本發(fā)明涉及光學與測量領域，具體地涉及一種單粒子束散射光強分布的測量裝置及測量方法。

背景技術：

液體中微粒計數和粒徑測量在臨床診斷、工業(yè)和環(huán)境檢測中有重要作用。其中，流式細胞術是生物臨床快速診斷和細胞分析領域常用的多參數測量方法。待測樣品懸液在鞘液的約束下通過噴嘴，形成單細胞液流，并被入射激光照射。光電倍增管接收樣品微粒的散射光或熒光信號，由計算機對檢測數據進行分析處理。與粒子群整體測量相比，流式細胞術能獲得更加精確的結果。然而，流式細胞術需要的樣本量較大、儀器復雜、使用和維護不便。

由于使用微流控芯片進行微粒計數和粒徑測量的方法相比傳統的計數和測量方法具有很低的樣本消耗量、可以大大縮短測量時間、簡化操作且易于做成便攜設備應用于現場測試等優(yōu)點，已有研究人員提出基于微流控芯片技術的流式細胞術測量裝置及方法。在測量過程中，通過流體將樣品微粒限制在微流通道中心流動，使樣品形成單粒子流，從而避免了通道阻塞、樣品被通道壁粘黏或吸收、樣品重疊等問題。

然而，現有的基于微流控芯片的流式細胞術測量裝置大多只是通過鞘液在二維平面上對樣品流進行限制，因而不能使樣品流成為圓柱形流體，且樣品微粒容易偏離樣品流的中心軸線，影響了測量精確度。另外，由于采用了光電倍增管作為光接收器件，從而限制了散射光的測量角度，不能實現散射光強分布的測量。

技術實現要素：

本發(fā)明針對現有技術的缺陷，提供了一種基于微流控芯片的單粒子束散射測量裝置及其測量方法，其可實時測量流經微通道的單粒子束中單個微粒的散射光強分布，且測量速度快、精度高。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種單粒子束散射光強分布的測量裝置，它包括光源、分光光路、光接收和探測組件以及微流控芯片組件，所述光源包括主測量光源、輔助測量光源和系統調整光源；所述分光光路包括分光鏡和PIN管；所述光接收和探測組件包括90°離軸拋物面反射鏡、望遠鏡鏡組、光闌、濾光片、ICCD探測器、信號探測及發(fā)生電路、復合濾光片、PMT探測器、示波器和計算機；所述微流控芯片組件包括微流控芯片、光屏、三軸調節(jié)具和微流泵；其中，所述主測量光源、所述分光鏡、所述90°離軸拋物面反射鏡和所述三軸調節(jié)具依次設置在同一第一直線上，所述分光鏡將所述主測量光源發(fā)射的激光分為主光路和參考光路，所述主光路與所述第一直線重合，所述參考光路與所述主光路垂直，所述PIN管位于所述參考光路上，所述系統調整光源、所述望遠鏡鏡組、所述光闌、所述濾光片和所述ICCD探測器依次設置在同一第二直線上，所述系統調整光源與所述90°離軸拋物面反射鏡的拋物面相對，所述光屏設置在所述三軸調節(jié)具上且位于所述90°離軸拋物面反射鏡的焦點處，所述微流控芯片設置在所述三軸調節(jié)具中，所述微流泵與所述微流控芯片連接，所述輔助測量光源位于所述微流控芯片的左側，所述復合濾光片和所述PMT探測器依次設于所述微流控芯片的右側，所述PIN管、所述示波器、所述PMT探測器、所述信號探測及發(fā)生電路、所述ICCD探測器和所述計算機依次連接。

進一步地，所述微流控芯片包括圓環(huán)形鞘液輸入流道、直線形樣品液輸入流道和直線形主流道，所述直線形樣品液輸入流道和所述直線形主流道位于同一第三直線上，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道關于所述第三直線對稱，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道的一端設有鞘液輸入孔，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道的另一端與所述直線形主流道連通，所述樣品液輸入流道被所述鞘液輸入流道包圍且與所述主流道連通，所述樣品液輸入流道上設有樣品液輸入孔，所述主流道上設有輸出孔。

