技术领域
[0001] 本实用新型属于
半导体及
生物技术交叉领域，尤其涉及一种基于CMOS
传感器和微流控芯片的双芯片系统研究化学感受器对细菌运动影响的装置。
背景技术
[0002] 人类和病原菌之间的战斗从未停止过，一味的使用抗生素使这场战斗进入了一个盲目的死胡同。显然，细菌比我们想象的更为聪明，因为它们不仅可以通过变异获得对抗生素的耐药能
力，而且还可通过细菌表面上的化学感受器
感知和响应它们的周围环境，使得细菌能够逃脱不利的环境条件。
[0003] 在自然条件下，细菌的运动表现出复杂的三维运动轨迹。在大多数情况下，这种过程表现出随机的
布朗运动。然而在貌似随机的布朗运动背后，细菌的趋化性才真正决定了细菌的最终目的地，指引着细菌朝向或者离开化学物质。举例而言，大肠杆菌表面通常具有4-10个鞭毛，使得大肠杆菌可以以两种不同的方式进行运动，第一种是逆
时针旋转将鞭毛对准成单个旋转束，使得细菌在直线上游动。同时大肠杆菌也可以顺时针旋转将鞭毛束分开，使得每个鞭毛指向不同的方向，导致细菌在适当
位置进行翻滚。
[0004] 细菌的整体运动呈现出交替的翻滚和游动。如果我们观察在均匀环境中游动的细菌，其运动将看起来像随机游走，相对直的游动被随机翻滚中断，使得细菌改变游动方向。细菌不能选择它们游动的方向，并且由于旋转扩散使得其在直线上游动往往不超过几秒钟。换句话说，细菌总是表现出似乎它们忘记了要去的方向。然而细菌实际上正是通过这一过程，迅速的调整它们的运动方向以避免自身向错误的方向移动。如果细菌感觉到它以正确的方向移动(朝向营养物质/远离抗菌成份)，它将在翻滚之前在直线上保持较长时间游动。如果它在错误的方向移动，它会更快地翻滚，并随机尝试一个新的方向。换句话说，大肠杆菌等细菌使用时间感测来决定他们的情况是否改善。以这种方式，它能以非常高的效率找到具有最高浓度的营养物质的位置。并且即使在非常高的浓度下，它仍然可以区分非常小的浓度差异。因而细菌在宏观上表面出它们能够引导自身的运动以找到具有高浓度的
引诱剂(通常是营养物质)和避免抗菌成份的有利位置。
[0005] 使细菌具备这一能力的正是细菌表面的化学感受器，细菌化学感受器是一种贯穿细胞体到细胞外部的
蛋白质，其通过接受细胞外分子，传导细胞
信号，充当着类似细菌生物天线的作用。化学感受器使细菌能感受并响应周围环境，使细菌具备趋利避害的能力。要想充分研究细菌化学感受器对其运动的影响，就需要构建一个系统来了解细菌是如何在三维空间进行运动以及细菌在特定化学物质存在下运动轨迹如何变化。
[0006] 传统上我们可以通过相差
显微镜对细菌运动进行观测，然而相差显微镜仅仅能实现二维空间的观测。要想实现三维空间的观测，通常只能通过激光共聚焦显微镜来实现细菌在三维空间的
定位，然而激光共聚焦显微镜也存在着
帧速率太低的问题因此无法实现实时观测。因此，在不同条件(物理和化学微环境)下以高通量实时观察细菌三维轨迹是了解化学趋向性的机制所迫切需要的。
[0007] CMOS，中文学名为互补金属
氧化物半导体，主要是利用
硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带负电)和P(带正电)级的半导体，这两个互补效应所产生的
电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一
块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
[0008] 随着微流控芯片的出现和CMOS传感器芯片的
分辨率的大幅提高，这使得我们能够将这两个芯片耦合在一起，构成双
芯片实验室系统，在不同条件下记录细菌的三维轨迹。实用新型内容
[0009] 本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或
缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0010] 本实用新型还有一个目的是将CMOS传感器芯片和微流控芯片耦合在一起，构成双芯片实验室系统，用于测定细菌的三维运动轨迹，研究化学感受器对细菌运动影响，解决
现有技术激光共聚焦显微镜存在着
帧速率太低的问题因此无法实现实时观测的技术问题。
