小型化设计在细胞计数仪中的应用

小型化设计在细胞计数仪中的应用

罗兆祥

广州皇河仪器科技有限公司   

摘要：

细胞计数仪作为生物医学研究中的重要工具，在基础科学研究、单细胞测序或者疫苗/抗体等生物药的生产中都担当了相当重要的角色。细胞实验室对环境洁净度要求较高，因此普遍空间狭窄，因此细胞计数仪的小型化设计是该类仪器未来发展趋势。本论文将深入探讨细胞计数仪小型化设计的原理、技术手段以及实践应用。通过对小型化设计的优势和挑战的分析，提出了一系列可行的解决方案，并对未来细胞计数仪小型化设计的发展方向进行了展望。

关键词，细胞计数仪；小型化；实践应用

引言：

随着科技的迅速发展，生物医学研究对细胞计数仪提出了更高的要求，其中小型化设计成为了发展趋势之一。小型化设计不仅可以提高仪器的便携性和灵活性，还能在一定程度上降低成本，为更广泛的应用创造条件。本论文旨在系统地研究细胞计数仪小型化设计的原理、技术手段以及实践应用。同时，通过比较小型化设计和传统设计的优劣势，提出改进的方案以推动细胞计数仪的小型化发展。

1细胞计数仪的小型化设计原理

1.1 小型化设计的理念

小型化设计是指通过采用先进的技术手段、优化的工艺流程以及创新的设计理念，将原本相对较大或繁重的设备、系统或产品，通过减小其体积、重量、功耗等方面的参数，实现更紧凑、轻便、高效的设计。小型化设计的结果主要包括：体积和重量的减小；功耗的优化；集成化和模块化；技术创新和先进材料的应用；维持或提升性能

2.2 小型化设计的原理

针对细胞计数仪的小型化设计方案，基于细胞计数仪的结构以及计数特点，团队从细胞计数仪的光路设计、电动对焦模块、一体化屏幕模块入手，尝试通过压缩光路结构，优化电动对焦设计，采用嵌入式屏幕模块等技术方案，在保证功能的前提下，最大限度优化设备内部空间布局，实现细胞计数仪小型化方案。

2小型化设计的挑战与解决方案

2.1小型化设计中的技术难题

实现细胞计数仪的小型化设计面临一些技术难题，其中一些主要的挑战包括：

（1）细胞计数室尺寸控制：在小型化设计中，计数室的尺寸需要更小而且更精密，以确保细胞流动的均匀性和流速的准确性。

（2）小型化的光学元件：小型化的设计需要使用更小、更轻的光学元件，但同时要保持足够的灵敏度和分辨率。这对镜头，镜片，光路等光学元器件的设计提出了更高的要求。

（3）荧光检测技术的优化：对于使用荧光标记的细胞计数仪，需要克服小型化对荧光信号检测的挑战，确保准确的荧光信号采集。

（4）小型化的电子元件：采用微型化的电子元件，如微型电路、微型处理器，确保仪器的整体尺寸得以减小。

（5）维持准确性： 在小型化的同时，需要确保细胞计数仪的准确性和可靠性，避免小尺寸带来的性能损失。

2.2 小型化设计解决方案及其优缺点

针对细胞计数仪的小型化设计，团队从以下三个方面，板块进行重新设计，并开展了设计研发工作，最终完成便携式细胞计数仪CytoCube产品，目前得到市场广泛的认可[2]。

（1）调整光路设计

传统正置显微镜的光路结构，由于镜筒垂直与在舞台，纵向占据巨大空间，由于在舞台必须平行于实验台，如果采用正置光路设计，压缩设备横向空间，势必造成设备中心过高，有倾倒危险。据此，团队借鉴了空间更小但对光路精度要求更高的倒置显微镜[1]，创新地采用了倒置光路结构，通过将光路90°折叠，将目镜、物镜光路平行于台面放置，大幅压缩了光路空间，同时将光路系统的重心降低（如图一）。该设计的优点在于，通过改变光路设计，更好地利用设备内部空间，从而使光路体积大幅缩小，设备内部设计更加紧凑；缺点在于，倒置的光路对光学元器件的稳定性，装配过程中的控制提出了更高的要求。

图一

（2）对焦模块设计

传统显微光路，需要设计对焦模块，保证成像清晰，细胞计数仪通常设计有对焦模块，无论是电动对焦抑或是手动对焦，对焦结构无疑占据了一定的空间，也增加了内部的不稳定性。鉴于细胞计数只对固定样品进行计数，且计数的细胞直径相对固定，可以通过优化光学设计，使得绝大多数细胞类型的计数不需要重新调较。团队尝试通过采用大数值口径透镜，缩小计数室的体积，使得焦平面覆盖整个计数室，从而省去自动或手动对焦结构，此方案在大多数常见细胞系中得到验证。该设计的优点在于，省去了传统显微镜结构的对焦设计，采用定焦设计，节省了设备内部空间，提高机械结构的稳定性，降低故障率；缺点在于，对部分小直径细胞，如免疫细胞这类直径在5微米左右的细胞[3]，测量适应性降低。

（3）一体化嵌入式屏幕设计

目前市面上的细胞计数仪，主要采用分体式主机，也就是需要将设备与其他电脑连接才能使用，少部分的产品采用内嵌一体工控机方案，以上两种方案，均占用空间，不符合小型化的理念。为了实现小型化设计，团队定制低功耗架构处理器，开发全自研人工智能算法，配合7英寸超薄嵌入式屏幕（如图二），实现一体化设计。该设计的有点在于，尽最大可能优化硬件软件配置，实现更紧凑，更小巧的产品设计。

图二

3小型化细胞计数仪的应用

小型化是细胞计数仪的发展趋势，诚然，紧凑型细胞计数仪在性能上有所逊色与传统细胞计数仪，但是小巧，便携式甚至手持式的设计，在生物学、医学和其他领域中将会有更广阔的应用。在医学研究和临床诊断、细胞生物学研究、食品饮料行业、环境监测、药物研发和药物筛选工作中，小型化的细胞计数仪能快速、精确地计数和分析细胞数量，提供了许多实验和研究的便利性。[4]

4结论

本论文阐述了小型化细胞计数仪的设计原理，提出了细胞计数仪小型化的发展趋势及其可行性，并对细胞计数仪小型化技术的几个技术难点进行了深入的分析，最终针对各个技术难点提出了解决方案，并完成了一款紧凑型细胞计数仪。小型化技术解决了传统细胞房空间不足的问题，相信小型化乃至手持细胞计数仪将会成为未来细胞计数仪的发展趋势，将会有多个型号的便携式细胞计数仪上市。

参考文献

[1]倒置显微镜[J].科学世界,2012,(09):14.

[2] 梁富念,余健辉,陈燕科,等.一种紧凑型便携式的自动细胞计数装置:CN202010898751.5[P].CN112029649A[2023-12-04].

[3]林颖韬, 陈伶莉, 胡雪峰. 免疫细胞的种类, 功能及相关疾病概述[J]. 生物学教学, 2020, 45(4): 77-80.

[4]许惠玉, 潘元明. 全自动细胞计数仪检测细胞计数和存活率性能应用评估[J]. 齐齐哈尔医学院学报, 2010 (5): 754-754.