СПОСОБ ОЦЕНКИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ И ЦЕЛОСТНОСТИ СИСТЕМЫ КЛАПАНОВ МИКРОФЛЮИДНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2016 года по МПК G01M3/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к микрофлюидным системам для работы с клетками тканей, человека, животных или растений и (или) культурами вирусов, в частности, для испытаний лекарственных препаратов, создания клеточных моделей тканей и органов млекопитающих и моделирования межорганных взаимодействий, и предназначено для оценки герметичности и целостности системы клапанов микрофлюидной системы.

Уровень техники

Задача проверки герметичности клапанов является достаточно распространенной. Существует широкий спектр используемых методов контроля герметичности, позволяющих обеспечить контроль течей в широком диапазоне, среди которых различают газовые, газо-гидравлические, гидравлические методы.

Из патентов GB 625290, US 4077427 известны устройства для обнаружения утечек в клапанах, обеспечивающие визуальное наблюдение за движением пузырьков воздуха в жидкости, свидетельствующих о наличии утечек. Из патентов US 5967173, CN 201532293 известны датчики герметичности, также применяемые для определения утечек.

Однако известные технические решения не предназначены для применения в миниатюрных системах, в частности, в микрофлюидных системах, по ряду причин, связанных в большей степени с необходимостью внесения изменений в конструкцию уже установленного клапана.

Микрофлюидные системы представляют довольно новое направление техники и технологии, имеющее ряд особенностей, связанных, в частности, с миниатюрными размерами. Таким образом, клапаны, применяемые в микрофлюидных системах, должны разрабатываться и применяться с учетом отмеченных особенностей. При этом задача проверки герметичности клапанов, с одной стороны, должна решаться на стадии производства, а с другой стороны - возможность ее решения должна учитываться на этапе проектирования.

Микрофлюидные системы изготавливаются как из твердых материалов (кремний, ПММА (полиметилметаакрилат), стекло, поликарбонат, полистирол), так и из эластичных материалов (полидиметилсилоксан (ПДМС) и другие силоксаны). В последнем случае возможно изготовление клапанов для управления движением жидкости, являющихся частью микрофлюидной системы. Чаще всего микрофлюидные системы из ПДМС представляют собой негативный отпечаток в слое ПДМС матрицы с рисунком каналов, герметизированный слоем стекла. Таким образом, с трех сторон получающиеся микрофлюидные каналы сформированы слоем ПДМС, а с четвертой - слоем стекла.

Клапан может представлять собой фрагмент канала, разделенный перегородкой, причем над перегородкой находится отделенная от канала тонким слоем ПДМС камеру (полость) пневматического привода, которая позволяет управлять положением перегородки. Прилегающий к стеклу участок ПДМС в проекции находящейся над ним камеры к стеклу не приклеивается. При пониженном давлении в камере перегородка поднимается и позволяет жидкости в канале течь через клапан. При повышенном давлении в камере перегородка клапана прижимается к стеклу и образует разрыв в канале, надежно предотвращающий течение жидкости через клапан.

Попадание пузырьков воздуха - наиболее частая причина дефектов в микрофлюидных устройствах из ПДМС.

В большинстве случаев микрофлюидная система обладает оптической прозрачностью в видимом диапазоне, что позволяет на этапе производства и при эксплуатации использовать для проверки качества изготовления клапанов оптические контрольно-измерительные устройства.

Из заявки US 2015028235 известны клапан, микрофлюидное устройство, микроструктура, клапанный лист, способ производства клапанного листа и способ производства микрофлюидного устройства. Клапан сформирован из полимера с памятью формы, расположенного в канале, в котором поток жидкости изменяется в результате деформации клапана. Для проверки работоспособности и герметичности клапана его нагревают до 80°C, в результате чего осуществляется необходимая деформация листа полимера. Затем в микроканал устройства подают раствор, содержащий синий пигмент для визуального наблюдения открытого и закрытого состояний клапана с помощью оптического микроскопа. В закрытом состоянии клапана поток жидкости, содержащей синий пигмент, блокируется, в то время как в открытом состоянии клапана наблюдается течение данной жидкости. В случае негерметичного закрытия клапана, с помощью оптического микроскопа также будет наблюдаться течение жидкости, содержащей синий пигмент.

По-видимому, следствием того, что микрофлюидные системы начали разрабатываться и применяться сравнительно недавно, задача оценки герметичности клапанов в таких системах пока что не вышла на первый план и на сегодняшний день не разработано оптимальное ее решение. С другой стороны, поскольку микрофлюидные устройства представляют собой интегральные системы, задача проверки их отдельных компонентов, в т.ч. герметичность клапанов, как правило, решается в рамках общего тестирования микрофлюидной системы и, ввиду отсутствия возможности замены отдельных компонентов, редко возникает необходимость для отдельных тестов таких компонентов.