[0011] 为了实现本实用新型这些目的和其它优点，本实用新型提供了一种研究化学感受器对细菌运动影响的装置，其包括：CMOS传感器、微流控芯片、
光源及
图像处理器；
[0012] 所述光源设置于微流控芯片的上方；所述光源由
波长不同的第一
LED灯和第二LED灯组成，第一LED灯的出光口竖直向下，发出的光线垂直于微流控芯片；所述第二LED灯的出光口倾斜设置使发出的光线与微流控芯片成45°
角；
[0013] 所述CMOS传感器内部设置有CMOS传感器芯片，CMOS传感器设置于微流控芯片的正下方且与图像处理器连接；
[0014] 所述微流控芯片中间设置有数条液体流动的微通道，通道宽度10～1000nm，深度10～1000nm。
[0015] 优选的是，所述研究化学感受器对细菌运动影响的装置，还包括：圆形底座，所述CMOS传感器固定于底座中间，底座边缘相对位置设置有两个
支架，两支架上分别安装第一LED灯和第二LED灯，两个LED灯在支架上的高度位置可以调节。
[0016] 优选的是，所述支架包括垂直固定于
底板的竖直杆，垂直于竖直杆且可以沿着竖直杆上下滑动的
横杆；横杆上固定连接LED灯；横杆与竖直杆之间通过连接件连接，连接件上设置有调节横杆高度的旋钮。
[0017] 优选的是，所述第一LED灯波长为625nm，第二LED灯波长为470nm。
[0018] 优选的是，所述CMOS传感器上面设置有用于放置微流控芯片的样品台，样品台的高度可升降调节。
[0019] 优选的是，所述图像处理器为配置安装有特别编制、专
门用于三维图像处理的应用
软件的计算机处理系统，所述CMOS传感器芯片通过USB
接口与计算机连接。
[0020] 优选的是，所述CMOS传感器芯片为1800万
像素，传感器尺寸为1/2.3英寸，像素大小为1.25nm x1.25nm。
[0021] 优选的是，所述微流控芯片放置于CMOS传感器芯片正上方，间距1～5cm。
[0022] 优选的是，所述光源与微流控芯片的间距为10～30cm。
[0023] 优选的是，所述微流控芯片中间设置有“Y”字型的液体流动微通道。
[0024] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
[0025] 将微流控芯片和CMOS传感器芯片耦合在一起，构成双芯片实验室系统。在不同条件下记录细菌的三维轨迹。即了解细菌是如何在三维空间进行运动以及细菌在特定化学物质存在下运动轨迹如何变化。在芯片实验室设备中使用的
微流体技术使得能够通过定制的微通道将大量的微通道集成到单个芯片上，这使得不同的生化反应可以同时反应来最小化操作误差并且增加实验的通量。第一LED灯能够获得细菌在
水平方向(X和Y方向)的位移，第二LED灯能够获得在垂直方向(Z方向)上的位移。CMOS传感器可以感受到
光信号并通过USB
连接线和电脑相连，形成影像。通过重构CMOS传感器芯片上的投影，这使得可以在微流体芯片的不同微通道中同时
跟踪大量的细菌位置，研究化学感受器对细菌运动影响。
[0026] 本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0027] 图1为
实施例中研究化学感受器对细菌运动影响的装置示意图；
[0028] 图2为图1所示的装置测定细菌三维运动轨迹的原理图。
[0029] 图中标号：
[0030] CMOS传感器1、CMOS传感器芯片11、样品台12、微流控芯片2、微通道21、光源3、第一LED灯31、第二LED灯32、图像处理器4、底座5、支架6、竖直杆61、横杆62、连接件63。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0032] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0033] 如图1和图2所示，本实用新型提供了一种研究化学感受器对细菌运动影响的装置，其包括：CMOS传感器1、微流控芯片2、光源3及图像处理器4。
