胡馨然,牛禮軍,胡曉明,周 雅
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基于液體透鏡的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)
胡馨然1a,牛禮軍2,胡曉明1b,周 雅1a
( 1. 北京理工大學(xué)a. 光電學(xué)院;b. 生命學(xué)院,北京 100081;2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,安徽蚌埠 233000 )
針對(duì)共聚焦型激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)對(duì)微米尺度微流控芯片溝道檢測(cè)存在對(duì)焦困難,檢測(cè)精度受離焦影響嚴(yán)重的問(wèn)題,本文提出了一種利用液體透鏡連續(xù)變焦實(shí)現(xiàn)微溝道自動(dòng)對(duì)焦的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置,并針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于圖像清晰度評(píng)價(jià)的自動(dòng)調(diào)焦算法。裝置根據(jù)采集的微流控芯片溝道圖像自動(dòng)調(diào)整聚焦點(diǎn)位置,保證最優(yōu)的激發(fā)光與誘導(dǎo)熒光收集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片溝道的快速自動(dòng)對(duì)焦,波動(dòng)范圍在0.5%之內(nèi),變異系數(shù)為1.5‰。它為提高微流控芯片的檢測(cè)精度和設(shè)計(jì)靈活性提供了可能。
微流控芯片;激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè);液體透鏡;自動(dòng)調(diào)焦
自二十世紀(jì)九十年代初來(lái)自瑞士的Manz等人提出了微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis System, μTAS)的概念后[1],微流控芯片技術(shù)不斷發(fā)展,對(duì)分析儀器走向微型化、集成化、自動(dòng)化的方向做出了重要貢獻(xiàn)[2]。它是一種以在微米尺度的空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征,將生物和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米大小的芯片上。由于微流控芯片尺度小,溝道寬度和深度尺度都在微米量級(jí),檢測(cè)精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析至關(guān)重要。微流控芯片的檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)方式分為多種,而激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)(Laser Induced Fluorescence Detection,LIFD)是用于微流控芯片檢測(cè)的靈敏度最高的檢測(cè)技術(shù)之一。
激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)是至今為止針對(duì)微流控芯片檢測(cè)使用最早,應(yīng)用最廣泛的光學(xué)檢測(cè)[3],它的檢測(cè)靈敏度可達(dá)10-9~10-13mol/L。與非共聚焦型LIFD相比,共聚焦型LIF檢測(cè)器對(duì)熒光與激發(fā)光、反射光、雜散光的分離更為完全,可以有效改善檢測(cè)靈敏度和信噪比,具有較高的檢測(cè)靈敏度,但系統(tǒng)共焦檢測(cè)也給檢測(cè)條件和手段要求提高了。目前的檢測(cè)方法通常是通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)焦,檢測(cè)重復(fù)性受人為因素影響較大。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,劉翻[4]等人設(shè)計(jì)的三維可調(diào)共聚焦激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器中對(duì)激光光斑位置的調(diào)整采用了一種三維反射鏡調(diào)節(jié)裝置;劉云亮等人[5]設(shè)計(jì)的基于共聚焦原理的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器中對(duì)激光光斑對(duì)焦位置的調(diào)整采用了一個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái);李偉[6]等人設(shè)計(jì)的共聚焦式激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置中利用三個(gè)電控位移臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)對(duì)焦。上述設(shè)計(jì)都是依靠移動(dòng)整體光學(xué)成像系統(tǒng),改變光學(xué)系統(tǒng)的成像物平面實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置調(diào)焦。