進一步地，所述樣品液輸入流道和所述鞘液輸入流道的直徑均小于所述主流道的直徑。

進一步地，所述主流道的中部為所述微流控芯片的觀測區(qū)，所述微流控芯片的觀測面為圓柱面，所述圓柱面位于所述觀測區(qū)內且所述圓柱面的軸線與所述主流道的軸線重合，所述微流控芯片的底面為平面。

進一步地，所述主測量光源和所述輔助測量光源均為激光器，所述系統調整光源為平行光管。

另外，本發(fā)明還提供了一種單粒子束散射光強分布的測量方法，該方法包括如下步驟：

(1)配置系統調整光源、90°離軸拋物面反射鏡、光屏和三軸調節(jié)具，所述90°離軸拋物面反射鏡和所述三軸調節(jié)具位于同一直線上，所述系統調整光源與所述90°離軸拋物面反射鏡的光軸平行，所述光屏安裝在所述三軸調節(jié)具上且位于所述90°離軸拋物面反射鏡的焦點處；

(2)配置PMT探測器和示波器，所述PMT探測器位于所述三軸調節(jié)具的右側，將所述PMT探測器與所述示波器連接，根據所述示波器的讀數調節(jié)所述PMT探測器的位置和方向，使所述PMT探測器對準所述90°離軸拋物面反射鏡的焦點；

(3)撤去所述光屏，在所述三軸調節(jié)具上安裝微流控芯片，所述微流控芯片的觀測面朝向所述90°離軸拋物面反射鏡，所述微流控芯片的觀測區(qū)與所述90°離軸拋物面反射鏡的光軸在同一高度，通過所述三軸調節(jié)具調節(jié)所述微流控芯片的X軸、Y軸和Z軸的位置，根據所述示波器的讀數，使所述PMT探測器的輸出信號達到極大值，調節(jié)完成后，所述微流控芯片位于所述90°離軸拋物面反射鏡的焦點處；

(4)撤去所述系統調整光源并配置主測量光源和分光鏡，所述分光鏡位于所述主測量光源和所述90°離軸拋物面反射鏡之間，所述分光鏡將所述主測量光源發(fā)射的激光分為主光路和參考光路，所述主光路、所述主測量光源、所述90°離軸拋物面反射鏡和所述三軸調節(jié)具位于同一直線上，所述參考光路與所述主光路垂直；

(5)根據所述示波器的讀數調節(jié)所述主測量光源的位置和方向，使所述PMT探測器的輸出信號達到極大值，完成所述主測量光源與所述90°離軸拋物面反射鏡和所述微流控芯片的對準調節(jié)；

(6)配置PIN管，所述PIN管位于所述分光鏡的所述參考光路上，同時將所述PIN管與所述示波器連接，以實時監(jiān)測所述主測量光源發(fā)射的主激光的光強波動；

(7)配置輔助測量光源，所述輔助測量光源位于所述三軸調節(jié)具的左側，調節(jié)所述輔助測量光源的位置和方向，使其發(fā)射的輔助激光照射到所述微流控芯片的觀測區(qū)上，且照射點略高于所述主測量光源的照射點，從而使所述PMT探測器接收到由所述微流控芯片散射的由所述輔助測量光源發(fā)射的輔助激光；

(8)在所述PMT探測器和所述三軸調節(jié)具之間配置復合濾光片，調節(jié)所述復合濾光片的位置及所述輔助測量光源的高度，使所述PMT探測器同時接收到由所述微流孔芯片散射的由所述主測量光源發(fā)射的所述主激光和所述輔助測量光源發(fā)射的所述輔助激光；

(9)配置微流泵，將所述微流泵與所述微流控芯片連接，鞘液通過所述微流泵經由所述微流控芯片的鞘液輸入孔泵入所述微流控芯片，樣品液通過所述微流泵經由所述微流控芯片的樣品液輸入孔泵入所述微流控芯片中，所述鞘液包圍所述樣品液，并限制所述樣品液的流動，從而使所述樣品液成為單粒子束；

