CN104749085A - 粒子分析仪液流系统及粒子分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子分析仪液流系统及粒子分析仪，包括流动室、鞘液容器、鞘液负压驱动装置、样本通道、负压装置、流量传感器及密闭废液容器，所述流动室的鞘液入口与所述鞘液容器之间设有鞘液通道，所述鞘液负压驱动装置设于所述鞘液通道，所述样本通道的出口位于所述流动室的内部，所述负压装置与所述废液容器连接并使所述废液容器内的负压稳定在预设范围，所述流动室的出口与所述废液容器之间设有废液通道，所述流量传感器检测所述样本通道内的样本流量，所述流量传感器与所述鞘液负压驱动装置形成第一闭环控制。废液容器内的负压稳定，鞘液负压驱动装置和流量传感器形成闭环控制，能够减少或消除样本流道流阻变化对样本流量产生的影响。

Description

粒子分析仪液流系统及粒子分析仪

技术领域

本发明是关于一种粒子分析仪及其液流系统。

背景技术

流式细胞仪（Flow Cytometer）通过测量细胞及其它生物颗粒的散射光和标记荧光强度，来快速分析颗粒的物理或化学性质，能同时从一个细胞中测得多个特征参数，进行定性或定量分析，具有速度快、精度高、准确性好的特点。

流式细胞仪包括液流系统、光学系统、电子系统和数据分析系统。液流系统(Fluidics System)的作用是将待测样本在鞘液的包裹下形成稳定的鞘流，鞘流使得样本中的细胞能够依次流过流动室检测区进行检测。根据流体动力学聚焦(Hydrodynamically Focus)的原理，当样本从样本针喷出后，在鞘液的约束下被包绕成单细胞液柱，这种同轴流动的设计，使得样本流和鞘液流形成的流束始终保持着一种分层流动的状态，这种流动状态称之为鞘流。鞘流在流动室(FlowCell)中形成，流过流动室中检测区供激光照射，最后从流动室出口流出至废液收集容器中。

现有流式细胞仪的液流系统大致分为三个模块：采样模块、鞘液模块和废液模块。其中，采样模块是液流系统中最主要的部分，采样模块负责将样本液输送至流动室中，配合鞘液模块输出的鞘液在流动室中形成稳定鞘流，废液模块则负责将从流动室流出的废液排出至仪器外。根据采样模块的不同大致可将现有的流式细胞仪液流系统分为三类：注射器推样系统、正压推样系统和负压吸样系统。

三种液流系统如下：

1.注射器推样系统

如图1至图3所示，注射器推样系统包括注射器推样+负压吸鞘液方案、注射器推样+正压推鞘液方案、注射器推样+无鞘液方案三种，各种方案的废液模块相同，均为废液直接排入废液收集容器，但鞘液模块不同。

1）图1是注射器推样+负压吸鞘液方案。注射器200提供样本进入流动室100的动力。废液泵300运转时在流动室通道内产生负压，提供鞘液由鞘液桶500进入流动室100的动力。通过控制废液泵的流量控制鞘液的流量，最终鞘液和样本在废液泵的作用下排到仪器外的废液桶400。

2)图2是注射器推样+正压推鞘液方案。注射器200提供样本进入流动室100的动力，鞘液在正压的作用下由鞘液桶500进入流动室包裹样本，通过流动室出口排到废液桶400。鞘液流量由气压大小和管路结构决定。

3)图3是注射器推样+无鞘液方案。注射器200提供样本进入流动室100的动力，废液排到废液桶400。该方案无鞘液聚焦作用，流动室内径尺寸相对较小，使得细胞能逐个通过流动室。

对于上述各种注射器推样系统，由于样本进入流动室的动力由注射器提供，注射器推样方式能很精确控制样本流量，精确定量被分析的样本体积，所以注射器推样方式都能实现绝对计数（Accurate absolute cell count）功能。但是由于注射器的容积有限，所以样本的被分析量也受限，不能实现长时间的持续测量。若鞘液模块采用气压推动方式，还需要增加庞大的压力处理系统，增加液流系统复杂程度；若是无鞘液的方式，则样本会污染流动室，一方面导致仪器携带污染率的提升，另一方面增加了流动室的维护难度与成本。