雖然調(diào)整過(guò)程可以使用自動(dòng)來(lái)代替手動(dòng),一定程度上擴(kuò)展了使用靈活性,但是靠機(jī)械移動(dòng)部件完成成像物面調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦,控制靈活度和測(cè)量精度仍然有限。同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)的不穩(wěn)定會(huì)帶來(lái)一定的誤差和噪聲,影響調(diào)焦結(jié)果。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們提出了一種采用液體透鏡結(jié)合自動(dòng)調(diào)焦算法實(shí)現(xiàn)微溝道自動(dòng)對(duì)焦的檢測(cè),使LIFD裝置可以根據(jù)采集的微流控芯片溝道圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦,保證檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量的同時(shí)也可以保證激光的激發(fā)效率。
1.1 自動(dòng)對(duì)焦LIFD總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
經(jīng)典的共聚焦LIFD結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,激光發(fā)射光束由二色鏡反射后,經(jīng)顯微物鏡的聚焦把激光束聚焦在檢測(cè)溝道內(nèi),誘發(fā)的熒光經(jīng)顯微物鏡收集穿過(guò)二色鏡和濾光片后,由光電倍增管探測(cè)其強(qiáng)度,另一方面在二色鏡后方加入CCD攝像機(jī)監(jiān)視溝道情況,有利于聚焦、觀察和圖像采集操作。激發(fā)光束的匯聚點(diǎn)和產(chǎn)生的熒光匯聚點(diǎn)在同一條直線(xiàn)上,因此稱(chēng)為共聚焦型LIF檢測(cè)器。
圖1 共聚焦激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)系統(tǒng)
圖2 基于液體透鏡激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖
共焦檢測(cè)的結(jié)構(gòu)可以濾除大部分的雜散光,提高檢測(cè)精度,但也給檢測(cè)條件和手段提高了要求。當(dāng)使用LIFD對(duì)微控流芯片進(jìn)行檢測(cè)時(shí),LIFD是否準(zhǔn)確對(duì)焦對(duì)檢測(cè)結(jié)果有很大影響。由共聚焦LIFD原理示意圖可以看出,激光光源的聚焦位置為實(shí)際的檢測(cè)窗口,該聚焦位置與微流控芯片的檢測(cè)溝道的三維空間重合程度極大的影響了裝置的檢測(cè)能力與檢測(cè)重復(fù)性。由于加工精度的限制造成檢測(cè)液流的空間位置與激光誘導(dǎo)熒光裝置的預(yù)設(shè)位置有偏差,這就是共聚焦型LIFD的主要檢測(cè)誤差來(lái)源。如圖1(b)所示,只有理想焦平面上的物體光束才能通過(guò)光闌,為光電倍增管收集。而對(duì)于偏離理想焦平面的位置,大部分光線(xiàn)會(huì)被光闌阻擋,無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)。微流控芯片結(jié)構(gòu)特征尺寸一般在十幾到幾十個(gè)微米,當(dāng)沒(méi)有正對(duì)焦面時(shí),一方面,會(huì)造成本來(lái)就相對(duì)較弱的檢測(cè)熒光收集能量大幅減弱,導(dǎo)致信噪比降低;另一方面,共焦結(jié)構(gòu)的激發(fā)激光也因離焦造成激發(fā)能量降低,對(duì)共焦型檢測(cè)結(jié)果質(zhì)量影響很大。
液體透鏡是一種基于仿生學(xué)的光學(xué)器件,它利用某種控制方法改變透鏡的折射率或形狀來(lái)調(diào)整焦距,實(shí)現(xiàn)焦距的連續(xù)變化。將液體透鏡引入變焦距光學(xué)系統(tǒng)而不需要引入任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件將會(huì)給變焦光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化[7-8]。在本文中,我們?cè)诩す庹T導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置中使用液體透鏡,結(jié)合LIFD中的顯微物鏡實(shí)現(xiàn)變焦光學(xué)系統(tǒng)。
由圖1(a)分析可以知道,光電倍增管收集的熒光和樣品是共軛關(guān)系,CCD上溝道圖像和樣品是共軛關(guān)系??梢酝ㄟ^(guò)使用CCD采集圖像對(duì)溝道聚焦情況進(jìn)行判定[6]。圖2是本文中設(shè)計(jì)的基于液體透鏡的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置。裝置由共聚焦光學(xué)系統(tǒng)、液體透鏡和計(jì)算機(jī)組成。微流控芯片通過(guò)共聚焦光學(xué)系統(tǒng)成像,CCD攝像機(jī)將采集的芯片溝道圖像傳輸給主控計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制液體透鏡焦距改變實(shí)現(xiàn)軸向自動(dòng)對(duì)焦。
1.2 LIFD系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià)算子設(shè)計(jì)
