CN110373310B - 一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，包括气流动力控制系统、压力密闭控制系统和载物系统；气流动力控制系统包括隔膜气泵和电磁气阀控制组件；压力密闭控制系统包括升降驱动装置和升降密封板，升降密封板上设有气体传输管道，气体传输管道包括进气管道和排气管道，进气管道上设有气体进入口，排气管道上设有气体排出口；每个进气管道和每个排气管道中央各开设有气孔；载物系统包括微流控芯片，微流控芯片包括芯片底座、样品入口、样品收集口和流体通道；进气管道上的气孔与样品入口对应，排气管道上的气孔与样品收集口对应。本发明能够实现气压的精确调节，调节范围宽，且结构简单、成本较低。

Description

一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置

技术领域

本发明属于单细胞分选技术领域，具体涉及一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置。

背景技术

单细胞测序技术是指在单个细胞水平上进行基因组和转录组测序，解决由于细胞异质性导致低丰度信息在整体表征中丢失的难题。与传统全基因组测序相比，单细胞测序不仅测量基因表达更加准确，而且还能检测到微量的基因表达或罕见非编码RNA。2013年，《Science》将单细胞测序列为年度最值得关注的六大领域榜首。在单细胞测序技术中决定实验能否成功的关键的问题则是单个细胞的捕获。

微流控技术是通过人为控制流体流动，从而在微尺度上实现对目的细胞的分离和捕获。采用微流控装置进行细胞分离捕获的优点在于细胞污染率低，对样本和试剂损耗少，并且在降低单细胞测序噪声以及提高基因组扩增一致性。这就使得对流体流动力学的精细调控成为关键。目前市场上已有的调控微流体流速和液滴形成的设备参差不齐，且价格昂贵，难以在单细胞生物学领域推广。

经对现有技术的检索，中国发明专利201510701317.2，其公开了一种多通道微流控气压源，但是该发明的调节精度和对气流调控的范围有待进一步提高，而且该发明没有实际的应用，尤其是在单细胞分选领域。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，基于气压对流体的力学作用进行单细胞分选，能够实现气压的精确调节，调节范围宽，且该基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置结构简单、成本较低。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，包括气流动力控制系统、压力密闭控制系统和载物系统；

所述气流动力控制系统包括隔膜气泵和电磁气阀控制组件，所述电磁气阀控制组件连接着所述隔膜气泵；

所述压力密闭控制系统包括升降驱动装置和升降密封板，所述升降密封板上设有气体传输管道，所述气体传输管道包括独立的进气管道和排气管道，所述进气管道上设有气体进入口，所述气体进入口连接着所述电磁气阀控制组件，所述排气管道上设有气体排出口；每个所述进气管道和每个所述排气管道中央各开设有气孔；所述升降驱动装置连接着所述升降密封板；

所述载物系统包括微流控芯片，所述微流控芯片包括芯片底座、样品入口和样品收集口，所述芯片底座内设有流体通道，所述流体通道连通所述样品入口和所述样品收集口；所述进气管道上的气孔与所述样品入口相对应，所述排气管道上的气孔与所述样品收集口相对应；所述升降驱动装置带动所述升降密封板的升降，实现所述进气管道上的气孔和所述样品入口的连通或断开以及所述排气管道上的气孔和所述样品收集口的连通或断开。

本发明进一步设置为，所述隔膜气泵为双缸隔膜气泵，所述双缸隔膜气泵上设有第一进气口、第一出气口和第二出气口；所述第一出气口通过气管连接着第一排气电磁气阀，所述电磁气阀控制组件包括进气电磁气阀和第二排气电磁气阀，所述第二出气口通过气管连接着所述进气电磁气阀，所述进气电磁气阀连接着所述气体进入口；所述气体进入口连接着所述第二排气电磁气阀。

本发明进一步设置为，所述样品入口有多个，分别用于放置不同的样品，用以放置不同样品的所有单个所述样品入口为一组，每一组的所述样品入口、所述进气电磁气阀和所述第二排气电磁气阀的数量一致，所述组和每个所述进气管道和所述排气管道上的气孔的数量一致。