(10)當所述樣品液流過所述微流控芯片的觀測區(qū)時，根據所述示波器上顯示的兩個相鄰峰值的時間差和所述復合濾光片的通光孔的距離計算出所述樣品液的流速；

(11)配置信號探測及發(fā)生電路和ICCD探測器，依次將所述PMT探測器、所述信號探測及發(fā)生電路和所述ICCD探測器連接，所述ICCD探測器的接收面與所述90°離軸拋物面反射鏡的光軸垂直，所述PMT探測器發(fā)送光強信號至所述信號探測及發(fā)生電路，所述信號探測及發(fā)生電路發(fā)送探測觸發(fā)信號至所述ICCD探測器，用以啟動所述ICCD探測器，且所述信號探測及發(fā)生電路從接收所述光強信號到發(fā)送所述探測觸發(fā)信號之間的時間差由所述樣品液的流速決定；

(12)配置望遠鏡鏡組、光闌和濾光片，所述望遠鏡鏡組、所述光闌、所述濾光片和所述ICCD探測器依次位于同一直線上，所述望遠鏡鏡組與所述90°離軸拋物面反射鏡的光軸平行且面向所述90°離軸拋物面反射鏡，將所述ICCD探測器與計算機連接，所述ICCD探測器獲取所述樣品液中樣品微粒的散射圖案，并將所述樣品微粒的散射圖案發(fā)送至所述計算機；

(13)人工給入觸發(fā)信號以啟動所述ICCD探測器，從而獲得背景圖案并將所述背景圖案發(fā)送至所述計算機；

(14)所述計算機用所述樣品微粒的散射圖案的強度減去所述背景圖案的強度，得到單粒子束的散射光強分布。

進一步地，所述微流控芯片包括圓環(huán)形鞘液輸入流道、直線形樣品液輸入流道和直線形主流道，所述直線形樣品液輸入流道和所述直線形主流道位于同一直線上，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道關于所述直線對稱，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道的一端設有鞘液輸入孔，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道的另一端與所述直線形主流道連通，所述樣品液輸入流道被所述鞘液輸入流道包圍且與所述主流道連通，所述樣品液輸入流道上設有樣品液輸入孔，所述主流道上設有輸出孔。

進一步地，所述主流道的中部為所述微流控芯片的觀測區(qū)，所述微流控芯片的觀測面為圓柱面，所述圓柱面位于所述觀測區(qū)內且所述圓柱面的軸線與所述主流道的軸線重合，所述微流控芯片的底面為平面。

進一步地，所述鞘液由硅油和石蠟油組成，所述鞘液的折射率等于所述微流控芯片的折射率，所述樣品液由待測粒子樣品溶液加去離子水稀釋而成，稀釋體積比為1:1000～1:10000，所述鞘液與所述樣品液不互溶。

進一步地，所述微流控芯片的制作方法包括以下步驟：

(a)對所述微流控芯片的流道的結構進行仿真，以確定所述流道的尺寸；

(b)以硅單晶片為第一基底，將第一負光膠涂覆在所述第一基底上，對所述第一負光膠和所述第一基底通過兩次光刻工藝制作所述微流控芯片的觀測層的平面模板；

(c)用亞克力材料制作所述觀測層的半圓柱面模板，用所述觀測層的平面模板和半圓柱面模板對第一聚二甲基硅氧烷進行倒模，并進行烤制和固化且去除所述觀測層的平面模板和半圓柱面模板，得到所述微流控芯片的觀測層；

(d)以硅單晶片為第二基底，將第二負光膠涂覆在所述第二基底上，對所述第二負光膠和所述第二基底通過兩次光刻工藝制作所述微流控芯片的底層的模板；

(e)用所述底層的模板對第二聚二甲基硅氧烷進行倒模，并進行烤制和固化且去除所述底層的模板，得到所述微流控芯片的底層；

(f)在紫外線的作用下對所述底層和所述觀測層進行臭氧處理和封合，得到完整的所述微流控芯片。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的微流控芯片通過三維流體聚焦，使樣品流成為圓柱形流體，實現了單粒子束環(huán)境的構建和精確定位；微流控芯片的觀測面呈圓柱形，降低了光在芯片-空氣界面折射對測量結果的影響。另外，由于本發(fā)明采用了由90°離軸拋物面反射鏡、望遠鏡鏡組、光闌和濾光片組成的光接收組件，因而包括了大范圍的散射光測量角度；本發(fā)明采用了輔助測量光源、復合濾光片、PMT探測器、示波器從而實現了流經微流控芯片的單個微粒的散射光強分布的實時、準確測量。