2.正压推样系统

如图4所示，样本在正压推动下进入流动室100，鞘液在正压推动下由鞘液桶500进入流动室100，废液排到废液桶400。由于鞘液和样本的流量不一样，所需的压力也不一样。为实现样本流量的自动控制，压力的控制使用的是电控调压阀，用电信号调节样本压力和鞘液压力。

正压推样系统可以持续进样，测量中不会被打断。但由于液流系统动力源是气压，需要增加压力处理系统，增加了液流系统的复杂程度与成本。测量时，样本试管必须被密封，仪器需要有专用的密封部件，因此系统不能支持开放进样。样本流量的档位变化是通过调节压力大小实现，由于气体是可压缩介质，压力调节时，压力稳定所需时间较长，所以样本流量档位变化所需的时间也会比较长。

3.负压吸样系统

如图5及图6所示，负压吸样系统由流动室出口的负压提供样本进入流动室的动力，其包括废液泵+限流阀方案和废液泵+鞘液泵方案。两种方案的废液模块相同，均为废液直接排入仪器外的废液桶，但鞘液模块不同。

1)图5是废液泵+限流阀方案，废液泵600位于废液桶400和流动室100之间，限流阀800位于鞘液桶500和流动室100之间。废液泵600运转时在流动室100出口产生负压，提供鞘液和样本进入流动室的动力，废液泵流量等于鞘液和样本液之和，限流阀800调节鞘液通道的流阻，根据鞘液通道和样本通道的流阻大小分配鞘液和样本液的流量大小，负压传感器700检测流动室出口端负压大小，与废液泵组成闭环控制，控制流动室出口压力大小，从而控制样本流量大小。

2)图6是废液泵+鞘液泵方案，废液泵600位于废液桶400和流动室100之间，鞘液泵900位于鞘液桶500和流动室100之间。废液泵运转时在流动室出口处产生负压，鞘液泵输送鞘液进入流动室，废液泵和鞘液泵在样本针出口产生负压，提供样本进入流动室的动力。负压传感器700检测样本针出口处的负压大小，与鞘液泵组成闭环控制，控制样本针出口压力大小，从而控制样本流量大小。

上述负压吸样系统不需要压力处理系统，系统结构简单，成本较低。由于有压力闭环控制，能比较稳定的控制样本流量。由于液体是不可压缩介质，通过调节废液或鞘液的流量来调节负压大小，响应速度快。由于样本流量的控制是间接通过流动室出口压力或样本针出口压力控制，样本流量会受到流阻变化的影响，所以该方案的适应性较差，当管路结构及外界环境变化影响流阻时，样本流量的控制会产生偏差。

综上所述，三种液流系统的样本流量易受自身及外接因素变化的影响，因此，有必要提供一种新的液流系统。

发明内容

本发明提供一种新的粒子分析仪及其液流系统。

本发明提供一种粒子分析仪液流系统，包括流动室、鞘液容器、鞘液负压驱动装置、样本通道、负压装置、流量传感器及能够与收集废液的废液收集容器连接的密闭废液容器，所述流动室的鞘液入口与所述鞘液容器之间设有鞘液通道，所述鞘液负压驱动装置设于所述鞘液通道，所述样本通道的出口位于所述流动室的内部，所述负压装置与所述废液容器连接并使所述废液容器内的负压稳定在预设范围，所述废液容器的负压驱动所述样本通道内的样本进入流动室，所述流动室的出口与所述废液容器之间设有废液通道，所述流量传感器检测所述样本通道内的样本流量，所述流量传感器与所述鞘液负压驱动装置形成第一闭环控制。

闭环控制时，通过实时检测样本流量，实时调整鞘液负压驱动装置，使样本流量稳定在预设目标值范围。

废液容器内的负压驱动样本流入流动室，鞘液负压驱动装置的负压驱动鞘液流入流动室。

样本通道可以包括采样针和样本针，在负压驱动下，样本从样本容器被吸入采样针，经由样本针后由其出口喷入流动室。

所述负压装置包括输出流量较大的第一负压装置和输出流量较小的第二负压装置，所述废液容器连接第一通道和第二通道，所述第一负压装置设于所述第一通道，所述第二负压装置设于所述第二通道，所述废液容器内的压力由压力传感器检测，所述压力传感器与所述第二负压装置形成第二闭环控制。

