基于激光自混合干涉原理的微流控流式细胞探测技术的研究

Microfluidic flow cytometry (MFC) system has been an emerging tool in biological detection and clinical diagnosis applications, attracting great attention. Thanks to its own various advantages such as simplicity, self-alignment, nonintrusive，Self-Mixing Interferometry (SMI) technology provides innovating alternative in MFC study. However, so far only a few related works have been reported, the theoretical interpretation of the link between the cell characteristics and the SMI signal properties is still not clear. To solve these problems, 3D models of erythrocyte and lymphocyte are demonstrated for laser-cell scattering performance simulation. The relationship among cell morphology characteristics, scattering behavior and self-mixing signal is investigated in detail. Time-resolved frequency spectrum and time-resolved modulation index spectrum are proposed for individual cell detection. Moreover, for experimental validation a microfluidic system is demonstrated using hydrodynamic focusing technology. Our project can offer a promising tool for the prevention and treatment of pernicious diseases such as tumors and leukemia, and essential work for the national biomedical research.

基于微流控技术的新型流式细胞分析技术，既是现代生物信息学的关键技术，也是临床疾病防控的核心手段，成为现今生物医学领域的研究热点。激光自混合干涉技术具有结构简单、无需准直和非侵入性等优点，非常适合该课题的研究，具有很大潜力。但是目前为止相关研究成果甚少，信号输出特征和细胞自身特征之间的联系尚不清晰，缺少高灵敏度的信号标志参量。本项目针对这些问题，面向血红细胞和淋巴细胞建立三维模型并利用蒙特卡洛方法准确地模拟细胞散射特征。提出一个新的激光自混合干涉信号理论模型，讨论细胞形态学特征、细胞散射特征和激光自混合效应三者之间的关系。再利用时间解析方法研究多普勒频谱和调制函数这两个信号标志参量，构建多角度的单个细胞探测体系。最后利用流体聚焦原理设计出一套可以精确控制细胞样本的探测系统进行实验验证。本项目成果将对肿瘤、白血病等重大疾病的早期防治和我国医学研究水平的提升都具有重要意义。

人体细胞的实时检查一直是生物医学领域的重要研究方向，为了探索一种新型无标记流式细胞探测技术，本项目围绕着颗粒或人体细胞的后向散射光重新回馈到激光腔内产生激光自混合干涉现象这一过程进行深入地研究。针对颗粒细胞的后向散射特征以及其引发的激光自混合干涉效应展开研究。利用时域有限差分法模拟计算单个颗粒细胞的后向散射光场特征。提出信号时域-频域-相位域的复合分析方法，从三个方面对单个颗粒细胞的激光自混合干涉现象进行分析，揭示颗粒细胞形貌学特征与所产生的自混合干涉信号特征之间的联系。另外为了实现精确控制颗粒细胞在芯片内的流动轨迹，降低信号误差，我们也针对层流流体聚焦原理进行分析模拟，设计加工PDMS流体聚焦微流控体外探测芯片。在完成全部既定研究目标的基础上，本项目还成功地利用激光自混合干涉技术对到了大功率激光焊接中产生的高速羽辉微粒特征进行实时探测研究，对羽辉中微小颗粒的速度及其空间分布规律进行详细分析。项目执行顺利，圆满完成了预定的研究任务。