CN110793905A - 一种微流体芯片及微流体细胞分选系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微流体芯片及微流体细胞分选系统，细胞样本依次通过微流体芯片上的液流聚集区、光学检测区和射流分选区后，分选得到目标细胞；射流分选区包括至少一个射流池，射流池的至少一面为膜结构,膜结构变化使射流池产生体积变化，产生射流，射流撞击细胞进入不同的出口。同时，本发明提供微流体细胞分选系统包括微流体芯片、进样系统、光学检测系统、射流分选系统和控制系统。本发明的技术对细胞活性影响小，微流控芯片可替换，不产生交叉污染；微流控芯片两层设计，加工简单便宜，射流池和膜结构直接是构成微流控芯片的玻璃等材质，在完成微流控芯片加工的时候，射流分选结构已经完成，膜结构无需额外加工，工艺更简单。
Description
技术领域
本发明涉及流式细胞术相关的细胞分选系统技术领域，具体涉及一种微流体芯片及微流体细胞分选系统。
背景技术
流式细胞技术是利用流式细胞仪对处于快速直线流动中的单细胞的特性及其成分或其他各种微小颗粒及其负载物进行多参数分析和分选的技术，其不仅可测量细胞大小、内部颗粒的形状，可检测细胞表面和细胞浆抗原、细胞内DNA以及RNA含量等，对群体细胞在单细胞水平上进行分析，其特点是检测速度快、测量参数多、采集信息量大、分析全面、方法灵活，是生物医学领域里强有力的研究手段之一。现有的微流体细胞分选方案，通常采用微流体芯片，通过电渗流、电泳、气动控制、机械阀、光镊、光致热凝胶、膜过滤法、介电电泳、超声、表面声波分离分选方法控制进行分选，但分选速度慢或结构复杂、昂贵的问题，同时依赖于细胞自身特性，其普适性差。
微流体芯片是通过构建网络式通道，从而将样品制备、生物与化学反应、分选和检测等过程，缩微或基本缩微到一块几平方厘米的芯片上，并对其结果进行检测与分析。在微流控芯片上，通过对微流体施加不同的作用，比如介电电泳、磁场力、声动力、光镊技术等，使微流控通道内这些作用与流体动力相结合，从而实现对细胞或者颗粒的分选以便使单细胞计数、筛选以及胞内组分分析等操作大大简化。在微流体芯片上在使用压电晶体高频振动进行细胞分离，会对细胞产生一定的损伤；细胞分选过程在空气中进行，容易产生包含细胞、细菌、病毒等样品的气溶胶污染；另一方面在微流体芯片的设计上，需加入金属片等附加组件，工艺相对复杂，容易引入环境中的污染源，不利于量产，且动作持续时间长，限制分选速度。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种微流体芯片及微流体细胞分选系统。
本发明的技术方案概述如下：
一方面，本发明提供一种微流体芯片，包括，
液流聚集区，用于细胞样本的进入并使细胞聚焦成单列流线；
光学检测区，用于检测细胞样本的光学信号；
射流分选区，用于目标细胞与非目标细胞的选择和排出；
所述射流分选区包括至少一个射流池，所述至少一个射流池的至少一面为膜结构,所述膜结构可产生变形，使所述射流池产生体积变化，产生射流，使目标细胞产生偏移，从而实现分选；
细胞样本从液流聚集区进入并聚焦后，通过光学检测区检测光学信号，最后在射流分选区实现分选，分选得到目标细胞。
优选的，微流体芯片由基片和盖片组成，所述射流池的膜结构为所述基片或所述盖片上的一部分。
优选的，所述射流池为两个射流池，分别位于流道的两侧，用于产生交替射流动作。
进一步地，所述液流聚焦区包括样品口、鞘液口，通过鞘液挤压将样品流聚焦；所述射流分选区还包括废液口、回收口、鞘液出口，废液口用于部分鞘液和非目标细胞的排出，回收口用于回收分离出的目标细胞，鞘液出口用于排出大部分鞘液，以及所述射流池上设置有排气泡口，用于排出射流池内气体并通入鞘液。
另一方面，本发明提供一种微流体细胞分选系统，包括如上所述的微流体芯片，以及进样系统、光学检测系统、射流分选系统和控制系统，
优选的，所述进样系统用于控制样品和鞘液的进样以及所述射流池的排气泡，包括样品罐、样品试管、用于产生气压的压力控制系统、鞘液罐，所述进样系统将样品通过所述样品口压入所述微流体芯片，将鞘液通过所述鞘液口压入所述微流体芯片，或通过所述排气泡口实现所述射流池的排气泡。
优选的，所述进样系统还包括电磁阀，用于实现所述射流池排气泡或所述鞘液口鞘液进样的切换。