Из заявки US 2005116798 известна испытательная установка для клапана, предназначенная для жидкостного тестирования, при котором в качестве рабочей жидкости используется 50% раствор метанола в воде. Для закрытия мембраны, на клапан подается напряжение. Напряжение и ток на клапане измеряются и информация о них передается в систему сбора данных. Для измерения разности давлений, необходимой для течения жидкости через клапан, к входу клапана присоединен датчик давления. К выходу клапана также подсоединен датчик давления. Кроме датчика давления, к выходу клапана присоединена 100 мкм трубка для выявления возможных утечек при закрытом клапане. Утечки наблюдаются под микроскопом. Таким образом, инструментальная установка для тестирования микроклапана содержит датчики давления, тестовую оснастку микроклапана, устройство управления потоком, 100 мкм прозрачную трубку и микроскоп.

Поскольку наличие утечек у клапанов микрофлюидных устройств может быть определено путем исследования протекающего через них потока, системы измерения потока в микрофлюидных системах также могут использоваться для контроля герметичности клапанов.

Например, из патента GR 1008118 известна интегрированная система визуального контроля, количественного и качественного измерения потока в микрофлюидных устройствах. Изобретение относится к системам управления и измерения различных свойств движения жидкости в микрофлюидных чипах и позволяет вычислять скорость потока, объем, структуры и плотность жидкостей на основе устройств видеозахвата (цифровая или аналоговая камера с устройством оцифровки, или другой оптический сенсор). Возможно использование оптического сенсора (камеры с объективом) для непрерывного контроля нескольких точек на микрофлюидном чипе, при снижении стоимости и сложности. С использованием предлагаемой системы не только возможно определять местоположение жидкости (волнового фронта), но и определять другие характеристики: скорость движения, объем, а также определять потенциальные проблемы, такие как формирование воздушных пузырьков.

Из заявки US 2008163946 известен способ проверки эффективности закрытия клапана по наличию протечек. Функционирование клапана и его эффективность в микрофлюидном чипе исследовались в поперечном сечении микроканала. Деионизированная вода подавалась из левого плеча микроканала, а краситель - из верхнего плеча со скоростью 0.5 мкл/мин. Нижнее плечо включало клапан с магнитным управлением. При закрытом клапане ламинарный поток наблюдался в правом плече микрофлюидной системы. При открытом клапане краситель и вода протекали через клапан и ламинарный поток наблюдался в нижнем плече. При закрытии клапана поток менял направление в сторону правого плеча с пониженным давлением, краситель не проходил через клапан и нижнее плечо становилось равномерно темным спустя 10 мин после закрытия клапана. Закрытие клапана также исследовалось в простом прямом канале. Краситель направлялся в сторону клапана, который закрывался до того, как через него проходил краситель. Клапан наблюдался на предмет утечек в течение 30 мин под давлением 100 кПа. С увеличением скорости потока в окрестности клапана создавалось высокое давление, приводящее к частичному или полному выходу из строя клапана. Утечку раствора можно было наблюдать в виде уменьшения интенсивности цвета блокированного красителя.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению являются известные из патента US 6189565 способ и устройство, позволяющие отслеживать состояние клапана, наличие возможности прохождения потока через него, а следовательно, и степень герметичности его закрытия. Устройство клапана включает отверстие переменного размера, через которое может протекать жидкость, настраиваемый закрывающий элемент для изменения размера отверстия и сенсорный модуль, генерирующий выходной сигнал в зависимости от размера отверстия. Сенсорный модуль снабжен детектором света, расположенным вниз по потоку от отверстия, для обнаружения света, прошедшего через отверстие и генерации выходного сигнала в зависимости от детектирования света. Данный сигнал подается на модуль визуального отображения, снабженный индикаторами, показывающими, открыт клапан или закрыт.

Однако данное устройство предназначено для клапанов с непрозрачным запорным элементом и определяет размер отверстия, образованного запорным элементом. Создание как встроенного в микрофлюидную систему, так и внешнего по отношению к ней сенсорного модуля для оценки размеров указанного отверстия является сложной с технической и технологической точки зрения задачей, поскольку чувствительные элементы и источники света необходимо разместить в плоскости каналов имеющих характерные размеры менее 0,1 мм. В варианте реализации данного изобретения, представленном на фиг. 1, использован компаратор, который в случае, если клапан выйдет из строя в промежуточном положении между «открыто» и «закрыто», будет выдавать неопределенный сигнал.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка устройства для оценки качества изготовления клапанов микрофлюидной системы, управляемых пневматически, в частности, их целостности (включая проверку отсутствия микроотверстий между полостью, расположенной непосредственно над клапаном, через которую осуществляется подача управляющего давления на клапан (полостью пневматического привода), и полостью системы микрофлюидных каналов) и герметичности (способности клапана полностью перекрывать поток жидкости в микрофлюидном канале), а также других дефектов, препятствующих выполнению клапаном своей функции.

