微流控芯片定量检测的数字全息显微成像技术研究

发布时间：2020-05-13 09:18

【摘要】：从1948年Dennis Gabor提出全息术至今,激光器和光电耦合器件的发展极大地推进了数字全息术的快速进步,数字全息术使用光电耦合器件记录全息图并利用计算机进行数值重建,实现数字全息图的重建成像。数字全息显微成像技术由于其数值重建具有扩展性,以及具有非接触、高分辨率和可实时成像的特点,在近年得到快速发展。微流控芯片是一种新兴的生化实验终端,是一种排布有微尺寸通道的芯片实验室,藉由微尺寸通道产生的微流体效应,可进行生物学、化学、医学等方面的检测和实验。近十年来,尽管微流控芯片相关的技术迅猛发展,但现有的成像检测手段无法满足微流控芯片实时无标记非接触检测的需求,特别是对于封闭型的微流控通道,一直缺乏有效的检测手段。此外,目前对于微流体力学的研究也受限于成像方法,特别是对于透明或近透明溶液的微流效应研究,缺少有效的观测手段。无论是经典的光学显微镜成像方法还是电子显微镜或原子力显微镜成像方法,都不适用于微流控通道及其微流体内的微物质成像。本论文面向微流控芯片定量检测的数字全息成像方法进行研究,旨在实现微流控芯片中微管道和微物质的高分辨率三维显微成像,涉及实时双波长数字全息成像方法、区域扫描的数字全息成像方法以及薄膜数字全息计量及其表征方法。本论文的主要研究内容及成果归纳为如下几方面:第一部分,研究微通道及其微流溶液的实时数字全息成像方法。建立了基于偏振复用的准共路干涉数字全息成像系统,利用正交偏振光束在同一离轴数字全息干涉光路中共路传输并分离记录,实现了两个波长全息图的同时无串扰记录;基于离轴数字全息频谱分布特点,给出了离轴频谱自动滤波算法和双波长频谱关联滤波算法,对于单波长和双波长数字全息图实现了准确的正一级频谱信息提取,尤其是双波长关联滤波算法可以基于两个共路干涉光的频谱载频位置关系,快速实现两个波长全息图的关联滤波;研究给出了基于微通道的溶液折射率测量方法,对Y型微流控芯片内分液传输的10%荧光素钠混合液、5%聚酰胺溶液分别进行数字全息成像,并由重构相位分布计算得到了其折射率。第二部分,针对微流控通道内的微流体运动特性,研究基于时空扫描数字全息的分辨率提高方法。阐述了时空全息图合成构建过程并分析了其对成像分辨率提高的影响,给出了基于运动分解和区域扫描的时空扫描数字全息成像方法,实验采用运动状态下的分辨率板进行区域扫描数字全息记录,验证了区域扫描记录以及时空全息图合成构建成像能有效提高扫描方向的分辨率,实现了单次记录条件下成像分辨率的提高;讨论了时空扫描数字全息成像的散斑噪声抑制,提出利用区域扫描结合多幅相移全息图合成提高成像信噪比的方法,实现了单次记录下成像分辨率和信噪比提高。在时空扫描数字全息高通量血细胞计量实验中,对流经微流控芯片管道的血红细胞进行了高通量计数实验,提出了细胞三维计数的全息微粒图像测速示踪算法,实现了微通道流场细胞的快速计数。第三部分,研究薄膜表面微流体力学效应的数字全息成像表征方法。分析了薄膜厚度在数字全息重建中表征方式,采用单波长数字全息成像系统,对气泡膜中心区域临近破裂时的厚度变化进行了测量,实验拟合得出对应于排水过程的膜厚变化;通过建立薄膜排水过程的时空分布图,实现了对薄膜排水过程中微流体效应的数字全息成像与表征,清晰呈现出薄膜表面液流的回流现象;针对薄膜上微粒示踪特点,优化了基于图像相关识别的数字全息微粒示踪算法,通过记录气泡膜成长过程的数字全息图并对气泡膜上微粒进行追迹,给出了薄膜成长过程中微粒随薄膜表面流体运动的轨迹。本论文阐述了面向微流控芯片定量检测的数字全息成像方法,实现了对于微流控通道结构、微流中微物质和微流体效应的数字全息成像测定和表征,为相关研究工作的开展提供了可靠的成像手段。
【图文】：

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图 2-2 (a) 为用于构成时空扫描全息图的分立全息图序列，其中蓝色条纹示意了全息图中干涉条纹。图 2-2 (b) 为所构成的时空扫描全息图，图中的蓝色条纹也示意了全息图中的干涉条纹。从图2-2示出的时空扫描全息图的构成过程可以看到，图 2-2(a)所示的 x-y坐标系中的斜向干涉条纹，转换为图 2-2(b)所示的t-y 坐标系中的水平干涉条纹，出现这种干涉条纹取向变换是时空扫描全息图构成的特点。换言之，时空扫描记录的全息图经过列拼接后，原始分立全息图的干涉条纹取向会自动转换为沿扫描方向取向的干涉条纹。在所获得的时空扫描全息图 I0(t, y)中，该全息图的纵坐标 y 保持原有分立全息图的纵坐标，而其原有横坐标 x 将变为与分立全息图帧数序列相关的时间坐标 t。从原理上，时空扫描全息图可以实现扫描方向的任意扩展视场，即可以在x轴方向上随着记录时间无限扩展。正如图 2-2 中所示意的干涉条纹取向

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北京工业大学工学博士学位论文的数值重建需通过多步相移实现（例如：三步或四步相移将在时空扫描全息图的重建部分具体讨论。理是全息图数值重建过程的重要一步，为此在记录时就息图间的最小相移。根据时空扫描数字全息图记录和构成的时空扫描全息图间的最小相移可以表达为：min2 xsinp x 方向扫描为例，Δx 为扫描方向上的像元尺寸，该像元尺寸；p是分立全息图空间载频的条纹间隔（PitchoftheSpati面 (x, y)上载波的干涉条纹面与扫描方向 x 的夹角。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN492;TN26

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