进一步地，所述光学检测系统包括激光器、第一反射镜、扩束系统、整形系统、白光光源、半透半反镜、第二反射镜、物镜、第三反射镜、第四反射镜、笼式结构、探测器、第五反射镜、目镜。激光器出射的激光，经过第一反射镜，扩束系统和整形系统后，在微流体芯片的光学检测区形成光斑，散射光和样品荧光被物镜汇聚，进入笼式结构进行分光，最终不同波长信号被对应的探测器接收，白光光源用于明场照明，操作者可通过目镜观测微流体。
进一步的，所述射流分选系统包括驱动电路、信号触发、高压放大、射流机构，驱动电路驱动信号触发并经过高压放大，之后进入射流机构，通过所述射流机构的执行机构使得所述射流池体积变化，从而产生射流。
进一步的，所述射流机构为压电式、磁性式、静电式、液压式或气动式。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、与同类型的微流体芯片相比，本发明的微流控芯片的射流池和膜结构直接是构成微流控芯片的玻璃等材质，在完成微流控芯片加工的时候，射流分选结构已经完成，膜结构无需额外加工，工艺更简单，不会引入环境中的污染源。执行机构，如压电基片直接和膜结构接触，无需额外部件，完成动作。
2、本发明的微流控芯片只有两层，加工简单，相对于现有技术采用夹层设计采用结构简单，造价也相对便宜。
3、通过设置两侧布置的两个射流池，射流口射流方向相对，从而利用射流和吸流两动作交替的同步控制方式，节约能源，也能实现更快的分选速度。
4、与传统的微流体细胞分选系统相比，本发明的技术对细胞活性影响小，微流控芯片可替换，不会产生交叉污染的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1本发明的微流体芯片区域示意图；
图2本发明的微流体芯片结构示意图；
图3本发明的微流体细胞分选系统框图；
图4为本发明的进样系统工作示意图；
图5为本发明的光学检测系统工作示意图；
图6为本发明的射流分选系统控制示意图；
图7a本发明的微流体细胞分选系统筛选非目标细胞时动作示意图；
图7b本发明的微流体细胞分选系统筛选目标细胞时动作示意图；
图7c本发明的微流体细胞分选系统筛选下一目标细胞时动作示意图；附图标记说明：
100-微流体芯片；10-基片；11-盖片；12-液流聚焦区；13-光学检测区；14-射流分选区；
101-样品口；102-第一鞘液口；112-第二鞘液口；103-第一排气泡口；113-第二排气泡口；104-第一射流池；105-第二射流池；107-第一回收口，109-第二回收口；108-废液口；106-第一鞘液出口；110-第二鞘液出口；
200-进样系统；201-样品罐；202-鞘液罐；203-样品试管；204-电磁阀；205-压力控制系统；
300-光学检测系统；301-激光器；302-第一反射镜；307-第二反射镜，309-第三反射镜，310-第四反射镜，313-第五反射镜；303-扩束系统；304-整形系统；306-白光光源；305-半透半反镜；308-物镜；312-笼式结构；311-探测器；314-目镜；
400-射流分选系统；
500-控制系统；
114-第一膜结构；115-第二膜结构；404-第一压电基片；405-第二压电基片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施例的一种微流体芯片，
一方面，本发明提供一种微流体芯片100，包括液流聚焦区12、光学检测区13和射流分选区14，细胞样本依次通过液流聚集区12、光学检测区13和射流分选区14，最后达到分选细胞样本的目的；射流分选区14包括至少一个射流池，至少一个射流池的至少一面为膜结构,膜结构可产生变形，使射流池产生体积变化，产生射流。
在一些实施例中，如图2，微流体芯片100由基片10和盖片11组成，射流池的膜结构为基片10或盖片11上的一部分。
在一些实施例中，基片10或盖片11为玻璃，射流池直接在基片10上刻蚀出结构，并由盖片11作为膜结构，直接挤压盖片11上的膜结构产生形变，即可形成射流。
在一些实施例中，如图2，射流池为两个射流池，分别位于流道的两侧，用于产生交替射流动作，即第一射流池104和第二射流池105，用于产生交替射流动作，相应的，射流池的膜结构也为第一膜结构114和第二膜结构115，为盖片11的一部分。图中为说明问题采用相对平行的布置方式，当然可以采用此实施例之外的，错开布置的方式，同样可以达到效果。