连接废液容器和废液收集容器的收集通道可以和第二通道是同一通道，也可以两者相互独立，独立时，收集通道上也可以设置抽吸废液到废液收集容器的废液泵。

所述第一负压装置是真空泵。

所述第二负压装置是计量泵。

所述废液容器通过所述第二通道连接所述废液收集容器，所述第一通道连接所述废液容器的顶部，所述第二通道连接所述废液容器的底部。

所述第一通道设有第一电控阀，所述第一电控阀位于所述废液容器和第一负压装置之间；所述废液通道设有第二电控阀，所述鞘液通道设有第三电控阀，所述第三电控阀设于所述流动室和鞘液负压驱动装置之间。

电控阀可以是电磁阀。

所述鞘液负压驱动装置是计量泵。

所述第一负压装置与所述压力传感器形成第三闭环控制。

所述流动室内的压力由液体压力传感器检测。通过该液体压力传感器结合流量传感器，能够准确定位液流系统中异常情况发生的位置。

一种粒子分析仪，包括所述的液流系统。

本发明的有益效果是：废液容器内的负压稳定，鞘液负压驱动装置和流量传感器形成闭环控制，从而能够精确控制样本流量，减少或消除样本流道流阻变化对样本流量产生的影响，同时能够支持样本的持续测量。

附图说明

图1至图3分别是三种现有注射器推样系统的结构示意图；

图4是现有正压推样系统的结构示意图；

图5及图6分别是两种现有负压推样系统的结构示意图；

图7是本实施方式粒子分析仪液流系统的结构示意图；

图8是本实施方式的样本流量闭环控制回路框图；

图9是本实施方式的废液容器的负压建立流程图；

图10是本实施方式的废液容器的负压控制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图7所示，本实施方式粒子分析仪液流系统包括流动室8、鞘液负压驱动装置、鞘液容器14、样本通道20、废液容器4及负压装置21。流动室8具有鞘液入口、样本入口及出口。鞘液入口和鞘液容器14之间设有鞘液通道16，鞘液负压驱动装置设于该鞘液通道16，鞘液负压驱动装置从鞘液容器14吸取鞘液并输送至流动室8。样本通道20自样本入口伸入流动室8，即样本通道20的出口位于流动室8的内部。废液容器4和流动室出口之间设有废液通道17。废液容器4是密闭容器，负压装置与废液容器4连接并能够使废液容器内的负压保持在预设范围，在废液容器内的负压驱动下，样本由样本通道20被吸入流动室8。样本通道内的样本流量由流量传感器10检测，该流量传感器10与鞘液负压驱动装置形成第一闭环控制。

对于该液流系统，废液容器内提供稳定的负压，该负压驱动样本进入流动室，鞘液负压驱动装置驱动鞘液进入流动室，鞘液与样本在流动室中形成鞘流。样本通道上配置流量传感器，与鞘液负压驱动装置形成闭环控制，用于精确控制样本的吸入流量(即样本流量)。样本流量的改变通过增加或减少鞘液负压驱动装置的鞘液的供给流量(即鞘液流量)进行，当样本流量改变至目标流量后，鞘液负压驱动装置与流量传感器通过闭环控制，持续维持该目标流量；同时，流动室流出的废液流入废液容器中。

如图7至图10所示，在一种实施方式中，粒子分析仪液流系统包括流动室8、作为鞘液负压驱动装置的鞘液泵13、鞘液容器14、样本通道20、废液容器4及负压装置。流动室8的鞘液入口和鞘液容器14之间设有鞘液通道16，鞘液泵13设于该鞘液通道16。样本通道20包括采样针11和样本针15，样本针15伸入流动室内部，即样本针15出口位于流动室内部。废液容器4和流动室出口之间设有废液通道17。负压装置包括第一负压装置和第二负压装置，第一负压装置为输出流量较大的真空泵1，第二负压装置为输出流量较小的废液泵5。废液容器4为密闭容器，其顶部连接第一通道18，真空泵1设于该第一通道18；其底部通过第二通道19连接仪器外的废液收集容器6，废液泵5设于该第二通道19。样本通道内的样本流量由流量传感器10检测。流动室内压力由液体压力传感器9检测。废液容器内负压由压力传感器3检测。废液泵5和鞘液泵13可以是陶瓷泵(柱塞泵)。

