一、微流控技術與高速顯微相機
 

微流控芯片相當于在幾平方厘米的微小芯片上構建的化學或生物學實驗室，可完成化學和生物領域包括樣品制備、反應、分離、檢驗等基本操作流程，具備液體流動可控、消耗試樣、分析速度高等特點，目前廣泛應用于CTC活檢、藥物篩選、單細胞分析、微球制備、基因測序、PCR反應、器官芯片等領域。
微流控一般包括以下幾個系統：
（1）流體驅動系統，根據精度和穩定性要求，可分為壓力泵、注射泵或蠕動泵。
（2）過程檢測及控制系統，由流量傳感器和各種閥門組成，可實現流量的反饋控制，結合閥門控制，還可以實現順序噴射、循環噴射和流體的體積定量。
（3）微流控芯片及觀測系統，根據研究應用不同選擇相應的微流控芯片，再根據芯片選擇驅動源、閥門、顯微鏡和相機等組件。
（4）檢測分析系統，在細胞成像、細胞培養等大多數應用中，需要觀察、記錄和分析微流控芯片上的反應，有必要使用高速相機等高精度設備來檢測、收集和分析實驗現象。
MF52-N顯微鏡用于微流控
因為該技術大部分具有微觀及高流速特點，使用顯微相機捕獲其快速運動的顯微圖像并進行有效分析，是實驗操作成功的關鍵，以下是顯微鏡相機的幾個關鍵技術參數：
（1）傳感器芯片：主要分為CMOS與CCD，區別在于信號讀出過程的不同，CMOS在功耗、成本和發展潛力方面更有優勢，背照式CMOS在可見光領域已經成為市面主流的相機芯片，CCD只有特殊的制冷型CCD還能在近紅外領域有一席之地，目前也有被背照式sCMOS取代的趨勢。
（2）芯片尺寸：指圖像傳感器的成像靶面尺寸，在同樣成像像場下，靶面越大，視野越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。顯微成像常見的芯片尺寸有4/3英寸，1英寸，2/3英寸，1/2英寸等。
（3）像元尺寸：指每個像素對應的傳感面尺寸，像元尺寸越大，單個像素能夠接收到的光子數量越多，感光性能越好。對于熒光成像等弱光成像而言，大像元尺寸意味著更高的靈敏度，能以更快的速度成像，讓捕捉高速畫面成為可能。
（4）分辨率：一般表示為橫向像素*縱向像素（像素=像元數），高分辨率通常意味著成像更清晰、細節更豐富，但像元尺寸需要妥協，不擴大傳感前提下，高分辨率和高靈敏度是難以兼得的。 （5）分辨率@幀率：在特定分辨率下相機一秒鐘成像的次數，幀率越高，畫面越流暢，越能辨認動態細節。但分辨率和幀率越高，要處理和傳輸的數據量越大，受制于處理能力和帶寬限制，高分辨率和高幀率無法兼顧。尤其在高速攝像時，為了提升幀率，要降低分辨率，類似于汽車上不同檔位對應的扭力與轉速之間的關系，可根據實際應用改變分辨率達到不同的拍攝幀率。
（6）快門速度：指從快門打開到關閉的時間間隔，在這一段時間內，物象可以在傳感上留下影像。通常在拍攝高速移動物體時，需高速快門（短曝光時間）以減少運動偽影，對于弱光條件或慢速靜態的拍攝，就需要更慢速快門（長時間的曝光）以獲取足夠的照明。

