基于微流控芯片的辐射损伤评估装置及其评估方法与流程

本发明涉及辐射损伤评估技术，特别是一种基于微流控芯片的辐射损伤评估装置及其评估方法。

背景技术：

随着航空事业的快速发展，未来我国空间站需要由长期在轨的航天员执行工程任务。空间环境是具有复杂辐射和微重力等复合的极端环境，空间辐射包含原子序数1-92各元素成分的粒子辐射，能量从几个电子伏到超过1022电子伏。为了保证宇航员的身体安全和对辐射产生的生命物质损伤和遗传变异的研究，空间辐射损伤评估已经成为航天医学领域中首要的问题。指示生物监测法是一种借助指示生物进行空间辐射损伤评估的方法，而秀丽隐干线虫有各种研究的突变体，是最好的模式生物。

目前用于空间辐射损伤评估的装置主要有：商用化流式细胞仪和共聚焦显微镜。

流式细胞仪是一种卫生医疗器械，主要用于对细胞悬液中的细胞或细胞器进行快速测量，通过对测量区产生的光和电信号的收集和分析，测定细胞的物理特性和生化特性，在细胞生物学、免疫学、肿瘤学、血液学、遗传学和病理学临床检测等领域有十分广泛的用途。

共聚焦显微镜采用的是激光扫描共聚焦显微术，激光扫描共聚焦显微术是先进的分子和细胞生物学研究技术。它在荧光显微成像的基础上加装激光扫描装置，结合数据化图像处理技术，采集组织和细胞内荧光标记图像，在亚细胞水平观察钙等离子水平的变化，并结合电生理等技术观察细胞生理活动与细胞形态及运动变化的相互关系。由于它的广泛应用，已成为形态学、分子细胞生物学、神经科学和药理学等研究领域中很重要的研究技术。

综上分析，目前空间辐射损伤评估大部分方法存在着只能对细胞或单细胞生物进行测量，不能对多细胞生物的辐射损伤进行评估的问题，并且这些仪器结构庞大、结构复杂、操作复杂、价格昂贵、不能集成便携、无法现场检测。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种既能对多细胞生物的辐射损伤进行评估，又结构简单、操作简单、价格低廉、便于携带进行现场检测的基于微流控芯片的辐射损伤评估装置及其评估方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于微流控芯片的辐射损伤评估装置，包括荧光采集组件、明场采集组件、光源、微流控芯片、电源供电组件、数据处理组件和微控制器，所述微流控芯片分别与荧光采集组件的输入端、明场采集组件的输入端和微控制器的输出端连接，所述数据处理组件分别与荧光采集组件和明场采集组件的输出端连接；所述光源与荧光采集组件连接；所述电源供电组件分别与光源、微控制器和数据处理组件的输入端相连；

所述荧光采集组件包括荧光显微物镜、分色镜、绿色滤光片、平凸透镜、双凸透镜和荧光检测组件，所述荧光显微物镜通过光路依次与分色镜、绿色滤光片、平凸透镜、双凸透镜和荧光检测组件串联，荧光采集组件用于得到线虫的荧光图像、荧光波长和荧光强度；

所述明场采集组件包括显微物镜、平凸透镜、双凸透镜和CCD，所述显微物镜通过光路依次与平凸透镜、双凸透镜和CCD串联，明场采集组件用于得到线虫的明场图像；

所述微控制器用于控制电场力的大小和方向；

所述微流控芯片由基片和固定在基片上的涂层组成，所述基片为玻璃片，所述涂层为聚二甲基硅氧烷涂层，所述涂层表面设有培养液池、样品池、废液池；培养液池通过通道Ⅰ与样品池相连，样品池通过通道Ⅱ与废液池相连；培养液池和废液池分别与微控制器相连；