Технический результат заключается в повышении надежности работы микрофлюидной системы за счет выявления на этапе ее изготовления некачественных изделий при снижении трудоемкости контроля качества микрофлюидных систем (в т.ч. за счет автоматизации процесса проверки).

Поставленная задача решается тем, что устройство для оценки герметичности клапанов микрофлюидной системы с пневматическим управлением включает блок облучения клапана и блок регистрации и обработки прошедшего через клапан оптического излучения, где блок облучения клапана представляет собой корпус с двумя каналами, один из которых выполнен сквозным, и в котором размещен световод с наконечником (или ферулой), а второй канал выполнен соединенным с первым и предназначен для подачи воздуха под давлением на клапан микрофлюидной системы через наконечник световода, выполненный в свою очередь с пневмоканалами и закрепленный в сквозном канале корпуса со стороны его размещения на микрофлюидной системе, при этом корпус выполнен с возможностью герметичного размещения на микрофлюидной системе с обеспечением освещения световодом всей поверхности клапана.

Сквозной канал для размещения световода имеет участок, который может быть выполнен диаметром d, предназначенный для закрепления световода и переходящий в участок с диаметром больше чем d (достаточным для прохождения воздуха между световодом и стенками канала) в месте сопряжения сквозного канала с каналом подачи воздуха под давлением.

В одном из вариантов выполнения изобретения световод герметично закреплен в верхней части сквозного канала корпуса посредством винта со сквозным осевым отверстием под световод, и уплотнительной (или герметизирующей) прокладки, расположенной в месте сопряжения винта, световода и корпуса, при этом корпус выполнен цилиндрическим, с соосным расположением канала для размещения световода и винта.

Наконечник световода, как правило, имеет участок со стороны излучающего торца световода, выходящий за пределы корпуса, предназначенный для размещения в цилиндрической полости микрофлюидной системы, через которую осуществляется пневматическое управление положением клапана, при этом при размещении корпуса на микрофлюидной системе в рабочем положении излучающий торец световода размещен на некотором расстоянии от клапана, а световод расположен на одной оси с упомянутой полостью. Наконечник закреплен в канале, например, посредством резьбового соединения.

Для подключения заявляемого устройства к блоку пневматического управления положением клапана, оно снабжено герметично закрепленной в канале подачи воздуха на клапан фитингом (или штуцером) с расположенной в нем трубкой для подачи воздуха (газа).

В одном из вариантов выполнения наконечник световода (ферула) представляет собой металлическую втулку, в которой жестко зафиксирован выходной конец световода, например, посредством эпоксидной смолы, при этом пневмоканалы сформированы, например, посредством трубок, соединяющих полость канала подачи воздуха под давлением и расположенную перед клапаном цилиндрическую полость (пневматический привод) микрофлюидной системы, через которую осуществляется пневматическое управление положением клапана, при этом часть металлической втулки установлена в сквозном канале для размещения волоконного световода, а оставшаяся ее часть, выступающая за пределы корпуса, предназначена для размещения в цилиндрической полости микрофлюидной системы на некотором расстоянии от клапана, при этом световод расположен на одной оси втулки наконечника и упомянутой полости. В данном варианте пневмоканалы наконечника могут быть сформированы, например, из трех трубок, расположенных вокруг волокна световода на равноудаленном расстоянии друг от друга с параллельным размещением осей трубок и втулки, в которой они расположены. Герметичное расположение корпуса на микрофлюидной системе обеспечивается за счет уплотнительного кольца, расположенного вокруг наконечника.

Блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения в одном из вариантов выполнения включает цифровую фотокамеру, расположенную с противоположной стороны микрофлюидной системы, и соединенную с компьютером, при этом оптическая ось фотокамеры совпадает с оптической осью волоконного световода.

Поставленная задача решается также тем, что способ оценки герметичности клапанов микрофлюидной системы с пневматическим управлением включает облучение всей поверхности клапана оптическим излучением, направляемым со стороны полости, расположенной перед клапаном, и предназначенной для пневматического управления клапаном, при этом облучение осуществляют в процессе подачи на клапан последовательности управляющих пневматических сигналов (импульсов) повышенного и пониженного давлений с регистрацией прошедшего через клапан излучения (картины рассеяния света оптически прозрачным клапаном) и последующей обработкой полученных изображений, по результатам которой осуществляют сравнение обработанных изображений с эталоном, по итогам которого делают вывод о герметичности клапанов микрофлюидной системы.

