顯微課堂：利用高速顯微觀察系統(tǒng)清晰觀測液滴微流控的瞬態(tài)過程

前言

液滴微流控技術簡介與觀測挑戰(zhàn)

液滴微流控技術作為一種在微尺度環(huán)境下對微量流體進行精準操控的革命性技術，近年來在生物醫(yī)學、化學合成和材料科學等領域展現(xiàn)出巨大潛力。該技術核心在于利用互不相溶的流體在微通道中生成單分散液滴，將這些液滴作為獨立微反應器進行各種實驗操作。液滴微流控技術憑借其微型化優(yōu)勢、高通量特性以及低試劑消耗等特點，迅速成為生命科學和化學分析領域的研究熱點。

圖1.1 微流控芯片外觀
圖1.2 微流控芯片孔道形貌
 

盡管液滴微流控技術優(yōu)勢顯著， 但在實際應用中，仍面臨著嚴峻的觀測挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來源于液滴的微尺度特性和高速動態(tài)過程。具體而言：

時空分辨率挑戰(zhàn)

在液滴微流控系統(tǒng)里，液滴尺寸往往僅有微米級。不僅如此，液滴的生成、運動及轉化過程堪稱瞬息萬變。一般情況下，液滴的生成頻率就能達到每秒幾十到幾百個，而高分選系統(tǒng)操作頻率甚至能飆升至每秒上千次。如此超高速的動態(tài)變化，遠遠超出了常規(guī)觀測設備的捕捉極限。這就使得研究人員透過觀測設備，看到的不過是一連串模糊不清的影像，或是連成一片的線條，根本無法清晰地捕捉到液滴形成與運動的具體細節(jié)。

由于微流控芯片通常具有多層結構且液滴在微通道中處于連續(xù)流動狀態(tài)，傳統(tǒng)顯微成像技術受對焦深度、光照均勻性和分辨率等因素影響，難以對這一過程進行全流程的清晰觀測。難以實現(xiàn)全流程清晰觀測。而液滴內部發(fā)生的生物或化學變化往往需要高清晰度、高對比度的圖像才能進行準確分析。

面對這些技術瓶頸，倒置透射顯微鏡與高速相機成像系統(tǒng)的聯(lián)用，成為液滴微流控研究中至關重要的觀測方式，為科研人員洞察微流控領域的奧秘，打開了一扇關鍵窗口。

在液滴微流控研究領域，倒置透射顯微鏡與高速相機系統(tǒng)的精妙組合，構建起一個多組件高度集成的前沿技術平臺。該系統(tǒng)能夠實時捕捉并精準解析微流控芯片內發(fā)生的各種瞬態(tài)現(xiàn)象，賦予研究人員前所未有的微觀世界觀測能力。接下來，讓我們一同深入探索該系統(tǒng)的各個關鍵組成部分，揭開其背后蘊含的工作原理奧秘。

2.1倒置透射顯微鏡

倒置透射顯微鏡是該成像系統(tǒng)的光學核心，其獨特設計適配液滴微流控的觀測需求。與常規(guī)顯微鏡相比，倒置透射顯微鏡另辟蹊徑，采用了自上而下的光路布局。在此設計中，物鏡被安置于樣品的下方，而光源則從上方進行照射。

這一創(chuàng)新設計帶來了諸多顯著優(yōu)勢：一方面，它為微流控芯片的上方空間留出了充足的操作區(qū)域，方便集成微流體控制單元和注射系統(tǒng)；另一方面，它能夠直接觀測微通道內的流體行為，而無需復雜的樣品制備流程，為實驗提供了更高的效率與便捷性。

圖3.1 光路示意圖來自徠卡顯微系統(tǒng)



圖3.2 該系統(tǒng)倒置顯微鏡型號為徠卡DMi8



圖3.3 實際測試樣品放置
 

如圖3.3所示，倒置式觀察為芯片的上方空間留出了充足的操作區(qū)域，同時能直接測微通道內的液滴流體行為。

2.2高速相機系統(tǒng)

