现微流控芯片尺寸小、效率高、集成度高、分析速度快、价格低廉等特点。光镊的概念最早由美国科学家Ashkin于1970年提出，由一束高度会聚的高斯激光在焦点处产生足够强的光阱梯度力，对微米乃至纳米尺寸的粒子进行捕获和操纵。光镊技术采用非接触式遥控工作模式、无需加工微操控部件，且不会对被操控细胞产生机械损伤，因而成为在微流控芯片中对单细胞或其他粒子进行光学操控的最常用手段。上转换发光纳米材料能吸收两个或多个低能光子而辐射一个高能光子，通常是将近红外光转换为可见光。其作为生物标记探针具有诸多优点，例如：低毒性、高化学稳定性、优异的光稳定性、窄带发射、长的发光寿命和高信噪比等；此外，近红外激光作为其激发光源带来了许多优势，例如：较深的光穿透深度，对生物组织几乎无损伤、无背景荧光等。基于微球的悬浮芯片技术是指将抗体或其他生物分子固载在微球载体上制成捕获微球，然后处在悬浮状态的捕获微球特异性识别检测体系中不同的待检物质，最后与报告抗体或生物分子发生杂交或免疫反应，形成夹心结构。通过检测单个微球上的报告分子的信号如荧光、放射性、化学发光等来定量检测目标物的浓度。通过微球的尺寸编码、荧光编码等能够实现多种分析物的同时检测，该技术非常适用于微量样品的检测。基于微流控芯片和上转换纳米标记技术，构建光镊分选体系在生物分析等领域有非常好的应用潜力，能够对复杂样品(如全血清、全血浆)中的多种生物分子如核酸、蛋白质等或者病毒粒子等待测物进行高灵敏检测，以及对肿瘤患者血样中循环肿瘤细胞(CTCs)进行检测、分选和分型，为癌症的早期诊断、疗效评估和癌症转移机制研究提供一种新的分析技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于微流控芯片的多功能光镊系统，该系统包括：微流控芯片微粒进样系统、计数系统、信号检测系统和光镊分选系统；其中：微流控芯片微粒进样系统，用于通过流体动力学聚焦使微粒沿一定路径逐一经过微流控芯片，微流控芯片上预设有检测计数区和捕获分选区；微粒通过检测计数区时，信号检测系统通过微弱光信号检测技术，实现微粒的发光信号和前向散射光信号的多参数同时表征，实现微粒的检测，并通过计数系统对微粒数量进行统计；微粒通过捕获分选区时，根据微粒的检测结果，通过光镊分选系统对特定种类的微粒进行偏转，实现微粒的分选功能。进一步地，本专利技术的微流控芯片设置有3路流入端和3路流出端，检测计数区和捕获分选区设置在流入端和流出端之间的位置；其中：3路流入端中，两侧为鞘流，中间为微粒的样品流；样品流与鞘流同时流入检测计数区和捕获分选区，两侧的鞘流用于保证样品流在中间形成单个排列的微粒，微粒四周被鞘流围绕；3路流出端中，中间为样品流的流出端(废液通道)，两侧为收集通道；通过光镊分选的微粒发生光镊偏转，通过收集通道流出。进一步地，本专利技术的该系统还包括光源系统，光源系统包括LED光源和激光光源；其中：LED光源产生白色LED光，经过透镜聚焦后作为微粒的指示光源，指示光源从微流控芯片微粒进样系统的上方进行照射；激光光源产生近红外激光，通过可调偏振式衰减器，将非偏振的近红外激光分解成两束不同的偏振光，包括P光和S光，并任意调整两束激光的能量比，两束偏振激光从微流控芯片微粒进样系统的下方进行照射。进一步地，本专利技术的两束偏振激光中，S光通过声光调制器进行调制，声光调制器用于同时进行激光的强度和偏转角度的调制；P光和S光的聚焦光斑分别位于微流控芯片上的上游和下游，分别用作激发光源和捕获光源；S光再通过扩束系统，并由物镜聚焦形成光阱，光阱用于捕捉微粒。进一步地，本专利技术的近红外激光器的波长为808nm、980nm或者1064nm。进一步地，本专利技术的信号检测系统包括多个光电倍增管PMT和一个InGaAs检测器，分别用于检测微粒的上转换发光和前向散射光信号，根据需要增加上转换发光信号检测通道数，构建多通道检测系统。本专利技术提供一种基于微流控芯片的多功能光镊方法，包括以下步骤：步骤一：将上转换荧光探针耦合到微粒表面，形成的单微粒悬浮液注入微流控芯片微粒进样系统的通道中，根据流动聚焦原理使样品流成单行通过检测计数区和捕获分选区；步骤二：启动近红外激光器，经物镜聚焦后的激光，通过可调偏振式衰减器，将非偏振的近红外激光分解成两束不同的偏振光，包括P光和S光；通过相机或摄像机观察调整P光和S光的位置，并调整激光功率大小，使P光在通道内的上游与微粒作用，激发上转换发光信号，S光在下游形成光阱；步骤三：根据上转换发光信号和前向散射光信号强度指示声光调制器进行光镊分选系统的开启或者关闭，使靶微粒受到光阱作用力进入收集通道，未受到光阱力作用的微粒则进入废液通道，从而进行实时计数、定量分析和对靶微粒的分选。进一步地，本专利技术的探针为上转换纳米材料。