В качестве пневматического сигнала повышенного давления используют давление величиной 10 кПа-50 кПа, в качестве пониженного давления - давление отрицательной величиной -50кПа--10 кПа, при этом длительность импульса подачи давления составляет не менее 0,3 с. В качестве эталона может быть использовано усредненное нормализованное изображение (в частности полученное квантильной нормализацией) прошедшего через клапан излучения, полученного с выборки клапанов без дефектов. Для облучения поверхности клапана рекомендуется использовать свет в диапазоне 580-640 нм со световым потоком, дающим освещенность клапана 300-1000 лк. Вывод об отсутствии герметичности может быть сделан при появлении пятен с интенсивностью (яркостью) более 5% динамического диапазона и характерным размером более 7% диагонали изображения на изображении, получаемом как модуль разности эталона и обработанного изображения излучения, прошедшего через клапан.

Таким образом, указанный технический результат достигается посредством автоматизации оценки целостности и герметичности клапана микрофлюидной системы с помощью оценки и классификации картины рассеяния света оптически прозрачным клапаном, в том числе при его деформации, вызванной подачей на него управляющих пневматических сигналов. При попадании пузырьков воздуха в область клапана, при деформации клапана, при появлении трещин и т.д., картина рассеянного клапаном света будет отличаться от аналогичной картины, получаемой от клапана без дефектов. На основе сравнения этих двух изображений делают вывод о целостности и герметичности клапанов.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция клапана микрофлюидной системы, на фиг. 2 представлены два различных варианта исполнения клапана в слое полидиметилсилоксана, на фиг. 3 изображена деформация выполненного в слое полидиметилсилоксана клапана под воздействием управляющего пневматического сигнала с отрицательным давлением (изображена четверть клапана), на фиг. 4 представлен вариант выполнения заявляемого устройства, на фиг. 5 представлен вариант крепления волокна световода в наконечнике (феруле).

Позициями на чертежах обозначены: 1 - микрофлюидная система, частью которой являются: 2 - пластина, выполненная, например, из поликарбоната, 3 - слой эластичного оптически прозрачного материала, например, полидиметилсилоксана (ПДМС), 4 -система микрофлюидных каналов, (микроканалов), 5 - нижний слой, образованный стандартным предметным стеклом, 6 - клапан, 7 - полость над клапаном (полость микрофлюидной системы или пневматический привод), посредством которой осуществляется пневматическое управление положением клапана; 8 - блок облучения клапана, 9 - блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения; при этом конструктивными элементами блока облучения клапана являются: 10 - корпус, 11 - сквозной канал, в котором размещен световод с наконечником, 12 - канал, предназначенный для подачи воздуха под давлением на клапан микрофлюидной системы, 13 - световод (волокно световода), 14 - наконечник световода, 15 - пневмоканалы наконечника, 16 - первое (или верхнее) уплотнительное кольцо (или уплотнительная прокладка - герметизирующий элемент), 17 - второе (или нижнее) уплотнительное кольцо (герметизирующий элемент), 18 - винт, предназначенный для крепления световода в верхней части сквозного канала корпуса, 19 - сквозное осевое отверстие винта под световод; конструктивными элементами наконечника (ферулы) 14 световода 13 являются: 20 - металлическая втулка, 21 - эпоксидная смола, 22 - трубки формирования пневмоканалов; 23 - фитинг (штуцер), закрепленный в канале подачи воздуха на клапан под давлением, 24 - трубка для подачи воздуха (газа), расположенная в фитинге, 25 - регистрирующее устройство (цифровая фотокамера) блока регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения 9.

Осуществление изобретения

Предлагаемое техническое решение предназначено для контроля качества изготовления микрофлюидной системы, в частности, герметичности ее клапанов, выполненных из оптически прозрачного материала, и управляемых пневматически, которое также может быть использовано с целью контроля за состоянием клапанов в процессе эксплуатации микрофлюидных систем.