附圖說明

圖1為在測量階段，本發(fā)明單粒子束散射光強分布的測量裝置的俯視示意圖。

圖2為在調整階段，本發(fā)明粒子束散射光強分布的測量裝置的俯視示意圖。

圖3為在測量階段，本發(fā)明的復合濾光片、PMT探測器和示波器的連接示意圖。

圖4為本發(fā)明的微流控芯片的一個角度的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明的微流控芯片的另一個角度的結構示意圖。

圖6為本發(fā)明的單粒子束散射光強分布的測量方法的流程圖。

圖7為本發(fā)明的微流控芯片的制作方法的流程圖。

具體實施方式

為了更好地解釋本發(fā)明，以下結合具體實施例進一步闡明本發(fā)明的主要內容，但本發(fā)明的內容不僅僅局限于以下實施例。

參考圖1-3，本實施例的單粒子束散射光強分布的測量裝置包括：包括光源、分光光路、光接收和探測組件以及微流控芯片組件。

具體地，所述光源包括主測量光源10、輔助測量光源11和系統調整光源12。所述分光光路包括分光鏡20和PIN管21。所述光接收和探測組件包括90°離軸拋物面反射鏡30、望遠鏡鏡組31、光闌32、濾光片33、ICCD探測器34、信號探測及發(fā)生電路35、復合濾光片36、PMT探測器37、示波器38和計算機39。所述微流控芯片組件包括微流控芯片40、光屏41、三軸調節(jié)具42和微流泵43。

其中，所述主測量光源10、所述分光鏡20、所述90°離軸拋物面反射鏡30和所述三軸調節(jié)具42依次設置在同一第一直線上，所述分光鏡20將所述主測量光源10發(fā)射的激光分為主光路和參考光路，所述主光路與所述第一直線重合，所述參考光路與所述主光路垂直，所述PIN管21位于所述參考光路上，所述系統調整光源12、所述望遠鏡鏡組31、所述光闌32、所述濾光片33和所述ICCD探測器34依次設置在同一第二直線上，所述系統調整光源12與所述90°離軸拋物面反射鏡30的拋物面相對，所述光屏(未圖示)設置在所述三軸調節(jié)具42上且位于所述90°離軸拋物面反射鏡30的焦點處，所述微流控芯片40設置在所述三軸調節(jié)具42中，所述微流泵43與所述微流控芯片40連接，所述輔助測量光源11位于所述微流控芯片40的左側，所述復合濾光片36和所述PMT探測器37依次設于所述微流控芯片40的右側，所述PIN管21、所述示波器38、所述PMT探測器37、所述信號探測及發(fā)生電路35、所述ICCD探測器34和所述計算機39依次連接。

進一步地，所述主測量光源10和所述輔助測量光源11均為激光器，所述系統調整光源12為平行光管。所述主測量光源10和所述輔助測量光源11的波長不同。所述主測量光源10上設有主測量光源調節(jié)具10a，所述系統調整光源12設有系統調整光源調節(jié)具12a，所述PIN管21設有PIN管調節(jié)具21a，所述復合濾光片36設有復合濾光片調節(jié)具36a，所述PMT探測器37設有PMT探測器調節(jié)具37a。