进一步地，本专利技术的进行检测的靶微粒类型包括：细胞、细胞外泌体，以及采用微球富集的核酸、蛋白、病毒、小分子和金属离子。进一步地，本专利技术的进行分选的靶微粒类型为微小颗粒物，包括细胞或者微球。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的基于微流控芯片的多功能光镊系统及方法，具有以下优点：1、本专利技术将微流控芯片实验室、上转换材料标记生物样品与多功能光镊系统相结合，提出一种新型的分析检测装置，该装置可对多种待测物进行实时分析和分离。2、本专利技术以小粒径的上转换发光纳米材料作为标记探针，对生物样品的损伤小。3、本专利技术构建的多功能光镊系统能够对样品进行检测的同时实现分选，有很高的检测通量和分选的准确性。4、本专利技术将单束激光分成P光和S光，避免使用双激光器，并且易于分别调节两束光的强度，简化了装置，降低了成本。5、本专利技术将简单的白光LED照明光源同时作为样品的指示光源。6、本专利技术装置由于采用近红外激光来实现激发上转换纳米材料发光，只有激光聚焦焦点处出现强的上转换发光信号，克服了常规荧光检测方法中难以克服的自发荧光干扰，因此本方法用于复杂样品体系的分析时，提高了方法的抗干扰能力。此外，激光与微粒作用的前向散射光信号经分光镜能够准确的判断颗粒的出现。物理信号和化学信号的结合分析，便于进行精确的后续分选。7、本专利技术装置由InGaAs器件对较弱的近红外散射光信号进行检测，由光电倍增管对上转换发光信号进行检测。两种检测器都具有高信噪比、高灵敏度并且响应速度快等优点。8、本专利技术装置通过相机(摄像机)观察视野，便于快速定位芯片通道探测区。9、本专利技术用于生物样品的检测时，具有高通量、低背景、高灵敏度的特点。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1本专利技术装置结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微流控芯片的多功能光镊系统，其特征在于，该系统包括：微流控芯片微粒进样系统、计数系统、信号检测系统和光镊分选系统；其中：微流控芯片微粒进样系统，用于通过流体动力学聚焦使微粒沿一定路径逐一经过微流控芯片，微流控芯片上预设有检测计数区和捕获分选区；微粒通过检测计数区时，信号检测系统通过微弱光信号检测技术，实现微粒的发光信号和前向散射光信号的多参数同时表征，实现微粒的检测，并通过计数系统对微粒数量进行统计；微粒通过捕获分选区时，根据微粒的检测结果，通过光镊分选系统对特定种类的微粒进行偏转，实现微粒的分选功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于微流控芯片的多功能光镊系统，其特征在于，该系统包括：微流控芯片微粒进样系统、计数系统、信号检测系统和光镊分选系统；其中：微流控芯片微粒进样系统，用于通过流体动力学聚焦使微粒沿一定路径逐一经过微流控芯片，微流控芯片上预设有检测计数区和捕获分选区；微粒通过检测计数区时，信号检测系统通过微弱光信号检测技术，实现微粒的发光信号和前向散射光信号的多参数同时表征，实现微粒的检测，并通过计数系统对微粒数量进行统计；微粒通过捕获分选区时，根据微粒的检测结果，通过光镊分选系统对特定种类的微粒进行偏转，实现微粒的分选功能。2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的多功能光镊系统，其特征在于，微流控芯片设置有3路流入端和3路流出端，检测计数区和捕获分选区设置在流入端和流出端之间的位置；其中：3路流入端中，两侧为鞘流，中间为微粒的样品流；样品流与鞘流同时流入检测计数区和捕获分选区，两侧的鞘流用于保证样品流在中间形成单个排列的微粒，微粒四周被鞘流围绕；3路流出端中，中间为样品流的废液通道的流出端，两侧为收集通道；通过光镊分选的微粒发生光镊偏转，通过收集通道流出。3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的多功能光镊系统，其特征在于，通过可调偏振式衰减器将非偏振的近红外激光分解成两束不同的偏振光，包括S光和P光，并任意调整两束激光的能量比。通过声光调制器用于对S光同时进行强度和偏转角度的调制；P光和S光的聚焦光斑分别位于微流控芯片上的上游和下游，分别用作激发光源和捕获光源；S光再通过扩束系统，并由物镜聚焦形成光阱，光阱用于捕捉微...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐宏武，郑贝，庞代文，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42