Конструкция микрофлюидной системы 1 представляет собой, как правило, трехслойную структуру (фиг. 1), верхний слой которой образован пластиной 2, выполненной, например, из поликарбоната, на которой отлит слой эластичного оптически прозрачного материала 3, например, полидиметилсилоксана (слой ПДМС), содержащий систему микрофлюидных каналов 4 (микроканалов), а также нижний слой 5, образованный стандартным предметным стеклом, клапан 6, герметизирующий микроканалы 4 в слое ПДМС 3. Микроканалы 4 заполнены жидкостью, которая приводится в движение с помощью внешнего или встроенного насоса. В микроканалы 4 встроены клапаны 6, предназначенные для управления движением жидкости, и представляющие собой гибкие тонкостенные мембраны, выполненные из оптически прозрачного материала (фиг. 1, 2). С одной стороны мембраны клапана 6 находится полость 7 пневматического привода (цилиндрическая полость), а с другой - микроканал 4, разделенный перегородкой. При подаче положительного давления в полость 7 пневматического привода микроканал 4 надежно перекрывается. При подаче отрицательного - мембрана клапана 6 деформируется и перегородка приподнимается над предметным стеклом, позволяя жидкости течь через микроканал 4.

Заявляемое устройство включает блок облучения клапана 8 и блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения 9. При этом блок облучения клапана 8 содержит закрепленные в корпусе 10 излучатель в виде волокна световода 13, и узел подачи воздуха на клапан под давлением (или узел подачи на клапан управляющих пневматических сигналов с давлением выше или ниже атмосферного), выполненный с возможностью подключения к блоку пневматического управления положением клапана (на чертеже не показан). При этом корпус 10 снабжен сквозным каналом 11 для размещения волокона световода 13, и соединенным с каналом 11, каналом 12 подачи воздуха на клапан под давлением (или каналом подачи управляющего давления), и выполнен с возможностью герметичного размещения на микрофлюидной системе 1 с обеспечением освещения световодом 13 всей поверхности проверяемого клапана 6 со стороны цилиндрической полости клапана (полости пневматического привода) 7. В одном из вариантов выполнения корпуса сквозной канал 11 для размещения световода имеет в верхней части корпуса 10 участок диаметром d, предназначенный для закрепления световода, переходящий в участок с диаметром больше d (например, диаметром 3d) в месте сопряжения сквозного канала 11 с каналом подачи воздуха под давлением 12. Возможна и иная реализация конфигурации сквозного канала 11 при обеспечении герметичности размещения в нем световода 13 с наконечником (или ферулой) 14, например, с помощью уплотнительных колец 16 (верхнего) и 17 (нижнего), предотвращающих утечку воздуха (или газа), направляемого в данный канал из канала 12 подачи воздуха на клапан под давлением.

Входной конец световода 13, подключенный к источнику света, может быть герметично зафиксирован в корпусе 10 заявляемого устройства, например, посредством верхнего уплотнительного кольца 16 и винта 18, который имеет сквозное осевое отверстие 19 под световод 13. Выходной конец световода 13 снабжен наконечником 14, выполненным, например, в виде металлической втулки 20. Световод жестко зафиксирован во втулке, например, с помощью эпоксидной смолы 21, втулка 20 снабжена пневмоканалами 15, сформированными, например, трубками 22, сообщающимися с полостью над наконечником (расположенной в зоне сопряжения каналов 11 и 12), с одной стороны, и полостью пневматического привода 7, с другой. Сквозной канал 11 (вертикально расположенный при работе устройства) выполнен сообщающимся с каналом 12, в который подаются через фитинг 23 и трубку 24 управляющие пневматические сигналы. При размещении наконечника 14 в полости 7, выполненной в пластине 2 микрофлюидного устройства, нижнее уплотнительное кольцо 17 обеспечивает герметичное соединение наконечника 14, корпуса 10 и пластины микрофлюидного устройства 2. Длина наконечника 14 и размещение в ней торца волокна световода 13 выбраны с учетом апертурного числа волокна световода, расстояния от поверхности пластины 2 до поверхности клапана 6, а также геометрии клапана, таким образом, что клапан полностью освещается световодом.

Возможен вариант выполнения заявляемого устройства, при котором верхнее 16 и нижнее 17 уплотнительные кольца выполнены из резины или силикона, корпус 10 выполнен из алюминия с оксидированием, наконечник (ферула) 14 выполнен из хромированной латуни, трубки 22 выполнены из золота, винт 18 выполнен из стали или другого металла. Трубка 24 и фитинг 23 могут быть выбраны из номенклатуры готовых изделий с диаметром 2 мм и с резьбой М3 соответственно. Для изготовления световода 13 может быть использовано кварцевое волокно с апертурным числом 0,2. Интенсивность источника света подбирается таким образом, чтобы регистрируемое изображение соответствовало динамическому диапазону регистрирующего устройства. В качестве источника света может быть использован Thorlabs OSL2. Для облучения поверхности клапана может быть использован свет в диапазоне 580-640 нм со световым потоком, дающим освещенность клапана 500 лк.

Картина рассеяния света клапаном проецируется на оптическую систему регистрирующего устройства блока регистрации и обработки 9. Для регистрации излучения может быть использована цифровая фотокамера 25, например Pointgrey Flea3 с объективом Nikon BD Plan 5х, подключенная к персональному компьютеру (на чертеже не показан).