所述通道Ⅱ从样品池到废液池为由宽逐渐过渡到窄的检测通道，其窄端尺寸小于线虫最小尺寸。

本发明所述电源供电组件为整个装置供电。

本发明所述数据处理组件用于处理明场图像、荧光图像、荧光波长和荧光强度；数据处理组件通过明场图像得到线虫身体的外部特征，外部特征包括线虫轮廓面积、纵横比和扭动频率；数据处理组件通过荧光图像得到线虫身体的发光特征，发光特征包括线虫发光位点的灰度值、所有发光位点的总灰度值和发光位点的数目；数据处理组件通过明场图像和荧光图像二者结合得出线虫发光位点的分布特性、单位面积上的灰度值。

基于微流控芯片的辐射损伤评估装置的评估方法，包括如下步骤：

A、将线虫加入样品池，将培养液加入培养液池；

B、打开电源，微控制器控制电场力驱动样品池中线虫进入检测通道，同时通过通道I更新样品池的培养液；

C、由荧光采集组件和明场采集组件分别对线虫进行数据采集，明场采集组件得到线虫的明场图像，荧光采集组件得到线虫的荧光图像、荧光波长和荧光强度，数据处理组件通过明场图像得到线虫身体的外部特征，外部特征包括线虫轮廓面积、纵横比和扭动频率；数据处理组件通过荧光图像得到线虫身体的发光特征，发光特征包括线虫发光位点的灰度值、所有发光位点的总灰度值和发光位点的数目；数据处理组件通过结合明场图像和荧光图像得出线虫发光位点的分布特性、单位面积上的灰度值；

D、采集后，微控制器控制电场力反向驱动线虫回到样品池；通过数据处理组件分析是否得到足够数据采集量，如果得到足够数据采集量，则检测结束，转步骤F；否则，转步骤E；

E、将线虫培养一段时间，再返回步骤B重新检测；

F、数据处理组件对线虫辐射损伤程度进行评估；评估方法包括以下步骤：

F1、通过荧光波长评估线虫的辐射损伤程度，荧光波长越短代表线虫的辐射损伤程度越严重；

F2、通过荧光强度评估线虫的辐射损伤程度，荧光强度越强代表线虫的辐射损伤程度越严重；

F3、通过发光位点的数目评估线虫的辐射损伤程度，发光位点的数目越大代表线虫的辐射损伤程度越严重；

F4、通过发光位点的灰度值评估线虫的辐射损伤程度，灰度值越大代表线虫的辐射损伤程度越严重；发光位点的灰度值是指荧光图像中发光位点处的像素灰度值；

F5、通过单位面积上的灰度值评估线虫的辐射损伤程度，灰度值越大代表线虫的辐射损伤程度越严重；单位面积上的灰度值是指总灰度值与轮廓面积的比值，由荧光图像得出线虫所有发光位点的总灰度值，由明场图像得出线虫图像轮廓内的面积、简称轮廓面积；

F6、通过线虫发光位点的分布特性评估线虫的辐射损伤部位及其辐射损伤程度；发光位点的分布特性为通过荧光图像得出的线虫发光位点和明场图像得出的线虫图像轮廓二者结合得出的发光位点在图像轮廓内的分布情况；

F7、通过线虫扭动频率和纵横比两个指标的综合分析评估线虫的活性；

F8、通过线虫轮廓面积和纵横比两个指标综合分析评估线虫所处的时期，所述时期包括dauer期、幼虫期和成虫期。

与现有技术相比，本发明有益效果为：

1、由于本发明采用明场采集组件和荧光采集组件的结合，因此可以准确得到明场图像、荧光图像和荧光波长，操作简单，克服了传统方法中单一功能的缺陷带来的误差。

2、由于本发明在样品池加入线虫后，后续步骤都是智能化完成，不需要任何专业化知识，因此，不需要专业化人员的操作，步骤少，操作简单，解决了样品处理繁琐的问题。

3、由于本发明采用微流控芯片作为样品辐射损伤评估检测的微平台，而相关的检测设备亦可采用体积较小的结构形式，因此，相对于现有大型检测设备，本发明具有体积小、重量轻、成本低、样品用量少、便于携带、能够进行手持用于现场检测等优点。

