微流控技術(shù)中的顯微成像和高速成像

一、微流控技術(shù)與高速顯微相機(jī)
 

微流控芯片相當(dāng)于在幾平方厘米的微小芯片上構(gòu)建的化學(xué)或生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可完成化學(xué)和生物領(lǐng)域包括樣品制備、反應(yīng)、分離、檢驗(yàn)等基本操作流程，具備液體流動可控、消耗試樣、分析速度高等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于CTC活檢、藥物篩選、單細(xì)胞分析、微球制備、基因測序、PCR反應(yīng)、器官芯片等領(lǐng)域。
微流控一般包括以下幾個系統(tǒng)：
（1）流體驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)精度和穩(wěn)定性要求，可分為壓力泵、注射泵或蠕動泵。
（2）過程檢測及控制系統(tǒng)，由流量傳感器和各種閥門組成，可實(shí)現(xiàn)流量的反饋控制，結(jié)合閥門控制，還可以實(shí)現(xiàn)順序噴射、循環(huán)噴射和流體的體積定量。
（3）微流控芯片及觀測系統(tǒng)，根據(jù)研究應(yīng)用不同選擇相應(yīng)的微流控芯片，再根據(jù)芯片選擇驅(qū)動源、閥門、顯微鏡和相機(jī)等組件。
（4）檢測分析系統(tǒng)，在細(xì)胞成像、細(xì)胞培養(yǎng)等大多數(shù)應(yīng)用中，需要觀察、記錄和分析微流控芯片上的反應(yīng)，有必要使用高速相機(jī)等高精度設(shè)備來檢測、收集和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
MF52-N顯微鏡用于微流控
因?yàn)樵摷夹g(shù)大部分具有微觀及高流速特點(diǎn)，使用顯微相機(jī)捕獲其快速運(yùn)動的顯微圖像并進(jìn)行有效分析，是實(shí)驗(yàn)操作成功的關(guān)鍵，以下是顯微鏡相機(jī)的幾個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：
（1）傳感器芯片：主要分為CMOS與CCD，區(qū)別在于信號讀出過程的不同，CMOS在功耗、成本和發(fā)展?jié)摿Ψ矫娓�有�?yōu)勢，背照式CMOS在可見光領(lǐng)域已經(jīng)成為市面主流的相機(jī)芯片，CCD只有特殊的制冷型CCD還能在近紅外領(lǐng)域有一席之地，目前也有被背照式sCMOS取代的趨勢。
（2）芯片尺寸：指圖像傳感器的成像靶面尺寸，在同樣成像像場下，靶面越大，視野越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。顯微成像常見的芯片尺寸有4/3英寸，1英寸，2/3英寸，1/2英寸等。
（3）像元尺寸：指每個像素對應(yīng)的傳感面尺寸，像元尺寸越大，單個像素能夠接收到的光子數(shù)量越多，感光性能越好。對于熒光成像等弱光成像而言，大像元尺寸意味著更高的靈敏度，能以更快的速度成像，讓捕捉高速畫面成為可能。
（4）分辨率：一般表示為橫向像素*縱向像素（像素=像元數(shù)），高分辨率通常意味著成像更清晰、細(xì)節(jié)更豐富，但像元尺寸需要妥協(xié)，不擴(kuò)大傳感前提下，高分辨率和高靈敏度是難以兼得的。 （5）分辨率@幀率：在特定分辨率下相機(jī)一秒鐘成像的次數(shù)，幀率越高，畫面越流暢，越能辨認(rèn)動態(tài)細(xì)節(jié)。但分辨率和幀率越高，要處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大，受制于處理能力和帶寬限制，高分辨率和高幀率無法兼顧。尤其在高速攝像時，為了提升幀率，要降低分辨率，類似于汽車上不同檔位對應(yīng)的扭力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用改變分辨率達(dá)到不同的拍攝幀率。
（6）快門速度：指從快門打開到關(guān)閉的時間間隔，在這一段時間內(nèi)，物象可以在傳感上留下影像。通常在拍攝高速移動物體時，需高速快門（短曝光時間）以減少運(yùn)動偽影，對于弱光條件或慢速靜態(tài)的拍攝，就需要更慢速快門（長時間的曝光）以獲取足夠的照明。

二、微流控的顯微成像挑戰(zhàn)
 

