CN106932341A - 一种提高流式细胞仪层流稳定性的双鞘液流动室 - Google Patents

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董明利
王志超
张文昌
娄小平
刘超
孟晓辰
祝连庆
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Abstract

一种双鞘液流动室，其能够提高流式细胞仪层流稳定性，分别包括鞘液输入管道、聚焦通道、样品输入管道、样品针、矩形通道、层流输出管道，其特征在于：所述鞘液输入管道置于最外层，其内部依次设置有所述聚焦通道和所述样品输入管道，所述聚焦通道包裹所述样本输入管道，并呈共轴圆柱环式设置，所述样品输入管道与所述样品针连接，将内部液体输出至所述矩形通道内部的层流输出管道。

Description

一种提高流式细胞仪层流稳定性的双鞘液流动室
技术领域
本发明涉及流式细胞仪技术领域，具体涉及一种提高流式细胞仪层流稳定性的流动室。
背景技术
流式细胞仪是基于流式细胞术原理对样品液中的单细胞或颗粒进行高速、逐一的多参数定量分析或分选的仪器。控制流动室中鞘液和样品液的入口方向与速度比是影响单微粒层流稳定形成的重要因素。基于流体动力学聚焦原理，调节鞘液的速度矢量，使样本液在通道里被包裹形成高速稳定的层流。在高速微通道中，可以认为两种液体不存在混合为层流，即各液层之间不相混，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。由于光学检测系统的光强在照射区域为高斯分布趋势，待测细胞在进入层流，层流未稳定的检测区域内会造成进入相对位置不同从而引起激光激发程度的差异，造成输出检测信号波动，降低检测精度。作为流式细胞仪液流系统的核心技术之一，层流的形成及宽度大小对样本液、鞘液的入口速率及方向需达到一定的精度才能满足流式细胞仪液流系统的工作要求。
目前，流动室多采用机械加工成熟的单鞘液式流动室，但因单鞘液进样的不对称性，无法在保证层流形成位置相对居中的情况下调节鞘液入口速度，流体聚焦位置精度为±2μm，难以检测更小精度的细胞或颗粒。而采用的双鞘液式，通过控制两种液体的入口速度矢量，流体聚焦位置精度可达±0.5μm，由于双鞘液的对称性，使得样品液流相对中心位置的偏差小，降低因激光激发差异引起的波动信号百分比，提高检测精度。
发明内容
本发明提出了一种提高流式细胞仪层流稳定性的双鞘液流动室，包括鞘液输入管道、聚焦通道、样品输入管道、样品针、矩形通道、层流输出管道，其特征在于：所述鞘液输入管道置于最外层，其内部依次设置有所述聚焦通道和所述样品输入管道，所述聚焦通道包裹所述样本输入管道，并呈共轴圆柱环式设置，所述样品输入管道与所述样品针连接，将内部液体输出至所述矩形通道内部的层流输出管道。
优选地，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和检测段三部分，其中鞘液被注入整流段形成稳定层流，鞘液聚焦和挤压样本液形成单细胞层流，使层流中单细胞依次通过所述检测段。
优选地，所述聚焦段的聚焦流中的样品流质量为所述样品针的样品流质量，即：
式中：为样本流平均入口流速，VC为聚焦后矩形通道中心样本流平均流速。
优选地，对于检测段的混合液，流动室聚焦产生混合流体的平均流速为：
式中：ρ1、ρ2分别为鞘液与样本液密度，ρ为聚焦后混合流体密度，D3为出口宽度。
优选地，所述矩形通道出口处的混合液为完全流体，且混合液流速呈抛物线分布，即：
优选地，所述流体聚焦后的宽度表示为：
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了根据本发明的流动室的液流聚焦实物模型图；
图2示出了根据本发明的流动室的传统液流聚焦原理图；
图3示出了根据本发明的流动室的聚焦流宽度随速度比变化趋势；
图4示出了根据本发明的流动室的流动室微通道模型；
图5示出了根据本发明的流动室的不同鞘液进样夹角下的液流聚焦效果图；
图6示出了根据本发明的流动室的不同鞘液进样夹角下的液流聚焦宽度与层流宽度；
图7示出了根据本发明的流动室的60°收缩角微通道模型内混合流的密度、静压、质量浓度分布效果图；
图8示出了根据本发明的流动室的60°收缩角微通道模型内混合流的静压、质量浓度。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明利用有限元软件，在忽略因机械加工不成熟和双鞘液式观察调节局限性等因素的影响，获得在双鞘液0°进样、60°收缩角式微通道结构，可使聚焦过程距离缩短，层流宽度减小，聚焦后混合流内部物质流的稳定性更利于层流检测。
图1为本发明的流动室的液流聚焦实物模型图；如图1所示，本发明的双鞘液流动室，其能够提高流式细胞仪层流稳定性，分别包括鞘液输入管道、聚焦通道、样品输入管道、样品针、矩形通道、层流输出管道，其特征在于：所述鞘液输入管道置于最外层，其内部依次设置有所述聚焦通道和所述样品输入管道，所述聚焦通道包裹所述样本输入管道，并呈共轴圆柱环式设置，所述样品输入管道与所述样品针连接，将内部液体输出至所述矩形通道内部的层流输出管道。
如图2所示，为本发明的流动室的传统液流聚焦原理图，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和检测段三部分，其中鞘液被注入整流段形成稳定层流，鞘液聚焦和挤压样本液形成单细胞层流，使层流中单细胞依次通过所述检测段。