本发明进一步设置为，所述升降驱动装置包括垂直支架、水平支架、升降杆和旋转电机，所述水平支架固定在所述垂直支架的中部，所述旋转电机的输出轴水平的固定在所述水平支架上方的所述垂直支架上，所述旋转电机的输出轴连接着水平的连接杆，所述连接杆的端部连接着凸轮；所述升降杆竖直地穿过所述水平支架，所述升降杆的顶部连接着T字钉，所述T字钉抵在所述凸轮的底部，所述升降杆的底部连接着所述升降密封板，所述水平支架上方的所述升降杆上套有弹簧。

本发明进一步设置为，所述水平支架的底部固定有多个穿过所述升降密封板的竖直的固定柱，所述升降密封板可沿所述固定柱上下移动。

本发明进一步设置为，所述升降密封板位于所述进气管道和所述排气管道下方，所述升降密封板上开有贯通孔分别与所述进气管道和所述排气管道上的气孔位置对应。

本发明进一步设置为，所述载物系统包括放置微流控芯片的载物台，所述载物台采用弹舱结构。

本发明进一步设置为，所述第一进气口设有消音器。

本发明进一步设置为，所述进气管道和所述排气管道上设有气压传感器。

本发明进一步设置为，在所述微流控芯片上放置有垫圈，所述垫圈上开设有与所述样品入口和所述样品收集口对应的气孔。

本发明进一步设置为，所述样品入口有三个，为油相入口、细胞悬液入口和磁珠入口，所述磁珠入口通过一条流体通道连通所述样品收集口，所述油相入口和所述细胞悬液入口分别通过两条流体通道所述样品收集口，五条流体通道在连通所述样品收集口之前形成“双十字”型，在剪切力作用下，形成一个个包裹细胞和磁珠的乳滴结构，实现对目的细胞的分离和捕获。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)利用本发明的气流动力控制系统实现对气流流量进行调节，克服了气流的脉动性，结合压力密闭控制系统和微流控芯片集成使用，进而控制样品流体流速和液滴形成，且工作过程流畅，效率高。

(2)本发明的气流动力控制系统双缸隔膜气泵和电磁气阀控制组件，多个电磁气阀配合使用，能实现较宽的气流调控范围的同时，调节精密度很高。

(3)本发明应用于调控微流控芯片中单细胞的捕获，具有较高的实用性。

附图说明

图1为本发明一实施例的立体结构示意图(从隔膜气泵的角度俯视)；

图2为本发明一实施例的立体结构示意图(从气压传感器的角度俯视)；

图3为本发明一实施例的升降密封板抬起时的结构示意图；

图4为本发明一实施例的升降密封板下压时的结构示意图；

图5为本发明一实施例的进气管道和排气管道的俯视图；

图6为本发明一实施例的升降密封板抬起时的结构示意图(从载物台的角度俯视)；

图7为本发明一实施例的芯片底座的结构示意图；

图8为本发明一实施例的垫圈的结构示意图；

图9为本发明一实施例的流体通道的结构示意图。

其中，1、双缸隔膜气泵；2、升降密封板；3、进气管道；4、排气管道；5、气体进入口；6、气体排出口；7、气孔；8、气压传感器；9、芯片底座；10-1、油相入口；10-2、细胞悬液入口；10-3、磁珠入口；11、样品收集口；12、流体通道；13、第一进气口；14、第一出气口；15、第二出气口；16、第一排气电磁气阀；17、进气电磁气阀；18、第二排气电磁气阀；19、消音器；20、垂直支架；21、水平支架；22、升降杆；23、旋转电机；24、连接杆；25、凸轮；26、T字钉；27、弹簧；28、固定柱；29、垫圈；30、气孔；31、载物台；32、“双十字”型；33、贯通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明的一个实施例，一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，包括气流动力控制系统、压力密闭控制系统和载物系统，可参见图1。