[0034] 所述光源3设置于微流控芯片的上方10～30cm位置；所述光源由波长不同的第一LED灯31和第二LED灯32组成，第一LED灯的出光口竖直向下，发出的光线垂直于微流控芯片；所述第二LED灯的出光口倾斜设置使发出的光线与微流控芯片成45°角。对于第一LED灯31和第二LED灯32，需要选择两个不同波长的光源，任意两种不同波长的光源组合都可以。
优选的波长：第一LED灯波长为625nm，第二LED灯波长为470nm。
[0035] 所述微流控芯片2中间设置有数条液体流动微通道21，通道宽度10～1000nm，深度10～1000nm。优选的是，所述微流控芯片中间设置有大量“Y”字型的液体流动微通道。在
泵的驱动作用下，含有细菌的液体由微流控芯片一端的样品进口进入微通道，在微流道21内流动，然后从另一端的样品出口流出。在微流控芯片技术中，可以根据实验测试要求，通过定制的微通道将大量的微通道集成到单个芯片上。这使得不同的生化反应可以同时反应来最小化操作误差并且增加实验的通量。
[0036] 所述CMOS传感器1内部设置有CMOS传感器芯片11，CMOS传感器设置于微流控芯片的正下方且与图像处理器连接。优选的CMOS传感器芯片为1800万像素，传感器尺寸为1/2.3英寸，像素大小为1.25nm x1.25nm。所述CMOS传感器上面还设置有高度可升降调节的样品台12，用于放置微流控芯片2。所述微流控芯片与CMOS传感器芯片之间的间距1～5cm。所述样品台为圆环状，位于CMOS传感器芯片11的正上方。俯视CMOS传感器时，CMOS传感器芯片11位于圆环状样品台的圆心位置。
[0037] 在另一实施例中，所述研究化学感受器对细菌运动影响的装置，还包括：圆形底座5，所述CMOS传感器1固定于底座5中间，底座边缘关于圆心对称设置有两个支架6，两支架6上分别安装第一LED灯31和第二LED灯32。所述第一LED灯和第二LED灯在支架6上的高度位置可以调节。所述支架6的具体结构为：包括垂直固定于底板的竖直杆61，垂直于竖直杆且可以沿着竖直杆上下滑动的横杆62；横杆上固定连接LED灯；横杆与竖直杆之间通过连接件
63连接，连接件上设置有用于调节横杆高度位置的松紧旋钮(未示出)。进一步优选的是，所述连接件上设置有两个相互垂直的圆形通孔(未示出)，两通孔上分别配置有
锁紧旋钮(未示出)。所述竖直杆61和横杆62分别插入两个通孔内，并通过锁紧旋钮固定。松紧旋钮方便调节横杆和竖直杆的位置关系，进而达到调节两个LED灯位置的目的。
[0038] 所述图像处理器为配置安装有特别编制、专门用于三维图像处理的
应用软件的计算机处理系统，所述CMOS传感器芯片通过USB接口与计算机连接。将CMOS传感器芯片上的投影信号发送至计算机，由计算机处理系统进行处理，重构CMOS传感器芯片上的投影，测定细菌三维运动轨迹，进而研究化学感受器对细菌运动影响。
[0039] 本实用新型的研究化学感受器对细菌运动影响的装置的测定原理如下：
[0040] 如图2所示，第一LED灯的光线垂直向下，照射微流控芯片上的细菌，进而在CMOS传感器芯片上形成细菌投影1，获得细菌在水平方向(X和Y方向)的位移；第二LED灯的光线以与微流控芯片成45°角的方向照射微流控芯片上的细菌，在CMOS传感器芯片上形成细菌投影2，获得在垂直方向(Z方向)上的位移。CMOS传感器通过USB接口连接与计算机，将CMOS传感器芯片上的投影信号发送至计算机的图像处理器，通过重构CMOS传感器芯片上的投影，这使得我们可以在计算机上得到大量的细菌的实时位置并且得到其运动轨迹，进而研究细菌的化学感受器对细菌运动影响。通过定制的微通道将大量的微通道集成到单个芯片上，细菌液体在微通道内流动。这使得不同的生化反应可以同时进行反应，最大限度降低操作误差并且增加实验的通量。
[0041] 综上所述，本实用新型将微流控芯片和CMOS传感器芯片耦合在一起，测定细菌的三维运动轨迹，了解细菌是如何在三维空间进行运动以及细菌在特定化学物质存在下运动轨迹如何变化，进而研究化学感受器对细菌运动影响。弥补了现有技术中采用激光共聚焦显微镜存在着帧速率太低，无法实现实时观测的技术缺陷。
[0042] 尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的
修改。因此在不背离
权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
