[发明专利]一种基于无透镜成像技术的超微量注射检测与控制装置及其方法

说明书

一种基于无透镜成像技术的超微量注射检测与控制装置及其方法，涉及显微注射系统的无透镜成像技术和超微量注射控制技术领域。本发明是为了解决现有缺少能够精确检测毛细玻璃针内液面位置变化的装置及精确控制注射液体体积的问题。无透镜光学液位传感器用于测量注射针内液位变化；微量注射控制单元用于跟踪液位变化情况，修正注射泵的注射压力；平行光源产生的透射光穿透透明的玻璃材质的注射针管，经过减光膜将平行光源的强度减弱至微型线阵图像传感芯片的感光范围内，最终射入微型线阵图像传感芯片中，由微型线阵图像传感芯片测量注射针内液位变化。它用于测量玻璃针内的液位变化，并对注射泵的压力进行修正，使注射器内的注射液体稳定。

技术领域

本发明涉及用于生命科学领域显微注射系统的无透镜成像技术和超微量注射控制技术，具体涉及一种利用线阵图像传感器在无透镜的情况下对毛细玻璃注射针中液面进行成像，测量其位置变化，从而对微量注射泵进行闭环控制的新型方法，主要应用于在对胚胎、细胞、斑马鱼幼鱼等微小生物体进行显微注射过程中，对针管内液面进行实时检测，从而产生反馈对注射量实现精确控制。

背景技术

随着生命科学技术的进步，基于胚胎、细胞以及斑马鱼幼鱼、线虫、果蝇等微小生物体进行基因、药物以及发育学研究成为了一种普遍使用的研究方法。由于这些实验对象仅有数微米到数百微米的尺度，因此使用毛细玻璃针在显微镜下进行的显微注射技术，成为了将外源物质如基因、药物等注入微生物体内应用最为广泛的操作方法。目前常见的显微注射系统，是将拉针仪拉制好的毛细玻璃针，使用持针器连接在微量注射泵上进行注射的，如图1所示。操作者将样本置于显微镜下，操纵持针装置，将玻璃针插入实验对象体内，启动注射泵完成注射。毛细玻璃针的尖端直径一般为5～20μm，玻璃针直段直径一般约为1mm，内径有不同规格，常用内径为0.5mm。对于20nL以下的注射量，一般使用以气压驱动的微量注射泵做为驱动器件。使用气泵进行微量注射是目前最为成熟的注射手段，国际上成熟的商业化的微量注射泵是通过调节保持压力、注射压力以及注射时间来调节单次注射量。其中保持压力是用来克服玻璃针内液体的毛细力、液体重力等影响，从而维持玻璃针内的液面平衡。当进行注射时，注射泵使用注射压力来克服毛细力，打破液面平衡，进而推动液面前进实现注射，实际的注射量V等于：

V＝υ·d·t (1)

其中υ为液面移动速度，d为毛细管内径，t为注射时间。

微量注射系统示意图如图1所示，由于显微镜的视野很窄，成像焦距很短，因此在注射过程中无法通过显微镜实时观察到玻璃针内液面的变化情况，一般只能凭经验在实验前调整注射泵参数。注射参数与玻璃针头(如图2)的长短、形状及开口大小、注射液的粘度等参数均有关系，因此每次实验前均需耗费大量时间进行注射参数测试。同时在注射过程中，由于毛细力、液面变化、外界环境变化均会引起注射参数的显著变化，因此实验过程中的注射量通常会有较大误差；在注射大分子药剂时，经常出现堵头问题，也难以被实验人员发现，因此不同注射样本之间的一致性也很差。这一问题严重限制了大规模、高通量的生命科学实验的开展，是亟待解决的重大难题之一。

解决这一问题的关键是需要增加能够感知玻璃针液面位置变化的传感装置。而显微注射需要对注射量进行纳升量级的控制，产生的液位变化仅有几微米，因此只有增加显微装置才能进行液面的测量，在一般的光学系统中，物体反射(或发出)的光线需要通过透镜组投射到CMOS或CCD图像传感芯片上才能进行成像。为保证成像的清晰，物体与透镜、透镜与传感芯片均需要保持一定距离，因此限制了成像系统的体积。而在显微操作系统中，由于空间结构的限制，额外增加用于液位观察的显微镜是不现实的。

因此需要研制一个超微型的液面传感与控制装置，实时测量玻璃针内的液位变化，并通过控制算法在线调整微量注射泵的注射参数，同时在空间上不与显微镜、机械臂等其他仪器干扰。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少能够精确检测毛细玻璃针内液面位置变化的装置及精确控制注射液体体积的问题。现提供一种基于无透镜成像技术的超微量注射检测与控制装置及其方法。