大部分微流控芯片中的反應(yīng)過程具有微量、樣本微小、流速快等特點(diǎn)，為獲得連續(xù)清晰的圖像并進(jìn)行有效分析，需使用高速顯微相機(jī)成像記錄。在微流控技術(shù)高速成像的過程中，面臨著很多挑戰(zhàn)，典型的有以下幾種：
（1）高速移動對幀率和靈敏度提出高要求：在高速運(yùn)動的微流控應(yīng)用中，如液滴分選等應(yīng)用，正常每秒可生成十幾個到上百個，甚至達(dá)上千個。普通相機(jī)幀率可能就30fps不到，看到的是液珠運(yùn)動形成的線，看不到單個液滴。明美高速顯微相機(jī)MS16-H在全分辨率下即可達(dá)到660fps，滿足一般的高速成像需求，還可通過調(diào)整分辨率達(dá)到更高幀率滿足更高要求。同時這款相機(jī)的像元尺寸達(dá)到了9μm，具有較高的靈敏度和信噪比，在不配置特殊照明系統(tǒng)前提下更容易達(dá)到理想的成像效果。 （2）海量圖像數(shù)據(jù)的傳輸：在拍攝高速微流控應(yīng)用時，高速相機(jī)在短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量圖像數(shù)據(jù)，如明美高速相機(jī)MS16-H在160萬全分辨率、660幀率條件下拍攝，每秒產(chǎn)生的原始圖像數(shù)據(jù)可達(dá)1.5GB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了USB3.0接口5Gbps（640MB/s）的理論帶寬上限，MS16-H采用萬兆網(wǎng)卡接口傳輸數(shù)據(jù)，理論帶寬可達(dá)10Gbps，并且加入256MB大緩存和壓縮算法，可滿足高速拍攝時的數(shù)據(jù)傳輸要求。
（3）海量圖像數(shù)據(jù)的分析處理：高速相機(jī)可每秒拍攝幾百到上千幀的圖像，會對電腦硬盤性能和處理性能帶來大的壓力。明美高速相機(jī)MS16-H配套專業(yè)的圖像分析系統(tǒng)，通過將內(nèi)存作為處理緩存，緩解硬盤讀寫性能瓶頸，并通過算法處理，可以慢速播放并提取有效關(guān)鍵圖像信息。
（4）高幀率和高分辨率難兼顧：高速相機(jī)需要較大的像元尺寸來保障靈敏度，否則無法實(shí)現(xiàn)有效的高幀率成像，而傳統(tǒng)顯微鏡中使用的相機(jī)分辨率可高達(dá)2000萬像素，為靜態(tài)和緩慢移動的成像提供了優(yōu)于高速相機(jī)的空間分辨率。明美雙分光接口，可以將兩個顯微鏡相機(jī)接入到系統(tǒng)，同時滿足高速成像和高分辨率成像。
 

三、明美解決方案
 

（1）高速微流控成像方案
  型號：高速相機(jī)MS16-H
 

 

• 1.1英寸傳感，9*9μm大像元尺寸，高靈敏度，優(yōu)異熒光成像效果
• 170萬全分辨率下幀率可達(dá)662fps，降低分辨率可提升到上千幀率
• 快門速度1μs-1153ms，可有效捕獲快速運(yùn)動物體圖像，減少運(yùn)動偽影
• 10Gbps萬兆網(wǎng)卡接口，專業(yè)配套軟件，電腦幾乎實(shí)時預(yù)覽高幀率成像
• 256M幀緩存空間，有效保證相機(jī)高幀率拍攝與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性

（2）常規(guī)微流控觀測相機(jī)
   型號：MSX11/MSX2/MC50-S
 

 

• 2/3-4/3英寸芯片尺寸，像素覆蓋500萬-2100萬級別，滿足不同觀測要求
• 3*3μm以上像元尺寸，提供高靈敏度成像效果，可適用于熒光成像
• MSX2/MC50-S幀緩存空間64M，MSX11幀緩存空間達(dá)128M
• 均采用USB3.0  5Gbps數(shù)據(jù)傳輸接口，傳輸速度快，低延遲，穩(wěn)定性高
• 可根據(jù)需要通過調(diào)整分辨率獲取高幀率性能，200萬像素情況下分辨率達(dá)60fps，滿足常規(guī)慢速拍攝

（3）正置顯微觀測平臺
  型號：正置顯微鏡MJ31/ML51-N/MF43-N等

• 正置顯微鏡有高放大倍率和更強(qiáng)的擴(kuò)展性能，一機(jī)多用
• 可選金相顯微鏡配置，長工作距離物鏡更適合微流控芯片
• 有明場、熒光、相差、DIC等成像模式，適用于不同微流控應(yīng)用場景
• 性能穩(wěn)定、剛性結(jié)構(gòu)有助于高速精細(xì)成像的穩(wěn)定
• 高數(shù)值孔徑消色差物鏡/半復(fù)消色差物鏡，保障成像清晰

（4）倒置顯微觀測平臺
  型號：倒置顯微鏡MI52-N/MF52-N/MF53-N

 

 

倒置顯微鏡標(biāo)配長工作距離物鏡，更適合觀察微流控芯片
標(biāo)配明場和相襯觀察，可選熒光觀察，滿足大部分場景
目鏡成像為正置放大像，操作移動更直觀易懂
大工作空間，更方便進(jìn)行復(fù)雜的注入和控制操作

明美是一家專注顯微成像產(chǎn)品研發(fā)與銷售的高新技術(shù)企業(yè)，是中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會光學(xué)分會理事單位，醫(yī)療器械顯微鏡生產(chǎn)及經(jīng)營廠家。
公司一直堅(jiān)持誠信經(jīng)營，用心服務(wù)，提供顯微成像解決方案。為教育、科研、醫(yī)藥、工業(yè)檢測等廣大客戶提供穩(wěn)定的產(chǎn)品與服務(wù)。
始終以客戶需求為主，以品質(zhì)為根本，以創(chuàng)新為方向，推動顯微行業(yè)的數(shù)字化、電動化、智能化，為顯微領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程貢獻(xiàn)力量。
您若對顯微成像產(chǎn)品有興趣或存在疑惑，明美光電歡迎您咨詢，期待與您相約！

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