其中，气流动力控制系统包括隔膜气泵和电磁气阀控制组件，电磁气阀控制组件连接着隔膜气泵。

压力密闭控制系统包括升降驱动装置和升降密封板2，升降密封板2上设有气体传输管道，气体传输管道包括独立的进气管道3和排气管道4，进气管道3上设有气体进入口5，气体进入口5连接着电磁气阀控制组件，排气管道4上设有气体排出口6用于排出气体平衡气压；每个进气管道3和每个排气管道4中央各开设有气孔7，可参见图5。升降驱动装置连接着升降密封板2。更优化的，在进气管道3和排气管道4上设有气压传感器8，用于测量内部的气压值，可参见图2。

参见图6，进气管道3和排气管道4固定在升降密封板2上方，升降密封板2上开有贯通孔33分别与进气管道3和排气管道4上的气孔7位置对应。

载物系统包括微流控芯片，微流控芯片包括芯片底座9、样品入口和样品收集口，芯片底座9内设有流体通道，流体通道12连通样品入口和样品收集口11；进气管道3上的气孔7与样品入口相对应，排气管道4上的气孔7与样品收集口11相对应；升降驱动装置带动升降密封板2的升降，实现进气管道3上的气孔7和样品入口的连通或断开以及排气管道4上的气孔7和样品收集口11的连通或断开。

上述实施例的工作过程为：(1)在样品入口内装入样品，样品入口的数量根据需要加入的样品种类而定；(2)通过双缸隔膜气泵1提供气体，并通过电磁气阀控制组件为气体进入口5提供气体并调控气体流量。升降驱动装置带动升降密封板2升降实现进气管道3上的气孔7和样品入口的连通或断开以及排气管道4上的气孔7和样品收集口11的连通或断开，通过进气管道3的气孔7向样品入口进气，用于给样品入口中的液体提供动力，促进液体流动；排气管道4上的气孔7用于促进最终样品的收集。

作为本发明的一个优选实施例，隔膜气泵可使用各种形式的结构，以双缸隔膜气泵1为例，双缸隔膜气泵1上设有第一进气口13、第一出气口14和第二出气口15；第一出气口14通过气管连接着第一排气电磁气阀16，电磁气阀控制组件包括进气电磁气阀17和第二排气电磁气阀18，第二出气口15通过气管连接着进气电磁气阀17，进气电磁气阀17连接着气体进入口5；气体进入口5连接着第二排气电磁气阀18。更优化的，在第一进气口13上设有消音器19，用于过滤气体，防止空气中的灰尘堵塞管道。

进入双缸隔膜气泵1的气体分别从第一出气口14和第二出气口15排出，其中一部分气体从第二出气口15出来并依次经过进气电磁气阀17、第二排气电磁气阀18、气体进入口5，最终进入进气管道3，通过调节第二排气电磁气阀18和进气电磁气阀17，可以调节进入进气管道3的总气体流量并保持进气通道内的气压平衡。进入双缸隔膜气泵1的剩余气体通过第一排气电磁气阀16从第一出气口14泄压，保持双缸隔膜气泵1内的气压平衡。

本发明的芯片底座9的样品入口可以有多个，分别用于放置不同的样品，用以放置不同样品的所有单个样品入口为一组，每一组的样品入口、进气电磁气阀17和第二排气电磁气阀18的数量一致，组和每个进气管道3和排气管道4上的气孔7的数量一致。

例如，每一组包括三个样品入口，为油相入口10-1、细胞悬液入口10-2和磁珠入口10-3，参见图7。相对应的，进气电磁气阀17、进气管道3和第二排气电磁气阀18的数量均为三个。磁珠入口10-3通过一条流体通道12连通样品收集口11，油相入口10-1和细胞悬液入口10-2分别通过两条流体通道12样品收集口11，五条流体通道12在连通样品收集口11之前形成“双十字”型32，可参见图9。在气压动力推动下，这3个样品在流体通道12中流动，在剪切力作用下，形成一个个包裹细胞和磁珠的乳滴结构，从而实现对目的细胞的分离和捕获。为了尽量提高操作的高效性、准确性和可控性，可设置1组以上样品入口，一般会设置2-8组。

