白皮书 | 生物医学微流体应用中的高速成像：原理与概述

微型成像的许多挑战同时也是常规高速摄影所面临的挑战。它们之间的主要区别是微型成像的视野和对象尺寸要小得多。在研究生物医学微流体应用时，这些区别也带来了巨大的挑战。

该领域的典型目标包括跟踪、识别、分选、诊断和/或封装单个细胞；所有这些目标都需要用到高速成像技术。

Phantom 摄像机的像素大小在 20 到 30 微米之间，可以每秒数十万帧的速度拍摄图像，并从快速移动的微粒中收集高质量的视频数据。

微流体技术是一个高度交叉的领域，它采用最先进的微流体芯片技术来引导流体和内部的微小物体通过具有微小横截面的通道。在生物医学微流体应用的背景下，这些微小的物体通常是尺寸在 1 至 100 微米范围内的细胞。该领域的典型研究包括跟踪、识别、分选、诊断和/或封装单个细胞。要成功进行这些研究，需要一个将传统的显微镜技术、精心设计的微流控设备以及高速成像技术集成在一起的实验系统。

在我们的日常生活中，几乎每个人都可以捕捉以每秒 1 米的速度在空中飞行的物体（例如棒球）的高质量视频。然而，在微观尺度上，拍摄以相同速度移动的物体却非常具有挑战性。

这是因为捕捉高速微对象通常需要数十万的帧速率和几微秒的曝光时间。从本文讨论的实例探究中可以看出，在生物医学微流体应用中采集高质量视频数据不仅需要高速和超高速摄像机，而且还需要理解基本的微流体流物理知识和成像原理。

本案例分析总结了一系列最近同行审阅的文章，在这些文章中，高速摄像机被用来：跟踪和量化细胞轨迹，观察细胞在变形性细胞术过程中的拉伸，引导和分离循环肿瘤细胞以及封装和分选单个细胞。

实验装置

在许多生物医学微流控应用中，注射泵被用来在微流体芯片的入口上提供正压，迫使注射器中含细胞的流体渗过芯片并最终进入单独的收集容器。图 2A 为一个典型的台式设置，其中的注射器和注射泵与微流体芯片串联连接，微流体芯片由高强度光纤照明器提供背光。注意：在本例中，样品通过尼康 SMZ18 显微镜放大并用 Phantom VEO 640S 高速摄像机进行成像，但这两个硬件可以更换为其他型号。

然而，将高速摄像机与显微镜相连的最常见方法是通过 C 卡口适配器，适配器可连接至摄像机的正面，然后连接至兼容的显微镜，请参见图 2B。这种设置几乎可以与所有透明的微流体设备一起使用，请参见图 2C，以拍摄商用 8 通道芯片的特写照片。

与传统的高速成像相比，它的一个优势是，可以使用强烈的背光源来避免常见的光不足问题，这种问题通常出现在依赖于与摄像机视角成斜角放置的光源散射光子的应用中。尽管这种设置可以适应各种生物医学微流体应用，但每个研究都有自己特定的设备（例如压力控制器、摄像机、显微镜、微流体设备等）。

追踪细胞轨迹

微流体学的一种应用是观察和量化微通道网络内细胞的轨迹。即使是看似简单的应用，量化通过微流体设备的细胞轨迹也可能非常复杂。研究人员对这一领域有极大的兴趣是因为，了解穿过微流体通道的细胞的位置和速度可以提供有关通道设计的信息，甚至提供细胞的生物力学特性（例如，刚度、粘附力、弹性）。基于这一动机，佐治亚理工学院和埃默里大学的研究人员证明了流过脊状微流体通道的细胞的刚度可能与细胞的轨迹直接相关。图 3A 为一个微流体设置的示意图，其中的注射泵会迫使含有 K562 淋巴母细胞的溶液通过微流控装置（浓度为 1百万个细胞·mL-1，流速为 50 μL·min-1）。

所得的明场图像用尼康 Eclipse Ti 倒置显微镜（20 倍）进行放大，然后被传送给以640×480 的低分辨率和 800 fps 的速度运行的 Phantom v7.3 高速摄像机中的传感芯片上，以便处理。图 3B 显示了三种不同细胞的彩色轨迹。

在本实例探究中，进行了两个实验，这两个实验唯一的区别是细胞的刚度。在一个实验中，使用了普通的 K562 细胞流经设备，而另一个实验则使用了软化的 K562细胞。为了软化细胞，用肌动蛋白解聚剂细胞松弛素 D 对细胞进行了处理。在对结果进行分析和比较之后，他们得出结论，测量的轨迹在很大程度上受细胞刚度的影响，此外，通过计算建模，他们预测了细胞的轨迹。推导的算法足以处理细胞碰撞和脱离事件的物理特性。

图4：（A）延伸流动区示意图，（B）微流体芯片的照片，（C）进入延伸流动区然后发生变形的细胞快照，（D）变形细胞的特写，（E）密度散点图。注意：B 和 C 中的比例尺分别为 25 mm 和40 μm。经参考文献 8 作者许可后而复制的图像。

变形性细胞术

通过观察单个细胞的变形，可以获得很多信息。这是因为定义细胞力学性能的某些细胞骨架特性会受到细胞状态（例如，健康还是病态）的强烈影响。因此，正如 UCLA 教授 Di Carlo 和他的同事所论证的那样，变形性（在施加压力下形状变化的程度）可以用作确定细胞周期阶段、细胞分化程度、转移潜能和白细胞活化的有效生物标志物。例如，癌细胞通常比良性细胞更具顺应性，这赋予了它们更容易通过新陈代谢在全身移动的能力。在另一个例子中，测量变形性的能力可区分健康的血细胞和感染疟疾的血细胞，已知被感染的那些血细胞比未感染的血细胞要硬得多。变形性与细胞状态之间的相关性让研究人员看到了开发廉价无标记诊断技术的希望。

为了说明这一概念，加利福尼亚大学的研究人员制造了一种微流体装置，该装置具有一个拉伸流动区域，可以有规律地使快速移动的 MCF7 细胞（乳腺癌细胞系）变形，有关微流体芯片的概念和图片，请参见图 4、A 和 B。在该系统中，高流速可以使细胞速度达到约 6.5 μm·μs-（根据图4C 所示的数据，细胞在 14 μs 内移动了约91 μm）。为了捕获这种快速移动的细胞，研究人员将尼康 Eclipse T（i 10 倍物镜）与Phantom v7.3 摄像机相结合，并将摄像机设置到 142,857 fps 的帧速率、256×32 的分辨率、1 μs 的曝光时间。