在激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)中,溝道清晰成像是聚焦判斷依據(jù)。圖像清晰度反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)焦是通過(guò)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)采集圖像清晰度評(píng)價(jià),反饋相應(yīng)電學(xué)參數(shù),進(jìn)而控制光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù),直至最終得到最清晰的像。圖像清晰度評(píng)價(jià)的自動(dòng)調(diào)焦靈活性好,不需要引入機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,因此本文采用圖像清晰度評(píng)價(jià)控制完成自動(dòng)調(diào)焦。
清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)性能會(huì)直接影響對(duì)焦效果。理想的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)該具有良好的無(wú)偏性,單峰性和較高靈敏度。此外,在顯微鏡觀測(cè)的情況下,應(yīng)該還需要較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。目前常見(jiàn)的數(shù)字圖像評(píng)價(jià)函數(shù)主要有灰度變化函數(shù)、梯度函數(shù)、圖像灰度熵函數(shù)和頻域類(lèi)函數(shù)[9]。經(jīng)常用于自動(dòng)調(diào)焦中的評(píng)價(jià)函數(shù)有Tenengrad函數(shù)、Brenner函數(shù)、Roberts梯度函數(shù)、Sobel梯度函數(shù)、Laplacian函數(shù)、Variance 函數(shù)等[10]。對(duì)于微流控芯片溝道圖像,溝道邊緣銳利程度不大,灰度分布不均勻,Laplacian等對(duì)邊緣敏感的評(píng)價(jià)函數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)偏差,同時(shí),由于微流控芯片溝道圖像中目標(biāo)體積不大,背景體積大,因此需要考慮盡量大的模板來(lái)減小背景的影響。基于以上特點(diǎn),選取基于SUSAN算子的評(píng)價(jià)函數(shù)[11]來(lái)完成自動(dòng)對(duì)焦算法。SUSAN算法能有效的對(duì)圖像進(jìn)行角點(diǎn)提取和邊緣檢測(cè)[12]。它使用一種近似圓形的模板。用模板在圖像上移動(dòng),模板內(nèi)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的灰度值()都與模板中心像素的灰度值(0)作比較,若模板內(nèi)某個(gè)像素的灰度與模板中心像素(核)灰度差小于設(shè)定閾值,則認(rèn)為該點(diǎn)與核具有相同或相近的灰度,可由下式描述:
所有滿(mǎn)足這一條件的像素組成的區(qū)域稱(chēng)為核值相似區(qū)(Univalue Segment Assimilating Nucleus, USAN),計(jì)算式如下式:
當(dāng)圓模板越接近邊緣和角點(diǎn)時(shí)USAN的值越小,反之越大。當(dāng)USAN小于設(shè)定閾值時(shí),即認(rèn)定此點(diǎn)為邊緣點(diǎn)。
在自動(dòng)對(duì)焦的過(guò)程中,圖像越清晰,包含的邊緣信息越豐富,含有大于零的(0)分量越多;反之,圖像越模糊,圖像所含有的大于零的(0)分量越少。因此,將對(duì)焦窗口內(nèi)各點(diǎn)(0)值的絕對(duì)值的和作為圖像的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),則在圖像對(duì)焦窗口的Rect區(qū)域內(nèi),計(jì)算式為
我們對(duì)液體透鏡輸出連續(xù)同向驅(qū)動(dòng)電流使液體透鏡焦距連續(xù)變化,采集微流控芯片溝道從離焦到對(duì)焦再到離焦?fàn)顟B(tài)的41幅圖像。如圖3是41幅圖片中6個(gè)不同焦深的示例。用SUSAN函數(shù)對(duì)41幅圖像進(jìn)行處理,得到結(jié)果如圖4。圖中橫坐標(biāo)是圖片的編號(hào),縱坐標(biāo)是評(píng)價(jià)函數(shù)的清晰度評(píng)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,基于SUSAN算子的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)曲線(xiàn)單峰性好,誤差較小;評(píng)價(jià)曲線(xiàn)較光滑,具有良好的單峰性,無(wú)偏性以及尖銳性,適合LIFD的自動(dòng)調(diào)焦算法。
圖3 不同離焦?fàn)顟B(tài)下的6幅圖片
圖4 SUSAN算子處理圖像結(jié)果
2.1 LIFD自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證本文提出的基于液體透鏡自動(dòng)對(duì)焦的LIFD系統(tǒng),設(shè)計(jì)了調(diào)焦系統(tǒng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的微流控芯片是一個(gè)長(zhǎng)75 mm,寬26 mm,溝道寬度和深度都是50 μm的電泳芯片,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6,微流控芯片置于基座上,使用白光LED陣列輔助光源照明。采用寧波遠(yuǎn)明激光技術(shù)有限公司的半導(dǎo)體泵浦激光器LSR473HOEM-50作為激發(fā)光源,Optotune公司液體透鏡EL-10-30-Ci[13]結(jié)合40倍顯微物鏡構(gòu)成共焦光學(xué)系統(tǒng)物鏡組對(duì)微流控芯片成像;使用MINTRON公司的型號(hào)為MTV-1881EX-3的CCD作為圖像傳感器;共焦系統(tǒng)成像清晰度評(píng)價(jià)和自動(dòng)變焦控制由計(jì)算機(jī)完成。