Для оценки целостности и герметичности системы клапанов 6 микрофлюидной системы 1 наконечник 14 последовательно размещается в полостях 7 пневматического управления всех клапанов с обеспечением герметичности. В проекции апертуры заделанного в наконечнике (феруле) волоконного световода размещается регистрирующее устройство таким образом, чтобы клапан 6 находился на фокусном расстоянии, соответствующем свойствам используемого в регистрирующем устройстве объектива. Возможен вариант, при котором данные элементы позиционируются вручную. Возможен вариант, когда корпус 10 зафиксирован относительно регистрирующего устройства.

Также возможен вариант, при котором корпус 10 с излучателем (световодом 13), а также регистрирующее устройство (цифровая фотокамера 25) зафиксированы неподвижно, а микрофлюидная система 1 вводится трехкоординатным устройством позиционирования в зазор между ними и позиционируется таким образом, чтобы наконечник 14 был установлен в полости 7 пневматического управления клапана 6 с обеспечением герметичности. В качестве трехкоординатного устройства может быть использован трехмерный портальный привод Festo 3D YXCR-1.

Далее через трубку 24 подаются управляющие пневматические сигналы повышенного или пониженного давлений (например +50 кПа или -50 кПа) на клапан 6, вызывающие его деформацию, и регистрирующим устройством (цифровой фотокамерой 25) фиксируются изображения картины рассеяния прошедшего через клапан 6 излучения. Ввиду миниатюрных размеров клапана 6 и особенностей материала его выполнения, выявить дефекты на поверхности клапана, его размещения в микрофлюидной системе визуально без использования дополнительных инструментальных средств не представляется возможным. Отсутствие средств своевременного обнаружения дефектов в процессе изготовления и эксплуатации микрофлюидных систем может привести к некорректной работе микрофлюидной системы, а, следовательно, к нарушению функций клеток, культивируемых в микробиореакторе. Следует отметить, что функция клеток сильно зависит от условий культивирования. Важную роль при воспроизведении условий, близких к физиологическим, в процессе культивирования клеток, помимо геометрической структуры клеточных ячеек и соединяющих их каналов, играют параметры давления, управляющего током жидкости (корректной работы клапанов). Таким образом, при неправильно организованном процессе культивирования функция клеток может отклоняться от нормальных пределов, может иметь место стрессирование клеток, приводящее к тому, что получаемая модель становится непригодной для проведения исследований.

Получаемые изображения картины рассеяния, регистрируемые после каждого воздействия пневматическим сигналом на клапан 6, обрабатываются, например, с помощью компьютера. В случае, если обработанные изображения отличаются от эталонного изображения, клапан, и соответственно, микрофлюидная система, считаются дефектными.

Вывод об отсутствии герметичности клапана может быть сделан при появлении на изображении пятен с интенсивностью более 5% динамического диапазона и характерным размером более 7% диагонали изображения, получаемого как модуль разности эталона и обработанного изображения излучения, прошедшего через клапан. В качестве эталона может быть использована усредненная нормализованная картина излучения, полученная с клапанов без дефектов. Картина излучения может быть нормализована квартальной нормализацей на основе выборки картин излучения, полученной с клапанов без дефектов.

Также возможен вариант, при котором через трубку 24 подается управляющий пневматический сигнал, например +50 кПа, в течение времени, достаточного для установления на клапане заданного давления, например 0.3 с. После чего регистрирующим устройством фиксируется изображение и подача воздуха через трубку 24 перекрывается. Через некоторый промежуток времени, например, 10 с, фиксируется еще одно изображение. В случае, если изображения различаются, имеет место утечка воздуха через клапан, то есть нарушение целостности клапана. В данном варианте с целью снижения второго промежутка времени перекрывание подачи воздуха может осуществляться с помощью миниатюрного электромагнитного клапана, размещенного непосредственно на корпусе 10.

Возможен вариант, при котором блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения проводит обработку зафиксированного изображения, например, с применением бинаризации и/или построения матрицы градиентов, визуализации изображения с возможностью контроля изображения человеком и/или классификации с применением машинного зрения, в частности на основе сегментации изображения и сопоставления с шаблоном. При этом дефекты могут быть выявлены при сопоставлении с шаблоном бинаризованных изображений, отклонение толщины клапана от заданной может быть выявлено при сопоставлении с шаблоном матрицы градиентов, сопоставление может проводиться с применением методов снижения размерности, например метода главных компонент, с последующей классификацией, например методом ближайшего соседа [On the subspace of image gradient orientations. G. Tzimiropoulos, S. Zafeiriou; Automatic face & gesture recognition and workshops, IEEE, 2011], [Computer vision and information technology: advances and applications; К.V. Kale, S.C. Mehrotra, R.R. Manza; I.K. International Pvt Ltd, 2010 г.]. В частности может использоваться цифровая обработка изображения на персональном компьютере в среде CRAN R с помощью пакетов RIPA и EBImage.