詳細地，參考圖4-5，所述微流控芯片40包括圓環(huán)形鞘液輸入流道401、直線形樣品液輸入流道402和直線形主流道403，所述直線形樣品液輸入流道402和所述直線形主流道403位于同一直線上，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道401關于所述直線對稱，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道401的一端設有鞘液輸入孔(未圖示)，所述圓環(huán)形鞘液輸入流道401的另一端與所述直線形主流道403連通，所述樣品液輸入流道402被所述鞘液輸入流道401包圍且與所述主流道403連通，所述樣品液輸入流道402上設有樣品液輸入孔(未圖示)，所述主流道403上設有輸出孔(未圖示)。在優(yōu)選的實施例中，所述樣品液輸入流道402的直徑和所述鞘液輸入流道401直徑均小于所述主流道403的直徑。其中，所述鞘液由硅油和石蠟油組成，所述鞘液的折射率等于所述微流控芯片40的折射率，所述樣品液由待測粒子樣品溶液加去離子水稀釋而成，稀釋體積比為1:1000～1:10000，所述鞘液與所述樣品液不互溶。

進一步地，所述主流道403的中部為所述微流控芯片40的觀測區(qū)C，所述微流控芯片的觀測面為圓柱面，所述圓柱面位于所述觀測區(qū)C中，所述圓柱面的軸線與所述主流道403的軸線重合，所述微流控芯片40的底面為平面。

參考圖6-7，本實施例的單粒子束散射光強分布的測量方法包括：

步驟S1：配置系統調整光源12、90°離軸拋物面反射鏡30、光屏(未圖示)和三軸調節(jié)具42，所述90°離軸拋物面反射鏡30和所述三軸調節(jié)具42位于同一直線上，所述系統調整光源12與所述90°離軸拋物面反射鏡30的光軸平行，所述光屏安裝在所述三軸調節(jié)具42上且位于所述90°離軸拋物面反射鏡30的焦點處；

步驟S2：配置PMT探測器37和示波器38，所述PMT探測器37位于所述三軸調節(jié)具42的右側，將所述PMT探測器37與所述示波器38連接，根據所述示波器38的讀數調節(jié)所述PMT探測器37的位置和方向，使所述PMT探測器37對準所述90°離軸拋物面反射鏡30的焦點；

步驟S3：撤去所述光屏，在所述三軸調節(jié)具42上安裝微流控芯片40，所述微流控芯片40的觀測面朝向所述90°離軸拋物面反射鏡30，所述微流控芯片40的觀測區(qū)C與所述90°離軸拋物面反射鏡30的光軸在同一高度，通過所述三軸調節(jié)具42調節(jié)所述微流控芯片40的X軸、Y軸和Z軸的位置，根據所述示波器38的讀數，使所述PMT探測器37的輸出信號達到極大值，調節(jié)完成后，所述微流控芯片40位于所述90°離軸拋物面反射鏡30的焦點處；

步驟S4：撤去所述系統調整光源12并配置主測量光源10和分光鏡20，所述分光鏡20位于所述主測量光源10和所述90°離軸拋物面反射鏡30之間，所述分光鏡20將所述主測量光源10發(fā)射的激光分為主光路和參考光路，所述主光路、所述主測量光源10、所述90°離軸拋物面反射鏡30和所述三軸調節(jié)具42位于同一直線上，所述參考光路與所述主光路垂直；

步驟S5：根據所述示波器38的讀數調節(jié)所述主測量光源10的位置和方向，使所述PMT探測器37的輸出信號達到極大值，完成所述主測量光源10與所述90°離軸拋物面反射鏡30和所述微流控芯片40的對準調節(jié)；

步驟S6：配置PIN管21，所述PIN管21位于所述分光鏡20的所述參考光路上，同時將所述PIN管21與所述示波器38連接，以實時監(jiān)測所述主測量光源10發(fā)射的主激光的光強波動；

步驟S7：配置輔助測量光源11，所述輔助測量光源11位于所述三軸調節(jié)具42的左側，調節(jié)所述輔助測量光源11的位置和方向，使其發(fā)射的輔助激光照射到所述微流控芯片40的觀測區(qū)C上，且照射點略高于所述主測量光源10的照射點，從而使所述PMT探測器37接收到由所述微流控芯片40散射的由所述輔助測量光源11發(fā)射的輔助激光；