圖5 微流控芯片
圖6 基于液體透鏡的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置圖
調(diào)焦實(shí)驗(yàn)中,我們使用評(píng)價(jià)函數(shù)反饋控制輸出電流對(duì)液體透鏡的焦距進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦。液體透鏡EL-10-30-Ci的控制源是一個(gè)恒流源,其電流大小為0 mA到300 mA,常溫下電壓不超過(guò)5 V。EL-10-30-Ci中有兩個(gè)腔體,腔體內(nèi)分別填充入兩種折射率不同的液體,兩個(gè)腔體間由一個(gè)彈性聚合物薄膜分隔,圖7給出了液體透鏡的變焦過(guò)程。圖7(a)中,給液體透鏡加上低電流時(shí),透鏡的焦距較大;圖7(b)中,給液體透鏡加上高電流時(shí),透鏡焦距較小。圖7(a)中箭頭的位置是變焦時(shí)控制部分施加壓力的位置,這個(gè)壓力使溝槽內(nèi)的液體被擠壓到靠近中心的位置,中心位置明顯凸起,即曲率半徑發(fā)生變化,最終使液體透鏡的焦距發(fā)生改變。
在調(diào)焦過(guò)程中,我們使用登山式控制算法進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制液體透鏡電流。登山式控制算法[14]的原理圖如圖8。變焦過(guò)程從點(diǎn)開(kāi)始,首先向某一方向改變一個(gè)步進(jìn)值,對(duì)兩次所在位置的結(jié)果進(jìn)行比較,通過(guò)評(píng)價(jià)值大小關(guān)系判斷出峰值所在的方向。然后開(kāi)始以最大的步進(jìn)值向峰值方向運(yùn)行。直到產(chǎn)生1<2的情況就能夠判斷算法已經(jīng)過(guò)了峰值焦距點(diǎn),于是從1開(kāi)始以一個(gè)較小的步進(jìn)值反方向進(jìn)行運(yùn)算。不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程,即找到降低點(diǎn),換用更小的步進(jìn)值反方向計(jì)算,最終直到步進(jìn)值已達(dá)到最小并且產(chǎn)生降低現(xiàn)象時(shí),此處的值即可以認(rèn)定為本次計(jì)算的峰值。實(shí)驗(yàn)中,首先采集一幅圖像,對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)價(jià),再往某個(gè)方向改變調(diào)節(jié)參數(shù)的一個(gè)步進(jìn)值,再采集圖像并進(jìn)行評(píng)價(jià),比較兩個(gè)評(píng)價(jià)值大小,判斷出峰值所在方向,并調(diào)整步進(jìn)值,直至找到評(píng)價(jià)峰值即對(duì)焦準(zhǔn)確的位置,完成自動(dòng)對(duì)焦。
圖7 液體透鏡的調(diào)焦原理圖
圖8 登山式控制算法原理圖
2.2 基于液體透鏡的LIFD自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)
使用LIFD對(duì)微流控芯片進(jìn)行檢測(cè)時(shí),會(huì)出現(xiàn)兩種可能的離焦情況:實(shí)際距離大于工作距離和實(shí)際距離小于工作距離。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的液體透鏡自動(dòng)調(diào)焦算法在這兩種情況下的性能,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。當(dāng)實(shí)際距離大于和小于工作距離時(shí)初始位置和調(diào)焦后圖片如圖9和圖10所示。
圖9 大于工作距離自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程
圖10 小于工作距離自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程
2.3 LIFD自動(dòng)調(diào)焦穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
2.2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明,本文設(shè)計(jì)的基于液體透鏡自動(dòng)對(duì)焦的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置在針對(duì)微流控芯片檢測(cè)中,能夠根據(jù)采集到的微流控芯片溝道圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。
在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用中,調(diào)焦結(jié)果的重復(fù)性也是系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此,本文還設(shè)計(jì)一組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。使用系統(tǒng)對(duì)同一距離目標(biāo)進(jìn)行了10次自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn),控制電流變化在80 mA到130 mA之間。表1是10次自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)初始圖像評(píng)價(jià)值和最后穩(wěn)定圖像評(píng)價(jià)值。