Следует отметить, что представленные в настоящем описании алгоритмы обработки и анализа изображений картины рассеяния прошедшего через клапан 6 оптического излучения, полученные с помощью регистрирующего устройства (например, цифрового фотоаппарата), не являются исчерпывающими. В изобретении могут быть использованы любые, известные из уровня техники, методы и средства, позволяющие упростить выявление дефектных участков клапана или автоматизировать данный процесс.

Заявляемое изобретение было апробировано на при изготовлении серии из микрофлюидных систем, каждая из которых представляла собой трехслойную структуру, верхний слой которой образован пластиной поликарбоната толщиной 10 мм с отверстиями для фитингов и клеточных ячеек, на которой отлит слой ПДМС 2×25×75 мм, содержащий систему микрофлюидных каналов высотой 100 мкм и шириной 500 мкм, а также нижний слой, образованный стандартным предметным стеклом. В слое ПДМС были выполнены клапаны (фиг. 2б) диаметром 2.5 мм, толщиной 500 мкм, с перегородкой шириной 500 мкм. Полости пневматического управления имели диаметр 2.5 мм и участок резьбы М3 в пластине из поликарбоната.

Корпус блока облучения клапана был изготовлен из алюминия, имел цилиндрическую форму и размеры Ф20×40 мм, со сквозным каналом с диаметром в верхней части 1 мм и в нижней - 3 мм. Для световода использовалось кварцевое волокно UV-VIS100FB в полиимидной оболочке, имеющее апертурное число 0.22. Волокно фиксировалось в верхней части корпуса винтом с резьбой М4×0,5 и верхнего уплотнительного кольца из EPDM-резины. В нижней части корпуса волокно было заделано с помощью эпоксидной смолы и трубок Ф0.2 мм в наконечник из латуни с внешним диаметром 2.5 мм в нижней части и резьбой М4×0,5 в верхней, со сквозным отверстием Ф0.51 мм. Выступающая из корпуса длина наконечника составляла 5.8 мм. На наконечнике было установлено нижнее уплотнительное кольцо из силиконовой резины.

Для подачи воздуха использовалась трубка Festo PUN-H-2X0,4-NT и фитинг QSM-M3-2-I установленный в канале подачи воздуха под давлением диаметром 2.5 мм посредством резьбового соединения М3.

В качестве источника света был использован Thorlabs OSL2 с фильтром FEL0600. Для регистрации излучения была использована цифровая фотокамера Pointgrey Flea3 с объективом Nikon BD Plan 5х, подключенная к персональному компьютеру.

Обработка изображений проводилась в среде CRAN R с помощью пакетов RIPA и EBImage и включала в себя квантильную нормализацию по выборке из 30 клапанов без дефектов и визуализацию изображения, полученного как модуль разности нормализованного изображения и эталона. В качестве эталона использовалась усредненное нормализованное изображение вышеупомянутой выборки. Использовались пневматические управляющие сигналы ±20 кПа и ±50 кПа.

С помощью заявляемого изобретения из 35 микрофлюидных систем у 5 были выявлены клапаны с дефектами изготовления. Таким образом, заявляемое устройство позволяет проводить контроль качества микрофлюидных систем с получением по итогам проверки надежно работающих изделий.

Группа изобретений относится к микрофлюидным системам для работы с клетками тканей, человека, животных или растений и (или) культурами вирусов, и предназначена для оценки герметичности и целостности системы клапанов микрофлюидной системы в процессе их изготовления и эксплуатации. Устройство для оценки герметичности клапанов микрофлюидной системы с пневматическим управлением включает блок облучения клапана и блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения, где блок облучения клапана представляет собой корпус с двумя каналами, один из которых выполнен сквозным, и в котором размещен световод с наконечником. При этом второй канал выполнен соединенным с первым и предназначен для подачи воздуха под давлением на клапан микрофлюидной системы через наконечник световода, выполненный в свою очередь с пневмоканалами и закрепленный в сквозном канале корпуса со стороны его размещения на микрофлюидной системе, при этом корпус выполнен с возможностью герметичного размещения на микрофлюидной системе с обеспечением освещения световодом всей поверхности клапана. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для оценки герметичности клапанов микрофлюидной системы с пневматическим управлением, включающее блок облучения клапана и блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения, где блок облучения клапана представляет собой корпус с двумя каналами, один из которых выполнен сквозным, и в котором размещен световод с наконечником, а второй канал выполнен соединенным с первым и предназначен для подачи воздуха под давлением на клапан микрофлюидной системы через наконечник световода, выполненный в свою очередь с пневмоканалами и закрепленный в сквозном канале корпуса со стороны его размещения на микрофлюидной системе, при этом корпус выполнен с возможностью герметичного размещения на микрофлюидной системе с обеспечением освещения световодом всей поверхности клапана.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что сквозной канал для размещения световода имеет участок диаметром d, предназначенный для закрепления световода, переходящий в участок с диаметром не менее 3d в месте сопряжения сквозного канала с каналом подачи воздуха под давлением.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что световод герметично закреплен в верхней части сквозного канала корпуса посредством винта со сквозным осевым отверстием под световод, и уплотнительной прокладки, расположенной в месте сопряжения винта, световода и корпуса, с соосным расположением канала для размещения световода и винта.