步驟S8：在所述PMT探測器37和所述三軸調節(jié)具42之間配置復合濾光片36，調節(jié)所述復合濾光片36的位置及所述輔助測量光源11的高度，使所述PMT探測器37同時接收到由所述微流孔芯片40散射的由所述主測量光源10發(fā)射的所述主激光和所述輔助測量光源11發(fā)射的所述輔助激光；

步驟S9：配置微流泵43，將所述微流泵43與所述微流控芯片40連接，鞘液通過所述微流泵43經由所述微流控芯片40的鞘液輸入孔泵入所述微流控芯片40，樣品液通過所述微流泵43經由所述微流控芯片40的樣品液輸入孔泵入所述微流控芯片40中，所述鞘液包圍所述樣品液，并限制所述樣品液的流動，從而使所述樣品液成為單粒子束；

步驟S10：當所述樣品液流過所述微流控芯片40的觀測區(qū)時，根據所述示波器38上顯示的兩個相鄰峰值的時間差和所述復合濾光片36的通光孔的距離計算出所述樣品液的流速；

步驟S11：配置信號探測及發(fā)生電路35和ICCD探測器34，依次將所述PMT探測器37、所述信號探測及發(fā)生電路35和所述ICCD探測器34連接，所述ICCD探測器34的接收面與所述90°離軸拋物面反射鏡30的光軸垂直，所述PMT探測器37發(fā)送光強信號至所述信號探測及發(fā)生電路35，所述信號探測及發(fā)生電路35發(fā)送探測觸發(fā)信號至所述ICCD探測器34，用以啟動所述ICCD探測器34，所述信號探測及發(fā)生電路35從接收所述光強信號到發(fā)送所述探測觸發(fā)信號之間的時間差由所述樣品液的流速決定；

步驟S12：配置望遠鏡鏡組31、光闌32和濾光片33，所述望遠鏡鏡組31、所述光闌32、所述濾光片33和所述ICCD探測器34依次位于同一直線上，所述望遠鏡鏡組31與所述90°離軸拋物面反射鏡30的光軸平行且面向所述90°離軸拋物面反射鏡30，將所述ICCD探測器34與計算機39連接，所述ICCD探測器34獲取所述樣品液中樣品微粒的散射圖案，并將所述樣品微粒的散射圖案發(fā)送至所述計算機39；

步驟S13：人工給入觸發(fā)信號以啟動所述ICCD探測器34，從而獲得背景圖案并將所述背景圖案發(fā)送至所述計算機39；

步驟S14：所述計算機39用所述樣品微粒的散射圖案的強度減去所述背景圖案的強度，得到單粒子束的散射光強分布。

具體地，參考圖7，所述微流控芯片40的制作方法包括以下步驟：

(a)對所述微流控芯片40的流道的結構進行仿真，以確定所述流道的尺寸；

(b)以硅單晶片為第一基底50，將第一負光膠51涂覆在所述第一基底51上，對所述第一負光膠51和所述第一基底50通過兩次光刻工藝制作所述微流控芯片40的觀測層53的平面模板；

(c)用亞克力材料制作所述觀測層53的半圓柱面模板，用所述觀測層53的平面模板和半圓柱面模板對第一聚二甲基硅氧烷52進行倒模，并進行烤制和固化且去除所述觀測層53的平面模板和半圓柱面模板，得到所述微流控芯片40的觀測層53；

(d)以硅單晶片為第二基底60，將第二負光膠61涂覆在所述第二基底60上，對所述第二負光膠61和所述第二基底60通過兩次光刻工藝制作所述微流控芯片40的底層63的模板；

(e)用所述底層63的模板對第二聚二甲基硅氧烷62進行倒模，并進行烤制和固化且去除所述底層63的模板，得到所述微流控芯片40的底層63；

(f)在紫外線的作用下對所述觀測層53和所述底層63進行臭氧處理和封合，得到完整的所述微流控芯片40。

其它未詳細說明的部分均為現有技術。盡管上述實施例對本發(fā)明做出了詳盡的描述，但它僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部實施例，人們還可以根據本實施例在不經創(chuàng)造性前提下獲得其他實施例，這些實施例都屬于本發(fā)明保護范圍。