在整个样品收集过程中，都是靠气体的压力和吸力完成的。气体进入3个进气管道3后，会对油相入口10-1、细胞悬液入口10-2和磁珠入口10-3释放压力，推动流体进入样品收集口11；同时，排气管道4上的气孔7会收集流体通道12中的气体压力，将气体排出。因此，样品最终收集在芯片的样品收集口11中，气孔7只是收集气体，再通过排气管道4上的气孔7排出设备外。

作为升降驱动装置的一种实现结构，参见图1-图4，升降驱动装置包括垂直支架20、水平支架21、升降杆22和旋转电机23，水平支架21固定在垂直支架20的中部，旋转电机23的输出轴水平的固定在水平支架21上方的垂直支架20上，旋转电机23的输出轴连接着水平的连接杆24，连接杆24的端部连接着凸轮25；升降杆22竖直地穿过水平支架21，升降杆22的顶部连接着T字钉26，T字钉26抵在凸轮25的底部，升降杆22的底部连接着升降密封板2，水平支架21上方的升降杆22上套有弹簧27。该升降驱动装置的具体工作过程为：旋转电机23转动，如逆时针转动90°，带动凸轮25按压T字钉26，T字钉26按压弹簧27进行不同程度的压缩，升降杆22做升降运动，带动升降密封板2的升降。当升降密封板2下降到最低处时将芯片底座9压紧贴合，进而实现进气管道3上的气孔7和样品入口的连通以及排气管道4上的气孔7和样品收集口11的连通；当升降密封板2从最低处抬起而离开芯片底座9，进气管道3上的气孔7和样品入口断开以及排气管道4上的气孔7和样品收集口11断开。

作为对升降驱动装置的进一步改进，水平支架21的底部固定有多个穿过升降密封板2的竖直的固定柱28，升降密封板2可沿固定柱28上下移动，能提高升降密封板2在运动过程中的稳定性。

作为本发明的一个实施例，载物系统包括放置微流控芯片的载物台31，载物台31采用弹舱结构，便于放置和取出微流控芯片。载物台31采用的弹舱结构类似于DVD的弹舱结构或者电脑上的弹舱结构，均属于现有常规结构。

作为对微流控芯片的进一步改进，在微流控芯片上放置有垫圈29，可参见图8，垫圈29上开设有与样品入口和样品收集口11对应的气孔30。在T字钉26的作用下，升降密封板2向下徐徐降落，与载物台31上微流控芯片的垫圈29紧密贴合，实现进气通道和出气通道与微流控芯片的紧密贴合。

上述实施例中，气流动力控制系统、压力密闭控制系统和载物系统位于同一底座上，在气管连接作用下，将隔膜气泵、第一排气电磁气阀16、第二排气电磁气阀18和进气电磁气阀17组成气流控制系统；同时，在气管连接作用下，将气体输送到压力密闭控制系统的进气管道3中。升降密封板2下降，与载物载物台31上的微流控芯片紧密贴合。具体使用时：

1、按出载物台31的弹舱结构，放入加好样品(油相、细胞悬液和磁珠)的微流控芯片，盖上垫圈29，放在载物台31上，弹舱回；

2、接通电源，在旋转电机23的驱动下，凸轮25逆时针旋转90度，将T字钉26按下；

3、在T字钉26的作用下，升降密封板2向下徐徐降落，与载物台31上微流控芯片的垫圈29紧密贴合；

4、同时，电源接通后，隔膜气泵工作，在第一排气电磁气阀16、第二排气电磁气阀18和进气电磁气阀17作用下调控3个样品进气管道3的气压；

5、芯片内部有流体通道12，在气压动力推动下，这3个样品在微流控芯片的流体通道12中流动，流体通道12为“双十字”型，在剪切力作用下，形成一个个乳滴结构，该乳滴结构中一般会包裹一个细胞和一个磁珠，从而实现对目的细胞的分离和捕获。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，包括气流动力控制系统、压力密闭控制系统和载物系统；