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что наконечник световода имеет участок со стороны излучающего торца световода, выходящий за пределы корпуса, и предназначенный для размещения в цилиндрической полости микрофлюидной системы, через которую осуществляется пневматическое управление положением клапана, при этом при размещении корпуса на микрофлюидной системе в рабочем положении излучающий торец световода размещен на некотором расстоянии от клапана, а световод расположен на одной оси с упомянутой полостью.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что наконечник закреплен в канале посредством резьбового соединения.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оно снабжено герметично закрепленным в канале подачи воздуха на клапан под давлением фитингом с расположенной в нем трубкой для подачи воздуха, выполненной с возможностью подключения к блоку пневматического управления положением клапана.

7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что наконечник световода, представляет собой металлическую втулку, в которой жестко зафиксирован выходной конец световода, например, посредством эпоксидной смолы, при этом пневмоканалы сформированы, например, посредством трубок, обеспечивающих передачу воздуха (среды) из канала подачи воздуха под давлением в расположенную перед клапаном цилиндрическую полость микрофлюидной системы, через которую осуществляется пневматическое управление положением клапана, при этом часть металлической втулки установлена в сквозном канале для размещения волоконного световода, а оставшаяся ее часть, выступающая за пределы корпуса, предназначена для размещения в цилиндрической полости микрофлюидной системы на некотором расстоянии от клапана, при этом световод расположен на одной оси втулки наконечника и упомянутой полости.

8. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что пневмоканалы наконечника сформированы из трех трубок, расположенных вокруг волокна световода на равноудаленном расстоянии друг от друга с параллельным размещением осей трубок и втулки, в которой они расположены.

9. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что оно дополнительно снабжено уплотнительной прокладкой, расположенной вокруг наконечника, обеспечивающей герметичное расположение корпуса на микрофлюидной системе.

10. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что блок регистрации и обработки прошедшего через клапан излучения включает цифровую фотокамеру, расположенную с противоположной стороны микрофлюидной системы и соединенную с компьютером, при этом оптическая ось фотокамеры совпадает с оптической осью световода.

11. Способ оценки герметичности клапанов микрофлюидной системы с пневматическим управлением, включающий облучение всей поверхности клапана оптическим излучением, направляемым со стороны полости, расположенной перед клапаном, и предназначенной для пневматического управления клапаном, при этом облучение осуществляют в процессе подачи на клапан последовательности управляющих пневматических сигналов повышенного и пониженного давлений с регистрацией прошедшего через клапан оптического излучения и последующей обработкой полученных изображений, дальнейшего их сравнения с эталонными изображениями, по итогам которого делают вывод о герметичности клапанов микрофлюидной системы.

12. Способ по п. 11, характеризующийся тем, что в качестве пневматического сигнала повышенного давления используют давление величиной 10 кПа - 50 кПа, в качестве пониженного давления - давление величиной - 50 кПа - 10 кПа, при этом длительность импульса подачи давления составляет не менее 0.3 с.

13. Способ по п. 11, характеризующийся тем, что в качестве эталонного изображения используют усредненное нормализованное изображение прошедшего через клапан излучения, полученное с выборки клапанов без дефектов.

14. Способ по п. 11, характеризующийся тем, что для облучения поверхности клапана используют свет в диапазоне 580-640 нм со световым потоком, дающим освещенность клапана 300-1000 лк.

15. Способ по п. 11, характеризующийся тем, что вывод об отсутствии герметичности делают при появлении на изображении пятен с интенсивностью более 5% динамического диапазона и характерным размером более 7% диагонали изображения, получаемого как модуль разности эталонного изображения и обработанного изображения прошедшего через клапан излучения.

16. Способ по п. 13, характеризующийся тем, что используют квантильную нормализацию.