4、本发明克服了现有辐射损伤评估方法中存在的无法现场检测、检测设备昂贵、样品处理繁琐、样品用量多带来的普适性和误差等问题，从根本上解决辐射损伤评估问题。这将对于环境科学、航空领域以及医学领域具有重要的科学意义和现实价值。

5、由于线虫的扭动频率和纵横比都可以表示线虫的活性，本发明通过对线虫扭动频率和纵横比两个指标的分析，可以更加准确的评估线虫的活性。

6、由于线虫的轮廓面积和纵横比都可以得出线虫所在时期，本发明通过对线虫轮廓面积和纵横比两个指标的分析，可以更加准确得出线虫所在的时期。

附图说明

本发明共有附图2幅，其中：

图1为本发明的评估装置结构示意图；

图2为本发明的微流控芯片结构示意图。

其中：1、明场采集组件，2、荧光采集组件，3、微流控芯片，4、光源，5、微控制器，6、电源供电组件，7、数据处理组件，8、培养液池，9、样品池，10、废液池，11、通道Ⅰ，12、通道Ⅱ(检测通道)。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下面结合附图对本发明作进一步地说明。如图1-2所示，

本发明的基本工作原理如下：

本发明在微流控芯片3上设置了通道Ⅰ11和通道Ⅱ12，通道Ⅰ11是用来更新培养液的，通道Ⅱ12是由宽逐渐过渡到窄的通道，在电场力的驱动下线虫进入通道Ⅱ12，但是通道Ⅱ12尾端比较窄，线虫过不去，也就停留在这里，便于检测；因此通道Ⅱ12是检测通道。而且线虫生存需要食物、氧气等物质，因此培养液就是提供这些因素的，以便线虫可以长时间生存，便于检测。

在微流控芯片3中检测时，在培养液池8中加入培养液，在样品池9中加入线虫，微控制器5驱动样品池9中的线虫进入检测通道，并使线虫固定在检测通道中，同时更新培养液，待检测完毕后，微控制器5反向驱动线虫回到样品池9中，一次检测完毕。微流控芯片3具有使线虫长时间培养和定期重复检测的功能。微流控芯片3的检测通道是一个从样品池9到废液池10由宽逐渐过渡到窄的过程，在微控制器5的作用下驱动线虫进入检测通道，使线虫停留在检测通道中，并使线虫身体展开，便于处理其特征。

检测时，光源4从侧方照射经过光采集组件中的分色镜反射到线虫上，此时，光线透过线虫成为明场采集组件1的光源，另一方面光照射到线虫上激发线虫发出荧光，因此也是荧光采集组件2的光源，由此可以看出本发明的独特之处，利用一个光源4，巧妙地将荧光采集组件2和明场采集组件1结合在了一起。检测结果分成两路信号：一路为线虫明场图像检测信号，另一路为线虫荧光图像和荧光波长检测信号，两种方式同时进行，相互独立。同时获得的同一线虫两路检测信号可用于同时分析，以准确获得线虫辐射损伤程度。

微控制器5控制培养液池8与废液池10之间产生电压，通过电场力驱动样品池9中任意一条线虫，进入检测通道，由荧光采集组件2和明场采集组件1进行数据采集，采集后，微控制器5控制电场力方向反向，驱动线虫回到样品池9，一次检测完毕。

明场采集组件1工作流程为：明场数据经显微物镜放大→平凸透镜再次放大→双凸透镜聚焦→由CCD进行数据采集→传输到数据处理组件7处理。

荧光图像采集组件2工作流程为：线虫产生的荧光数据经荧光显微物镜放大→绿色滤光片滤出杂光数据→平凸透镜再次放大→双凸透镜聚焦→由荧光检测组件进行数据采集→传输到数据处理组件7处理。