第一通道、废液通道和鞘液通道上可以分别设有第一电控阀、第二电控阀及第三电控阀。该第一、二、三电控阀可以分别为电磁阀2、7、12。

打开电磁阀2，真空泵1给废液容器4提供负压，陶瓷废液泵5与压力传感器3形成闭环控制，维持废液容器4中的负压稳定，待废液容器4中负压稳定后，打开电磁阀7，废液容器4向流动室8中提供负压驱动，样本从采样针11流经流量传感器10被吸入至流动室8中，同时开启电磁阀12，陶瓷鞘液泵13从鞘液容器14中吸入鞘液，并输送至流动室8中包裹样本，样本与鞘液的混合液经过流动室8后，流入废液容器4中，又被废液泵5持续的排出至废液收集容器6中。流量传感器10与鞘液泵12形成闭环控制，通过调节鞘液泵12流量输出来控制样本流量稳定在预设范围。液体压力传感器9检测流动室8中的压力，用于识别液流系统的异常。

废液容器4提供恒定的负压，一部分抵消鞘流流经流动室8产生的压力损失，另一部分在样本针15出口产生负压，提供样本进入流动室8的动力：

P₃＝P₁+P₂                   （1）

P₁——废液容器4中的负压；

P₂——鞘流（鞘液和样本之和）经过流动室8产生的压力损失；

P₃——驱动样本所需的压力（流动室压力）；

由流量与压力的关系可以得到：

P₃＝k×q                  （2）

k——样本通道流阻系数；

q——样本流量；

液流系统结构确定之后，流阻k基本上是一个常数，样本流量q与压力P₃成正比关系，由于样本针15、采样针11制造误差，流体粘度，环境温度等外部因素影响，会导致样本通道流阻k发生变化，从而使样本流量q发生变化，为了消除外部因素的影响，使样本流量控制在一个预设范围内，在本实施方式中，在样本通道上引入流量传感器10，通过流量传感器10与鞘液泵13组成的闭环回路控制样本流量q稳定。

根据样本流驱动原理可得到样本流量q与鞘液泵电机转速V的关系：

$\begin{array}{c}q=\frac{p+k_{1}Q+k_2{Q}^2}{k_3}\\ =\frac{p_1+k_1(\mathrm{aV}+q)+k_2{(\mathrm{aV}+q)}^2}{k_3}\end{array}---\left(3\right)$

q——样本流量；

Q——鞘液流量；

P₁——废液容器中负压；

k₁——流动室沿程阻力系数；

k₂——流动室局部阻力系数；

k₃——样本通道沿程阻力系数；

V——鞘液泵电机的转数（步数）；

a——鞘液泵电机每步对应的流量；

从上式可以看出，在废液容器4中的负压P₁不变的情况下，通过控制鞘液泵13电机转速V可以控制样本流量q。如图8所示，测量开始后，流量传感器10检测样本流量q，若样本流量q与目标流量q₀不一致，则调节鞘液泵电机转速V，改变鞘液流量Q使样本流量q达到目标值q₀。

当样本流量稳定控制在q₀±△q范围内时，改变样本流量（变换档位）只需改变目标流量至q₁，鞘液泵13将自动调节电机转速V使流量传感器10检测的样本流量q满足q₁±△q范围。

由于液体是不可压缩介质，该实施方式使得样本流量变档响应快速，同时又兼具高精度控制的特点。

负压控制的目的是维持废液容器4中的负压P₁在预设范围。真空泵1用于产生负压，在压力控制的初始阶段，真空泵1与压力传感器3形成第三闭环控制，当废液容器4中的负压达到P1+△P时，关闭电磁阀2切断负压供给，该阶段为负压的建立阶段，如图9所示。负压建立完成后，打开电磁阀7向流动室8中输出负压，同时废液泵5与压力传感器3形成第二闭环控制，通过调节废液泵5电机的转速维持废液容器4中的负压保持在P1±△P的范围，如图7所示，流入废液容器4中的样本与鞘液的混合液同时被废液泵5排出至废液收集容器6中。