將10次調(diào)焦實(shí)驗(yàn)最后穩(wěn)定的圖像評(píng)價(jià)值記錄并歸一化得到圖11。從圖11中,可以看出,10次自動(dòng)調(diào)焦圖像完成的評(píng)價(jià)值較穩(wěn)定,近似為一條直線(xiàn)。直線(xiàn)波動(dòng)范圍內(nèi)0.5%之內(nèi)。變異系數(shù)(方差除以均值)為1.5‰。可以看出基于液體透鏡自動(dòng)對(duì)焦的算法穩(wěn)定好。
表1 10次自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)初始評(píng)價(jià)值和最終評(píng)價(jià)值
圖11 自動(dòng)調(diào)焦算法穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
與現(xiàn)有的傳統(tǒng)的依靠機(jī)械移動(dòng)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)相比,本文提出的基于液體透鏡自動(dòng)對(duì)焦的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置,具有良好的單峰性,無(wú)偏性和穩(wěn)定性的SUSAN算子清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)對(duì)焦算法。實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片溝道的快速自動(dòng)調(diào)焦,并且10次完成調(diào)焦時(shí)的圖像評(píng)價(jià)值穩(wěn)定,波動(dòng)范圍在0.5%之內(nèi),穩(wěn)定性好,為提高微流控芯片的檢測(cè)精度和設(shè)計(jì)靈活性提供了可能。
[1] Manz A,Graber N,Widmer H M,. Miniaturized total chemical analysis systems:A novel concept for chemical sensing [J]. Sensors and Actuators B-chemical(S0925-4005),1990,1(1):244-248.
[2] 方肇倫,方群. 微流控芯片發(fā)展與展望 [J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器,2001,4(3/6):1-2.
FANG Zhaolun,F(xiàn)ANG Qun. Developments and Trends of Microfluidic Chip Analytical Systems [J]. Modernentific Instruments,2001,4(3/6):1-2.
[3] 戴旭東. 微流控芯片中壓力效應(yīng)對(duì)分離重現(xiàn)性影響研究 [D]. 大連:大連理工大學(xué),2009:5-6.
DAI Xudong. The Study of the pressure effect on separation repeatability in microfluidic chip [D]. Dalian:Dalian University of Technology,2009:5-6.
[4] 劉翻,于淑新,唐濤,等. 新型三維可調(diào)共聚焦激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器的研制與評(píng)價(jià) [J]. 色譜,2011,29(9):896-900.
LIU Fan,YU Shuxin,TANG Tao,. Development and evaluation of a novel three-dimensional adjustment confocal laser-induced fluorescence detector [J]. Chinese Journal of Chromatography,2011,29(9):896-900.
[5] 劉云亮. 基于共聚焦原理的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器 [D]. 大連:大連理工大學(xué),2012:19-23.
LIU Yunliang. Laser induced fluorescence detector based on the confocal principle[D]. Dalian:Dalian University of Technology,2012:19-23.
[6] 李偉. 共聚焦式激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置的研究 [D].大連:大連理工大學(xué),2006:9-16.
LI Wei. The study of confocal laser induced fluorescence detection device[D]. Dalian:Dalian University of Technology,2006:9-16.
[7] 張鷹,張新,史廣維,等. 液體透鏡在變焦系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 中國(guó)光學(xué),2013,6(1):46-56.