高速相機是捕捉液滴動態(tài)過程的關鍵組件，其性能直接決定了系統(tǒng)能否有效記錄微流控中的瞬態(tài)現(xiàn)象。應用于液滴微流控領域的高速相機，往往具備一系列獨特的技術特性，具體如下：

高幀率采集能力：液滴微流控過程中的動態(tài)變化往往發(fā)生在毫秒甚至微秒級別的時間內發(fā)生，因此要求相機必須具備極高的幀率。以高端高速攝像機為例，其幀率表現(xiàn)極為卓越，最高可達 212500 幀 / 秒 。在 1024 x 1024 的分辨率下，依然能保持 4000 幀 / 秒的拍攝速度，精準捕捉液滴的瞬態(tài)圖像，不錯過任何細節(jié)。

圖4.1 實際測試效果，放大倍數(shù)100X，拍攝幀率2000fps

圖4.2 實際測試效果，放大倍數(shù)100X，拍攝幀率4000fps

2.3其他關鍵組件

完整的液滴微流控觀測系統(tǒng)除了核心組件外，還包括多個關鍵輔助組件，它們共同保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行并擴展其應用范圍：

• 精密流體控制模塊：包括壓力泵和流控儀，用于精確控制微流控芯片中各相流體的流速和壓力。

  
  
  圖5.1 分體式注射泵界面
   

• 信號同步與控制單元：負責協(xié)調整個系統(tǒng)中各個組件的工作時序。在單細胞分離系統(tǒng)中，信號控制模塊接收來自圖像處理模塊的觸發(fā)信號，精確控制壓電致動器沖擊打印室上的柔性薄膜，實現(xiàn)單細胞液滴的按需噴射。

• 2.4系統(tǒng)工作流程

  倒置透射顯微鏡與高速相機系統(tǒng)相結合，應用于液滴微流控研究時，其典型工作流程涵蓋以下幾個至關重要的步驟：

• 圖像捕獲：在壓力泵作用下，細胞懸液或反應混合物從微通道入口輸送到出口，高速攝像機搭載倒置顯微鏡，對焦微通道中間觀測平面，以高幀速捕獲細胞或液滴的灰度圖像。

• 圖像處理：系統(tǒng)實時對捕獲圖像進行背景提取、高斯去噪、閾值分割等處理，識別并定位目標（如細胞或液滴）的二維位置。

• 決策與觸發(fā)：基于圖像分析結果，系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)信號至控制模塊，觸發(fā)執(zhí)行機構（如壓電致動器、分選電極等）進行相應操作。

• 數(shù)據記錄與分析：全過程圖像數(shù)據被同步記錄，用于后續(xù)的定量分析和過程回溯，為理解液滴動力學行為提供實驗依據。

• 倒置透射顯微鏡搭配高速相機系統(tǒng)為液滴微流控研究提供了強大的技術平臺，使科研人員能夠深入探索微觀世界的動態(tài)過程。這一技術組合不僅解決了液滴微流控研究中的觀測挑戰(zhàn)，還極大地促進了單細胞分析、三維細胞培養(yǎng)、高通量篩選等多個領域的發(fā)展。

  隨著多模態(tài)成像、人工智能、儀器自動化和更高時空分辨率等技術的不斷進步，倒置透射顯微鏡與高速相機的結合將在未來生命科學研究、藥物開發(fā)和材料合成中發(fā)揮更加重要的作用。這一技術平臺的持續(xù)演進，將不斷拓展我們對微觀流體世界的認知邊界，為科學研究和工業(yè)應用創(chuàng)造新的可能性。