在一些实施例中，如图1，液流聚焦区12包括样品口101、鞘液口，通过鞘液挤压将样品流聚焦；所述射流分选区14还包括废液口108、回收口、鞘液出口，废液口用于部分鞘液和非目标细胞的排出，回收口用于回收分离出的目标细胞，鞘液出口用于排出大部分鞘液，以及所述射流池上设置有排气泡口，用于排出射流池内气体并通入鞘液。
具体的，在一些实施例中，可设置鞘液口为两个，即第一鞘液口102和第二鞘液口112，用于形成Y型结构，通过鞘液挤压将样品流聚焦在流道的中心，使得细胞成单列通过光学检测区13。相应的，鞘液出口可设置为两个，即第一鞘液出口106和第二鞘液出口110，由于射流分选方式是用射流撞击目标微球，使其离开样品流线，进入鞘液中，从而实现分选，但大量的鞘液会使得分选后产物被大量稀释，不利于回收，可通过设置两个鞘液出口，分离走大量的鞘液。
在一些实施例中，设置两个射流池，即第一射流池104和第二射流池105，可相应设置两个回收口，即第一回收口107和第二回收口109，用于交替射流时，目标细胞交替进入第一回收口107和第二回收口109。同时排气泡口也随射流池设置两个，即第一排气泡口113和第二排气泡口103。
另一方面，如图3，本发明实施例还提供一种微流体细胞分选系统，包括如上所述的微流体芯片100，以及进样系统200、光学检测系统300、射流分选系统400和控制系统500。进样系统200用于对样品进样、鞘液进样、射流池排气泡的控制；对光学检测系统300用于检测光学检测区13的细胞的散射信号和荧光信号；射流分选系统400用于对射流池进行控制，产生射流动作；控制系统500用于光学检测系统300检测器的搜集数据，逻辑判断，数据转化，产生分选信号，对射流分选系统400进行动作，从而产生射流，实现对目标颗粒的分选。
在一些实施例中，如图4，具体的进样系统200用于控制样品和鞘液的进样以及射流池的排气泡，包括样品罐201、样品试管203、用于产生气压的压力控制系统205、鞘液罐202，进样系统200将样品通过样品口101压入微流体芯片100，将鞘液通过第一鞘液口102和第二鞘液口112进入微流体芯片100，或通过第一排气泡口113和第二排气泡口103实现所述射流池的排气泡。
在一些实施例中，进样系统还包括电磁阀204，用于实现所述射流池排气泡或所述鞘液口鞘液进样的切换。
在一些实施例中，如图5，光学检测系统300包括激光器301、第一反射镜302、扩束系统303、整形系统304、白光光源306、半透半反镜305、第二反射镜307、物镜308、第三反射镜309、第四反射镜310、笼式结构312、探测器311、第五反射镜313、目镜314。激光器301出射的激光，经过第一反射镜302，扩束系统303和整形系统304后，在微流体芯片100的光学检测区13形成光斑，散射光和样品荧光被物镜308汇聚，进入笼式结构312进行分光，最终不同波长信号被对应的探测器311接收，白光光源306用于明场照明，操作者可通过目镜314观测微流体。探测器311探测的数据用于控制系统，进一步用于判断分选射门来识别是否为目标颗粒。
在一些实施例中，如图6，射流分选系统400包括驱动电路、信号触发、高压放大、射流机构，当分选信号发出时，驱动电路驱动信号触发并经过高压放大，之后进入射流机构，通过所述射流机构的执行机构使得所述射流池动作，体积变化，从而产生射流。
在一些实施例中，所述执行机构为压电式、磁性式、静电式、液压式或气动式。当为压电式，可以为压电基片，具体的，当为两个射流池时，分别对应射流池，压电基片为第一压电基片404和第二压电基片405。当然其他执行机构，如磁性式、静电式、液压式或气动式，也可驱使射流池膜结构动作，射流池体积变化，产生射流。
在一些实施例中，控制系统500包括上位机、下位机硬件，其中下位机硬件包括网口或者USB端口、FPGA、数模转换模块(DA)或IO端口、模数转换模块(AD)、探测器311、功率放大器。上位机软件用于设置各参数，并收集数据进行分析处理；下位机硬件用于控制和监测各个模块。下位机的核心采用FPGA，通过控制网口或者USB口与上位机进行通讯；通过控制数模转换模块(DA)和IO口进行探测器增益等的设置；通过读取模数转换模块(AD)来读取各个探测器的信号；数据处理则在FPGA内部实现。具体流程如下：先通过上位机软件和FPGA设置探测器增益，设置阈值等；然后根据阈值处理各个AD采集的数据，并计算成表征颗粒信息的高度、面积、宽度等数据；之后根据分选射门来识别是否为目标颗粒；若发现目标颗粒时，FPGA产生分选信号；分选信号通过DA输出成模拟信号，经过功率放大器放大后，驱动压电基片发生形变，从而产生射流，实现对目标颗粒的分选。
