微流控技术中的显微成像和高速相机

发布时间：2023-01-06

微流控技术中的显微成像和高速相机

一、微流控技术与高速显微相机

微流控芯片相当于在几平方厘米的微小芯片上构建的化学或生物学实验室，可完成化学和生物领域包括样品制备、反应、分离、检验等基本操作流程，具备液体流动可控、消耗试样、分析速度高等特点，目前广泛应用于CTC活检、药物筛选、单细胞分析、微球制备、基因测序、PCR反应、器官芯片等领域。

微流控芯片

微流控一般包括以下几个系统：

（1）流体驱动系统，根据精度和稳定性要求，可分为压力泵、注射泵或蠕动泵。

（2）过程检测及控制系统，由流量传感器和各种阀门组成，可实现流量的反馈控制，结合阀门控制，还可以实现顺序喷射、循环喷射和流体的体积定量。

（3）微流控芯片及观测系统，根据研究应用不同选择相应的微流控芯片，再根据芯片选择驱动源、阀门、显微镜和相机等组件。

（4）检测分析系统，在细胞成像、细胞培养等大多数应用中，需要观察、记录和分析微流控芯片上的反应，有必要使用高速相机等高精度设备来检测、收集和分析实验现象。

MF52-N显微镜用于微流控

因为该技术大部分具有微观及高流速特点，使用显微相机捕获其快速运动的显微图像并进行有效分析，是实验操作成功的关键，以下是显微镜相机的几个关键技术参数：

（1）传感器芯片：主要分为CMOS与CCD，区别在于信号读出过程的不同，CMOS在功耗、成本和发展潜力方面更有优势，背照式CMOS在可见光领域已经成为市面主流的相机芯片，CCD只有特殊的制冷型CCD还能在近红外领域有一席之地，目前也有被背照式sCMOS取代的趋势。

（2）芯片尺寸：指图像传感器的成像靶面尺寸，在同样成像像场下，靶面越大，视野越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。显微成像常见的芯片尺寸有4/3英寸，1英寸，2/3英寸，1/2英寸等。

常见相机感光芯片尺寸示意图

（3）像元尺寸：指每个像素对应的传感面尺寸，像元尺寸越大，单个像素能够接收到的光子数量越多，感光性能越好。对于荧光成像等弱光成像而言，大像元尺寸意味着更高的灵敏度，能以更快的速度成像，让捕捉高速画面成为可能。

（4）分辨率：一般表示为横向像素*纵向像素（像素=像元数），高分辨率通常意味着成像更清晰、细节更丰富，但像元尺寸需要妥协，不扩大传感前提下，高分辨率和高灵敏度是难以兼得的。

分辨率示意图：11x7=77像素

（5）分辨率@帧率：在特定分辨率下相机一秒钟成像的次数，帧率越高，画面越流畅，越能辨认动态细节。但分辨率和帧率越高，要处理和传输的数据量越大，受制于处理能力和带宽限制，高分辨率和高帧率无法兼顾。尤其在高速摄像时，为了提升帧率，要降低分辨率，类似于汽车上不同档位对应的扭力与转速之间的关系，可根据实际应用改变分辨率达到不同的拍摄帧率。

（6）快门速度：指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物象可以在传感上留下影像。通常在拍摄高速移动物体时，需高速快门（短曝光时间）以减少运动伪影，对于弱光条件或慢速静态的拍摄，就需要更慢速快门（长时间的曝光）以获取足够的照明。

二、微流控的显微成像挑战

大部分微流控芯片中的反应过程具有微量、样本微小、流速快等特点，为获得连续清晰的图像并进行有效分析，需使用高速显微相机成像记录。在微流控技术高速成像的过程中，面临着很多挑战，典型的有以下几种：

（1）高速移动对帧率和灵敏度提出高要求：在高速运动的微流控应用中，如液滴分选等应用，正常每秒可生成十几个到上百个，甚至达上千个。普通相机帧率可能就30fps不到，看到的是液珠运动形成的线，看不到单个液滴。明美高速显微相机MS16-H在全分辨率下即可达到660fps，满足一般的高速成像需求，还可通过调整分辨率达到更高帧率满足更高要求。同时这款相机的像元尺寸达到了9μm，具有较高的灵敏度和信噪比，在不配置特殊照明系统前提下更容易达到理想的成像效果。

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道路上的汽车就像微流控里的液滴，帧率太低只见灯光拖影不见灯

（2）海量图像数据的传输：在拍摄高速微流控应用时，高速相机在短时间内会产生大量图像数据，如明美高速相机MS16-H在160万全分辨率、660帧率条件下拍摄，每秒产生的原始图像数据可达1.5GB，远远超出了USB3.0接口5Gbps（640MB/s）的理论带宽上限，MS16-H采用万兆网卡接口传输数据，理论带宽可达10Gbps，并且加入256MB大缓存和压缩算法，可满足高速拍摄时的数据传输要求。

（3）海量图像数据的分析处理：高速相机可每秒拍摄几百到上千帧的图像，会对电脑硬盘性能和处理性能带来大的压力。明美高速相机MS16-H配套专业的图像分析系统，通过将内存作为处理缓存，缓解硬盘读写性能瓶颈，并通过算法处理，可以慢速播放并提取有效关键图像信息。

（4）高帧率和高分辨率难兼顾：高速相机需要较大的像元尺寸来保障灵敏度，否则无法实现有效的高帧率成像，而传统显微镜中使用的相机分辨率可高达2000万像素，为静态和缓慢移动的成像提供了优于高速相机的空间分辨率。明美双分光接口，可以将两个显微镜相机接入到系统，同时满足高速成像和高分辨率成像。

三、明美解决方案

（1）高速微流控成像方案