  液滴微流控技術本身作為多學科交叉的前沿領域，其進一步發(fā)展也離不開光學成像技術的支持。兩者相輔相成，共同推動著科學技術向更微觀、更高效、更精準的方向邁進。

  通過上述流程，系統(tǒng)實現(xiàn)了從觀測到控制的閉環(huán)操作，使液滴微流控研究從被動觀察邁向主動操控的新階段。

  3.技術挑戰(zhàn)與解決方案

  盡管倒置透射顯微鏡搭配高速相機系統(tǒng)在液滴微流控研究中表現(xiàn)出強大能力，但在實際應用中仍面臨多項技術挑戰(zhàn)。理解這些挑戰(zhàn)并采取相應對策，對于優(yōu)化實驗設計、提高研究質量至關重要。

  分辨率與幀速的平衡

  液滴微流控觀測中的一個核心矛盾是空間分辨率與時間分辨率之間的平衡關系。高空間分辨率需要相機在高像素條件下工作，而這通常會限制最大幀速率；反之，追求高時間分辨率（幀速）則往往需要降低圖像分辨率或縮小感興趣區(qū)域。

  解決這一矛盾需要根據具體研究目標優(yōu)化相機設置。例如，在研究液滴內部細胞細微結構時，應優(yōu)先考慮空間分辨率，確保圖像清晰度；而在分析液滴生成或融合的快速動力學過程時，則應優(yōu)先保證時間分辨率。高速相機在不同分辨率下支持不同幀率：1024×1024分辨率下達4000fps，而將分辨率降至384×384時，幀率可提升至21600fps。

  此外，還可以通過區(qū)域興趣（ROI）采集、像素合并等技術，在有限帶寬下實現(xiàn)更優(yōu)化的分辨率-幀速組合。這些技術使研究人員能夠根據實驗需求靈活調整采集參數(shù)，捕捉最關鍵的數(shù)據信息。

  4.未來發(fā)展趨勢

  隨著液滴微流控技術在生物醫(yī)學、化學合成和材料科學等領域的深入應用，倒置透射顯微鏡搭配高速相機系統(tǒng)也在不斷演進，展現(xiàn)出明顯的發(fā)展趨勢。這些趨勢將進一步提升系統(tǒng)的性能，拓展應用邊界。

  多模態(tài)成像融合

  未來液滴微流控觀測系統(tǒng)將更加注重多模態(tài)成像能力的整合，即在同一個平臺上實現(xiàn)明場、熒光、相差等多種觀測方式。這種融合使研究人員能夠同時獲取液滴形態(tài)和內部反應的多種信息，提供更全面的實驗數(shù)據。

  倒置熒光顯微系統(tǒng)已經支持熒光檢測定制，為多模態(tài)成像提供了可能。熒光成像能力特別重要，因為它允許研究人員通過熒光標記特異性追蹤液滴內部分子過程，如基因表達、蛋白質定位和代謝活動。結合明場觀測的形態(tài)信息，可以構建更完整的液滴內反應動力學模型。

  結語

  倒置透射顯微鏡搭配高速相機系統(tǒng)為液滴微流控研究提供了強大的技術平臺，使科研人員能夠深入探索微觀世界的動態(tài)過程。這一技術組合不僅解決了液滴微流控研究中的觀測挑戰(zhàn)，還極大地促進了單細胞分析、三維細胞培養(yǎng)、高通量篩選等多個領域的發(fā)展。

  隨著多模態(tài)成像、人工智能、儀器自動化和更高時空分辨率等技術的不斷進步，倒置透射顯微鏡與高速相機的結合將在未來生命科學研究、藥物開發(fā)和材料合成中發(fā)揮更加重要的作用。這一技術平臺的持續(xù)演進，將不斷拓展我們對微觀流體世界的認知邊界，為科學研究和工業(yè)應用創(chuàng)造新的可能性。

  液滴微流控技術本身作為多學科交叉的前沿領域，其進一步發(fā)展也離不開光學成像技術的支持。兩者相輔相成，共同推動著科學技術向更微觀、更高效、更精準的方向邁進。

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