该实施方式中，采取两级负压控制，第一级采取输出流量较大的真空泵1与压力传感器3形成闭环控制，用于负压的快速建立，第二级采取输出流量较小的废液泵5与压力传感器3形成闭环控制，能够精密的控制负压，该方式的优势是：a)负压控制兼具快速与精确的特点；b)在系统非工作阶段，真空泵1或废液泵5无需一直工作，一方面可以延长泵的使用寿命，另一方面可以减小系统的噪音。在系统的非工作阶段，只有当压力传感器3检测到废液容器4中负压偏差达到一定值时，无论是增加或减少，再启动废液泵5将压力调节至目标值范围，使得系统开始工作前，无需消耗时间来重新调节废液容器4中负压。由于在非工作阶段，能将压力维持在工作阶段的压力，又无需泵一直工作，所以在工作阶段不需要花费大量时间来建立压力，而且减小了泵的损耗，相当于延长了泵的使用寿命。

根据式（1），P₃是用于驱动样本的负压，理论上保持P₃不变则样本流量q不变，若改变P₁至P_1x，为保持P₃不变，P₂相应变化至P_2x，根据式（4），P₂的变化导致进入流动室8中的鞘液流量Q产生变化，鞘液流量Q的变化则相应导致鞘流线速度（平均速度V₀）的变化，根据层流原理，样本流处于鞘流的中心，即鞘流线速度的最大值V_max（由于鞘流中心的线速度最大，而样本流位于该鞘流中心，所以鞘流线速度的最大值V_max可以视为是样本流线速度）也会相应的随平均速度V₀的变化而改变。

P₂＝k₁Q+k₂Q²                    （4）

该实施方式的优势是：a)在现有的液流系统中，鞘液靠正压力推动，压力大小由调压阀控制并在仪器出厂前预设成固定值，所以现有的液流系统中不具备调节样本流线速度的能力，而该实施方式可以通过调节鞘流流量来调节鞘流线速度，进而调节样本流线速度；b)在某些特殊环境下，样本流线速度增大导致鞘流形成不稳定而会影响到仪器性能指标，通过降低样本流线速度使得鞘流稳定，增大流式仪器对环境的容忍度。当环境变化而引起样本流线速度变化时，通过调节样本流线速度可以抵消环境变化，从而在流动室两侧的激光器进行细胞脉冲识别时，有利于脉冲识别的延迟时间保持稳定；并且，有利于样本流流动状态稳定，使仪器在较高温度下也能获得较好的性能。

液体压力传感器9检测流动室8中的压力P，正常工作阶段，P满足[P₃-△P，P₃+△P]，其中，△P表示压力偏差范围。当液体压力传感器9检测的流动室8中压力P＞P₃+△P或P＜P₃-△P时，可被认为系统产生故障，同时结合此时流量传感器10读取的样本流量q，还能够精确定位故障原因。

以正常工作阶段，流动室压力P₃，控制的目标流量q₀举例说明异常识别方法：

如q满足q₀±△q，P＜P₃-△P，P是液体压力传感器9检测到的压力值，此时现象可以理解为需要更大的负压P₃才能驱动样本吸入，那么可认为采样通道流阻k增大，导致采样通道流阻k增大的主要原因是采样针11存在微堵。虽然存在微堵，但此时通过闭环控制系统，能够将样本流量q控制在目标流量范围。

如q＜q₀-△q，P＜P₃-△P，同上，此时需要更大的负压P₃驱动样本吸入，且样本流量q低于目标流量范围，说明通过闭环控制系统无法将流量q控制在目标流量范围，此时认为采样针11完全堵住。

如q＜q₀-△q，P＞P₃+△P，此现象理解为不存在足够大的负压P₃驱动样本吸入，由于P₃是负值，此时P可能为正值，说明流动室8和废液容器4的连通被切断，使得废液容器4中的负压P₁不能有效的传递至流动室8中，导致该问题的最主要原因是流动室8中存在堵孔情况。

