微流控技术中的显微成像和高速相机

生命科学

Life Science

微流控藻类线虫细胞培养活细胞成像斑马鱼植物学食品检测模式生物细胞生物学生物制药荧光细胞工厂显微镜

微流控

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、消耗试样和试剂极少、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。

解决方案

建议配置

（1）高速微流控成像方案

推荐：MSX11/MSX2/MC50-S

2/3-4/3英寸芯片尺寸，像素覆盖500万-2100万级别，满足不同观测要求
3*3μm以上像元尺寸，提供高灵敏度成像效果，可适用于荧光成像
MSX2/MC50-S帧缓存空间64M，MSX11帧缓存空间达128M
均采用USB3.0 5Gbps数据传输接口，传输速度快，低延迟，稳定性高
可根据需要通过调整分辨率获取高帧率性能，200万像素情况下分辨率达60fps，满足常规慢速拍摄

（3）正置显微观测平台

推荐：正置显微镜MJ31/ML51-N/MF43-N等

正置显微镜有高放大倍率和更强的扩展性能，一机多用
可选金相显微镜配置，长工作距离物镜更适合微流控芯片
有明场、荧光、相差、DIC等成像模式，适用于不同微流控应用场景
性能稳定、刚性结构有助于高速精细成像的稳定
高数值孔径消色差物镜/半复消色差物镜，保障成像清晰

（4）倒置显微观测平台

推荐：倒置显微镜MI52-N/MF52-N/MF53-N

倒置显微镜标配长工作距离物镜，更适合观察微流控芯片
标配明场和相衬观察，可选荧光观察，满足大部分场景
目镜成像为正置放大像，操作移动更直观易懂
大工作空间，更方便进行复杂的注入和控制操作

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。

（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极大压力。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。明美特有双分光接口，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。