二、微流控的顯微成像挑戰
 

大部分微流控芯片中的反應過程具有微量、樣本微小、流速快等特點，為獲得連續清晰的圖像并進行有效分析，需使用高速顯微相機成像記錄。在微流控技術高速成像的過程中，面臨著很多挑戰，典型的有以下幾種：
（1）高速移動對幀率和靈敏度提出高要求：在高速運動的微流控應用中，如液滴分選等應用，正常每秒可生成十幾個到上百個，甚至達上千個。普通相機幀率可能就30fps不到，看到的是液珠運動形成的線，看不到單個液滴。明美高速顯微相機MS16-H在全分辨率下即可達到660fps，滿足一般的高速成像需求，還可通過調整分辨率達到更高幀率滿足更高要求。同時這款相機的像元尺寸達到了9μm，具有較高的靈敏度和信噪比，在不配置特殊照明系統前提下更容易達到理想的成像效果。 （2）海量圖像數據的傳輸：在拍攝高速微流控應用時，高速相機在短時間內會產生大量圖像數據，如明美高速相機MS16-H在160萬全分辨率、660幀率條件下拍攝，每秒產生的原始圖像數據可達1.5GB，遠遠超出了USB3.0接口5Gbps（640MB/s）的理論帶寬上限，MS16-H采用萬兆網卡接口傳輸數據，理論帶寬可達10Gbps，并且加入256MB大緩存和壓縮算法，可滿足高速拍攝時的數據傳輸要求。
（3）海量圖像數據的分析處理：高速相機可每秒拍攝幾百到上千幀的圖像，會對電腦硬盤性能和處理性能帶來大的壓力。明美高速相機MS16-H配套專業的圖像分析系統，通過將內存作為處理緩存，緩解硬盤讀寫性能瓶頸，并通過算法處理，可以慢速播放并提取有效關鍵圖像信息。
（4）高幀率和高分辨率難兼顧：高速相機需要較大的像元尺寸來保障靈敏度，否則無法實現有效的高幀率成像，而傳統顯微鏡中使用的相機分辨率可高達2000萬像素，為靜態和緩慢移動的成像提供了優于高速相機的空間分辨率。明美雙分光接口，可以將兩個顯微鏡相機接入到系統，同時滿足高速成像和高分辨率成像。
 

三、明美解決方案
 

（1）高速微流控成像方案
  型號：高速相機MS16-H
 

 

• 1.1英寸傳感，9*9μm大像元尺寸，高靈敏度，優異熒光成像效果
• 170萬全分辨率下幀率可達662fps，降低分辨率可提升到上千幀率
• 快門速度1μs-1153ms，可有效捕獲快速運動物體圖像，減少運動偽影
• 10Gbps萬兆網卡接口，專業配套軟件，電腦幾乎實時預覽高幀率成像
• 256M幀緩存空間，有效保證相機高幀率拍攝與數據傳輸的穩定性

（2）常規微流控觀測相機
   型號：MSX11/MSX2/MC50-S
 

 

• 2/3-4/3英寸芯片尺寸，像素覆蓋500萬-2100萬級別，滿足不同觀測要求
• 3*3μm以上像元尺寸，提供高靈敏度成像效果，可適用于熒光成像
• MSX2/MC50-S幀緩存空間64M，MSX11幀緩存空間達128M
• 均采用USB3.0  5Gbps數據傳輸接口，傳輸速度快，低延遲，穩定性高
• 可根據需要通過調整分辨率獲取高幀率性能，200萬像素情況下分辨率達60fps，滿足常規慢速拍攝

（3）正置顯微觀測平臺
  型號：正置顯微鏡MJ31/ML51-N/MF43-N等

• 正置顯微鏡有高放大倍率和更強的擴展性能，一機多用
• 可選金相顯微鏡配置，長工作距離物鏡更適合微流控芯片
• 有明場、熒光、相差、DIC等成像模式，適用于不同微流控應用場景
• 性能穩定、剛性結構有助于高速精細成像的穩定
• 高數值孔徑消色差物鏡/半復消色差物鏡，保障成像清晰

（4）倒置顯微觀測平臺
  型號：倒置顯微鏡MI52-N/MF52-N/MF53-N

 

 

倒置顯微鏡標配長工作距離物鏡，更適合觀察微流控芯片
標配明場和相襯觀察，可選熒光觀察，滿足大部分場景
目鏡成像為正置放大像，操作移動更直觀易懂
大工作空間，更方便進行復雜的注入和控制操作

明美是一家專注顯微成像產品研發與銷售的高新技術企業，是中國儀器儀表行業協會光學分會理事單位，醫療器械顯微鏡生產及經營廠家。
公司一直堅持誠信經營，用心服務，提供顯微成像解決方案。為教育、科研、醫藥、工業檢測等廣大客戶提供穩定的產品與服務。
始終以客戶需求為主，以品質為根本，以創新為方向，推動顯微行業的數字化、電動化、智能化，為顯微領域的國產化進程貢獻力量。
您若對顯微成像產品有興趣或存在疑惑，明美光電歡迎您咨詢，期待與您相約！

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