聚焦过程中，忽略液体之间的物质扩散、混合损失，由质量守恒可知，通过样品针的样品流质量等于聚焦流中的样品流质量，即：
式中：为样本流平均入口流速，VC为聚焦后矩形通道中心样本流平均流速。
对于检测段的混合液，流动室聚焦产生混合流体的平均流速为：
式中：ρ1、ρ2分别为鞘液与样本液密度，ρ为聚焦后混合流体密度，D3为出口宽度。
由于检测段的样品液宽度远远小于通道宽度，理想情况下，认为矩形通道出口处的混合液为完全流体，且由抛面性质可知通道混合液流速呈抛物线分布，即：
故流体聚焦后的宽度表示为：
由公式(4)可知，忽略通道高度变化的影响，鞘液、样本液流速比一定，聚焦后的样品液流直径d一定。
如图3所示，为根据本发明的流动室的聚焦流宽度随速度比变化趋势；可见，聚焦宽度与速度比成反比。
根据以上分析，列举了本发明的一个实现方案：
利用有限元软件ANSYS Fluent的有限体积法设置双鞘液式微通道结构模型，如图4所示，样品液入口通道宽度为240μm；鞘液入口通道宽度为1000μm；下端混合液体排出口宽度为400μm，厚度为180μm。
表1 ANSYS Fluent参数设置
在样品液和鞘液速度比为1:2，即样品液入口速度V2为5m/s，鞘液入口速度V1为10m/s。对五种鞘液进样夹角进行仿真模拟，并对所得数据进行对比分析，得到最优鞘液进样方式。
图5示出了根据本发明的流动室的不同鞘液进样夹角下的液流聚焦效果图；结论如下：在最终聚焦效果中，夹角为90°，鞘液流对样品流的压力最小，粘滞力小，聚焦处样品流扩散面积大，使的检测区样品流宽度过大，聚焦效果不明显。
夹角为60°，聚焦效果初显，聚焦处层流扩散面积减小，且有明显边界，但检测段样品流较宽。
夹角为45°、30°，聚焦效果明显，样品流宽度减小，但边界处不明显。
夹角为0°，聚焦效果明显，检测段样品流宽度最佳，且与鞘液流边界明显。
图6示出了根据本发明的流动室的不同鞘液进样夹角下的液流聚焦宽度与层流宽度，可知：当鞘液进样夹角由90°变成0°时，聚焦效果逐渐明显，聚焦宽度递减为240μm，实现快速短距离聚焦。检测区样品流最大宽度递减为120μm，样品流宽度可以满足单细胞流的要求。综合上述的分析和对实际情况的考虑，采用0°夹角的鞘液进样方式的流动室微通道结构最优。
采用0°鞘液进样方式的微通道结构模型，液流的入口速度比1:4，计算的数值最小变化单位为2μm。改变收缩角θ值，当收缩角θ逐渐增大时，聚焦段处的鞘液流作用于样品流的切向力增大，粘滞力也随之增大，导致样本流的聚焦过渡段距离缩短，速度增加，在短时间内形成稳定的聚焦层流，且不会改变检测区内的层流宽度。而当收缩角θ大于60°时，聚焦效果改变不明显或不变，因此收缩角θ选择60°为最优。
表2不同收缩角θ对聚焦直径的影响
在0°鞘液进样方式的微通道模型中，采用60°收缩角，液流入口速度比仍设为1:4。对微通道内部混合流的密度分布、静压力分布及质量浓度分布进行仿真，图7示出了根据本发明的流动室的60°收缩角微通道模型内混合流的密度、静压、质量浓度分布效果图。混合流的密度由整流段至检测段分布均匀，样品流与鞘液流两种物质的分界明显，在聚焦处没有大范围的扩散现象，混合流中各组分化学成分保持相对独立；混合流的静压力在整流段和聚焦段保持相对平衡，在检测段由于空间尺寸的减小，静压力增大，混合流的流速增加，检测效率随之增加。混合流各组分的质量浓度在规定范围内保持恒定，且聚焦处无明显的渗透现象，检测段样品流宽度不变，保证单细胞流的形成。图8示出了根据本发明的流动室的60°收缩角微通道模型内混合流的静压、质量浓度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种提高流式细胞仪层流稳定性的双鞘液流动室，包括鞘液输入管道、聚焦通道、样品输入管道、样品针、矩形通道、层流输出管道，其特征在于：所述鞘液输入管道置于最外层，其内部依次设置有所述聚焦通道和所述样品输入管道，所述聚焦通道包裹所述样本输入管道，并呈共轴圆柱环式设置，所述样品输入管道与所述样品针连接，将内部液体输出至所述矩形通道内部的层流输出管道。
2.根据权利要求1所述的双鞘液流动室，其特征在于：所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和检测段三部分，其中鞘液被注入整流段形成稳定层流，鞘液聚焦和挤压样本液形成单细胞层流，使层流中单细胞依次通过所述检测段。
3.根据权利要求2所述的双鞘液流动室，其特征在于：所述聚焦段的聚焦流中的样品流质量为所述样品针的样品流质量，即：
式中：为样本流平均入口流速，VC为聚焦后矩形通道中心样本流平均流速。
4.根据权利要求2所述的双鞘液流动室，其特征在于：对于检测段的混合液，流动室聚焦产生混合流体的平均流速为：
式中：ρ1、ρ2分别为鞘液与样本液密度，ρ为聚焦后混合流体密度，D3为出口宽度。
5.根据权利要求2所述的双鞘液流动室，其特征在于：所述矩形通道出口处的混合液为完全流体，且混合液流速呈抛物线分布，即：
。
6.根据权利要求5所述的双鞘液流动室，其特征在于：所述流体聚焦后的宽度表示为：
。
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