ZHANG Ying,ZHANG Xin,SHI Guangwei,. Application of liquid lens in zoom systems [J]. Chinese Optics,2013,6(1):46-56.
[8] 高贊. 自動(dòng)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的精確度和穩(wěn)定性研究 [D].濟(jì)南:山東大學(xué),2007:32-34.
GAO Zan. The study of accuracy of the automatic focusing evaluation function and stability [D]. Jinan:Shandong University,2007:32-34.
[9] 曹茂永,孫農(nóng)亮,郁道銀. 基于灰度梯度的數(shù)字圖像評(píng)價(jià)函數(shù) [J]. 光電工程,2003,30(4):69-72.
CAO Maoyong,SUN Nongliang,YU Daoyin. Digital image evaluation function based on gray gradient [J]Opto-Electronic Engineering,2003,30(4):69-72.
[10] 趙輝,鮑歌堂,陶衛(wèi). 圖像測(cè)量中自動(dòng)調(diào)焦函數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究與分析 [J]. 光學(xué)精密工程,2004,12(5):531-536.
ZHAO Hui,BAO Getang,TAO Wei. Experimental research and analysis of automatic focusing function for imaging measurement [J]. Optics and Precision Engineering,2004,12(5):531-536.
[11] 張艷超,趙建,韓希珍,等. SUSAN 清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)在自動(dòng)對(duì)焦中的應(yīng)用 [J]. 中國(guó)光學(xué),2014,7(2):240-244.
ZHANG Yanchao,ZHAO Jian,HAN Xizhen,. Application of SUSAN definition evaluation function in auto-focusing [J]. Chinese Optics,2014,7(2):240-244.
[12] 李惠光,王帥,沙曉鵬,等. 顯微視覺(jué)系統(tǒng)中自動(dòng)聚焦技術(shù)的研究 [J]. 光電工程,2014,41(8):1-9.
LI Huiguang,WANG Shuai,SHA Xiaopeng,. Study of Auto Focusing Technique of Micro-vision System [J]. Opto-Electronic Engineering,2014,41(8):1-9.
[13] Blum M G,Bueler M,Gratzel C,. Compact optical design solutions using focus tunable lenses [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X),2011,8167(1):2.
[14] 任四剛,李見(jiàn)為,謝利利. 基于灰度差分法的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù) [J]. 光電工程,2003,30(2):53-55.
REN Sigang,LI Jianwei,XIE Lili. Automatic focusing technique based on gray scale difference method [J]. Opto-Electronic Engineering,2003,30(2):53-55.
A Novel Laser Induced Fluorescence Detection Device Based on Liquid Lens
HU Xinran1a,NIU Lijun2,HU Xiaoming1b,ZHOU Ya1a
( 1. a. School of Optoelectronics;b. School of Life Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Bengbu233000, AnhuiChina)
Laser Induced Fluorescence Detection (LIFD) technology is one of the most sensitive means for the microfluidic chip detection in which application field it is important to achieve accurate focus due to the small size of microfluidic chip. A novel LIFD based on liquid lens is proposed to obtain the optimal excitation light and the induced fluorescence collection, which is capable of adjusting focus position in three-dimension automatically according to the information provided by the images. The autofocus algorithm for LIFD is accomplished with the combination of SUSAN operator and the mountain climbing control algorithm. A tunable liquid lens based on LIFD experimental prototype is set up to testify the proposed system and algorithms. Experimental results show that the system can achieve the autofocus of microfluidic chip. The repeatability experimental results indicate that the evaluation of the last picture in each single experiment has a steady feature with a fluctuation of 0.5% and coefficient of variation of 1.5‰. It provides a solution to improving the detection accuracy and a design flexibility of microfluidic chip.
microfluidic chip; laser induced fluorescence detection; liquid lens; auto-focus
1003-501X(2016)12-0058-07
TH74
A
10.3969/j.issn.1003-501X.2016.12.010
2016-03-14;
2016-06-02
北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃(YETP1170)
胡馨然(1993-),女(漢族),湖南株洲人。碩士研究生,主要研究工作是光電儀器研究。E-mail:huxinranbit@163.com。