所述气流动力控制系统包括隔膜气泵和电磁气阀控制组件，所述电磁气阀控制组件连接着所述隔膜气泵；

所述压力密闭控制系统包括升降驱动装置和升降密封板，所述升降密封板上设有气体传输管道，所述气体传输管道包括独立的进气管道和排气管道，所述进气管道上设有气体进入口，所述气体进入口连接着所述电磁气阀控制组件，所述排气管道上设有气体排出口；每个所述进气管道和每个所述排气管道中央各开设有气孔；所述升降驱动装置连接着所述升降密封板；

所述载物系统包括微流控芯片，所述微流控芯片包括芯片底座、样品入口和样品收集口，所述芯片底座内设有流体通道，所述流体通道连通所述样品入口和所述样品收集口；所述进气管道上的气孔与所述样品入口相对应，所述排气管道上的气孔与所述样品收集口相对应；所述升降驱动装置带动所述升降密封板的升降，实现所述进气管道上的气孔和所述样品入口的连通或断开以及所述排气管道上的气孔和所述样品收集口的连通或断开；

所述样品入口有三个，为油相入口、细胞悬液入口和磁珠入口，所述磁珠入口通过一条流体通道连通所述样品收集口，所述油相入口和所述细胞悬液入口分别通过两条流体通道所述样品收集口，五条流体通道在连通所述样品收集口之前形成“双十字”型，在剪切力作用下，形成一个个包裹细胞和磁珠的乳滴结构。

2.根据权利要求1所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述隔膜气泵为双缸隔膜气泵，所述双缸隔膜气泵上设有第一进气口、第一出气口和第二出气口；所述第一出气口通过气管连接着第一排气电磁气阀，所述电磁气阀控制组件包括进气电磁气阀和第二排气电磁气阀，所述第二出气口通过气管连接着所述进气电磁气阀，所述进气电磁气阀连接着所述气体进入口；所述气体进入口连接着所述第二排气电磁气阀。

3.根据权利要求2所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述样品入口有多个，分别用于放置不同的样品，用以放置不同样品的所有单个所述样品入口为一组，每一组的所述样品入口、所述进气电磁气阀和所述第二排气电磁气阀的数量一致，所述组和每个所述进气管道和所述排气管道上的气孔的数量一致。

4.根据权利要求1所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述升降驱动装置包括垂直支架、水平支架、升降杆和旋转电机，所述水平支架固定在所述垂直支架的中部，所述旋转电机的输出轴水平的固定在所述水平支架上方的所述垂直支架上，所述旋转电机的输出轴连接着水平的连接杆，所述连接杆的端部连接着凸轮；所述升降杆竖直地穿过所述水平支架，所述升降杆的顶部连接着T字钉，所述T字钉抵在所述凸轮的底部，所述升降杆的底部连接着所述升降密封板，所述水平支架上方的所述升降杆上套有弹簧。

5.根据权利要求4所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述水平支架的底部固定有多个穿过所述升降密封板的竖直的固定柱，所述升降密封板可沿所述固定柱上下移动。

6.根据权利要求1所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述升降密封板位于所述进气管道和所述排气管道下方，所述升降密封板上开有贯通孔分别与所述进气管道和所述排气管道上的气孔位置对应。

7.根据权利要求2所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述第一进气口设有消音器。

8.根据权利要求1所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，所述进气管道和所述排气管道上设有气压传感器。

9.根据权利要求1所述的基于气动测控系统的微流控单细胞分选装置，其特征在于，在所述微流控芯片上放置有垫圈，所述垫圈上开设有与所述样品入口和所述样品收集口对应的气孔。

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