对于粒子分析仪液流系统，其包括密闭的废液容器及能够使废液容器内的负压保持在预设范围的负压装置，通过该废液容器内的负压驱动样本进入流动室。负压装置可以包括输出流量较大的第一负压装置及输出流量较小的第二负压装置，第一负压装置能够在废液容器内快速建立一个较稳定的负压，第二负压装置能够实现对负压的精确调节，使负压稳定在预设范围。第一负压装置如真空泵。第二负压装置如能够实现精密调节的计量泵，该计量泵如前述陶瓷泵，也可以是齿轮泵或蠕动泵。第二负压装置也可以由输出流量较大的负压装置配合电控比例阀实现。由于负压装置的主要目的是使废液容器内负压稳定在预设范围，所以，也可以采用其他能够实现同种功能的结构。当第二负压装置为废液泵时，由于废液容器内负压通过废液泵维持，在负压恒定的控制下，废液能够被废液泵持续的排出至仪器外的废液收集容器中。

对于粒子分析仪液流系统，鞘液负压驱动装置能够利用负压驱动鞘液，其可以采用计量泵，该计量泵如前述陶瓷泵，也可以是齿轮泵或蠕动泵。

对于粒子分析仪液流系统，由于鞘液负压驱动装置和流量传感器形成闭环控制，只需要改变要控制的样本流量目标值，系统即能够快速响应样本流量档位的变化。

对于粒子分析仪液流系统，由于废液泵和压力传感器形成闭环控制，改变废液容器中控制的负压P₁的大小，保持样本流量q不变，能够调节样本流线速度的大小，在某些特殊环境下通过降低样本流线速度使得鞘流稳定，增大流式仪器对环境的容忍度。液体压力传感器检测流动室中的压力P，能够识别液流系统的异常情况，同时结合流量传感器检测的样本流量q，通过逻辑组合分析能够更准确定位液流系统中异常情况发生的位置。

粒子分析仪如流式细胞仪、血液细胞分析仪等。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种粒子分析仪液流系统，包括流动室、鞘液容器、鞘液负压驱动装置及样本通道，所述流动室的鞘液入口与所述鞘液容器之间设有鞘液通道，所述鞘液负压驱动装置设于所述鞘液通道，所述样本通道的出口位于所述流动室的内部，其特征在于，还包括负压装置、流量传感器及能够与收集废液的废液收集容器连接的废液容器，所述负压装置与所述废液容器连接并使所述废液容器内的负压稳定在预设范围，所述废液容器的负压驱动所述样本通道内的样本进入流动室，所述流动室的出口与所述废液容器之间设有废液通道，所述流量传感器检测所述样本通道内的样本流量，所述流量传感器与所述鞘液负压驱动装置形成第一闭环控制。

2.如权利要求1所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述负压装置包括输出流量较大的第一负压装置和输出流量较小的第二负压装置，所述废液容器连接第一通道和第二通道，所述第一负压装置设于所述第一通道，所述第二负压装置设于所述第二通道，所述废液容器内的压力由压力传感器检测，所述压力传感器与所述第二负压装置形成第二闭环控制。

3.如权利要求2所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述第一负压装置是真空泵。

4.如权利要求3所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述第二负压装置是计量泵。

5.如权利要求4所述的粒子分析仪液流系统，其特征在与，所述废液容器通过所述第二通道连接所述废液收集容器，所述第一通道连接所述废液容器的顶部，所述第二通道连接所述废液容器的底部。

6.如权利要求2所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述第一通道设有第一电控阀，所述第一电控阀位于所述废液容器和第一负压装置之间；所述废液通道设有第二电控阀，所述鞘液通道设有第三电控阀，所述第三电控阀设于所述流动室和鞘液负压驱动装置之间。

7.如权利要求2所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述鞘液负压驱动装置是计量泵。

8.如权利要求2所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述第一负压装置与所述压力传感器形成第三闭环控制。

9.如权利要求2所述的粒子分析仪液流系统，其特征在于，所述流动室内的压力由液体压力传感器检测。

10.一种粒子分析仪，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的液流系统。