基于传输矩阵模型的微流控流式细胞仪的高效设计与优化

逍遥设计自动化

引言
流式细胞术是生物医学研究和临床诊断中的核心技术，能够实现细胞的分析和分选。传统流式细胞仪虽然功能强大，但体积庞大且成本高昂，限制了在即时检测场景中的应用。集成光流控系统通过将微流控通道与集成光子器件相结合，提供了新的解决方案。本文介绍了一种使用高效计算建模技术来设计和优化光栅基流式细胞仪的创新方法[1]。

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% l& q3 I! A! b' ~" z系统架构与工作原理
首先了解集成流式细胞仪的基本结构。系统由两层氮化硅(Si3N4)波导夹着一个微流控通道组成。

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图1展示了微流控系统的三维示意图，显示了从照明光栅(ILG)到前向散射光栅(FSG)的光功率流动，以及微珠通过通道时引起的光散射。

+ P2 ^2 b7 W* E3 ?8 G7 ?底层波导包含照明光栅(ILG)，顶层波导具有前向散射光栅(FSG)。当638纳米波长的光进入底层波导时，ILG将光散射穿过微流控通道。

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9 Z0 R9 D+ c  @9 W6 H7 l图2展示了轴向光损耗(ALL)配置下静态系统光功率流动的二维示意图，其中来自ILG的散射光功率指向FSG，建立检测事件的基线。

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, b. @, ]- B) B检测机制
! o; k- F7 J# I$ F; h/ X8 E当细胞（在研究中用聚苯乙烯微珠代表）通过通道时，会散射光线，导致传输功率出现特征性下降。
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/ ^9 E6 l- i& P2 Z图3演示了微珠通过通道时动态系统的光功率流动，显示了功率传输瞬态下降的峰值与基线比(P2B)如何作为细胞检测的度量标准。

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& P2 e# V2 [! g% [* }2 K计算建模方法
系统采用传输矩阵模型(TMM)，将复杂的光学系统分解为可管理的组件。与传统的时域有限差分(FDTD)方法相比，该方法具有显著的计算优势。

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图4描述了静态系统的TMM模块化，通过将光栅场分解为平面波，展示了如何通过串联ILG、微流控通道和FSG矩阵来计算从A到D的静态模态耦合。

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% t* N% f" i: U# ~7 a. f/ u7 _优化结果与性能
! K4 S+ J. h3 [# G6 s& x该模型可以高效优化各种系统参数。研究采用了网格搜索和贝叶斯优化技术来寻找最优配置。
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图5显示了(a)扫描光栅参数时的P2B计算结果和(b)不同配置之间的瞬态脉冲比较，展示了优化如何提高系统性能。
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) H$ w( B% o  c0 Q7 q图6展示了均匀(ID 3)和渐变(ID 4)光栅配置之间的瞬态和P2B比较，展示了通过优化实现的2.02dB性能提升。

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模型验证
计算模型经过了与传统FDTD仿真的广泛验证。结果显示了优秀的一致性，同时计算速度提高了数个数量级。

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8 z) G$ Y9 @3 [4 I4 V图7展示了比较TMM和FDTD方法的功率传输计算，验证了模型的准确性。
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实际考虑因素
模型考虑了各种影响系统性能的实际因素：

1. 微珠位置变化：分析了微珠从通道中心的垂直偏移对系统响应的影响。

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% ?$ H( c* h8 k5 Z  `图8显示了(a)不同垂直微珠位置的瞬态响应和(b)各种偏移下P2B值的分布，展示了系统的稳健性。
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2. 尺寸识别：评估了模型区分不同尺寸微珠的能力。

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5 @' z/ r: a0 {* }9 B6 _" R5 f" r+ t图9展示了不同尺寸微珠的瞬态响应，显示了系统如何区分不同尺寸的细胞。
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结论
所提出的建模和优化方法显著提高了流式细胞仪的性能，同时大幅降低了计算需求。与传统FDTD方法相比，TMM方法的计算效率提高了四到五个数量级，对系统优化和设计迭代特别有价值。

优化设计相比传统配置在检测灵敏度上提高了2.49 dB，代表了集成流式细胞术技术的重要进展。这些改进推动了实用、经济的即时检测流式细胞仪系统的发展。
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参考文献
[1] Barzanji, T. Ullrick, K. Cools, T. Reep, N. Verellen, G. Yurtsever, and W. Bogaerts, "Efficient modeling and optimization approach for grating-based flow cytometers," Optics Express, vol. 33, no. 3, pp. 4604-4624, Feb. 2025.
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