在一些实施例中，本发明射流分选工作原理，由于在微流道内，液体以层流方式进行流动，而样品流被鞘液聚焦后，在流道中央流动，而样品颗粒都在这个流线中流动。当有垂直于流线的动量撞击目标颗粒时，颗粒就会从中央流线偏移到别的流线。例如当为一个射流池时，压电方式中，当压电基片无形变时，与膜结构表面接触；当压电基片受到电压驱动，伸长时挤压膜结构向内形变，射流池体积减小，射流从射流池喷出；而当压电基片还原时，膜结构形变恢复，射流池体积恢复，射流向射流池内流入。当不同的控制电压施加在压电基片上时，可以产生不同动量的射流。而目标颗粒在受到射流影响时，就会偏离原本流线，实现偏移，而射流动量不同时，目标颗粒偏移量也不同。
在一些实施例中，图7a-图7c微流体细胞分选系统筛选细胞动作示意图，设置的两个射流池，第一射流池104和第二射流池105，对应第一膜结构114和第二膜结构115，对应第一压电基片404和第二压电基片405，为射流组合。如图7a，当非目标细胞经过时，第一压电基片404和第二压电基片405不动，此时第一射流池104和第二射流池105不动作，不对流线产生影响，此时非目标细胞进入废液口18；如图7b，当一目标细胞经过时，第一压电基片404伸长，挤压第一膜结构114向内形变，第一射流池104体积减小，射流从第一射流池104喷出，产生喷射流，第二压电基片405还原，第二膜结构115形变恢复，第二射流池105体积恢复，射流向第二射流池105内流入，产生吸射流，喷射流和吸射流动作同时产生，目标细胞往同一个方向偏转，进入第二回收口109；如图7c，当下一目标细胞经过时，第一压电基片404还原伸长，第一膜结构114形变恢复，第一射流池104体积恢复，射流向第一射流池104内流入，产生吸射流，第二压电基片405伸长，挤压第二膜结构115向内形变，第二射流池105体积减小，射流从第二射流池105喷出，产生喷射流，喷射流和吸射流动作同时产生，目标细胞往同一个方向偏转，进入第一回收口107；此种使用两个射流池设置于两侧且交替动作的设置，不但不会影响流线稳定性，还能降低压电陶瓷工作电压，缩短流线稳定时间，提高分选速度，采用两侧布置的射流池都可以达到此效果。当然容易想到的是采用对称布置的方式，此时可以实现控制的同步，使得此方式工作最优。当然，当第一压电基片404伸长和第二压电基片405原位时，此时若非目标细胞经过，第一压电基片404恢复原位，与图7a第一压电基片404和第二压电基片405不动一样，非目标细胞进入废液口18。
在一些实施例中，可设置一个射流池用于单独射流，目标细胞进入单独设置的一个回收口，此时非目标细胞经过时，压电基片不动作或从伸长状态恢复，非目标细胞进入废液口18；目标细胞经过时，压电基片伸长，目标细胞进入回收口。
在一些实施例中，一个射流池设置两个膜结构，即在基片和盖片都设置膜结构，相应的执行机构设置为两个，分别对应基片的膜结构和盖片的膜结构，具体的，可以是两个压电基片。当动作时，基片的膜结构和盖片的膜结构同时动作，与前所述实施例的动作量相同，可对应的减少每个压电基片的工作电压。相应的，也适用两侧布置射流池动作时，每个射流池都设置基片的膜结构和盖片的膜结构，及两个压电基片。
在一些实施例中，在同一侧，沿流线方向设置两个射流池，相应的设置膜结构和执行机构，当目标细胞经过第一个射流池位置，第一个射流池喷动作；接着经过第二个射流池位置，第二个射流池喷动作，这样接力的动作，使得目标细胞进入回收口，减少单独一个射流池所需要的压电基片动作量，减小工作电压。当然，可以沿流线方向设置两对射流池，用于接力并完成喷射流和吸射流的交替，从而更加减少工作电压。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种微流体芯片，其特征在于，包括，
液流聚集区，用于细胞样本的进入并使细胞在流道内聚焦成单列流线；
光学检测区，用于检测流道内细胞样本的光学信号；
射流分选区，用于目标细胞与非目标细胞的选择和排出；
所述射流分选区包括至少一个射流池，所述至少一个射流池的至少一面为膜结构,所述膜结构可产生变形，使所述射流池产生体积变化，产生射流，使目标细胞产生偏移，从而实现分选；
细胞样本从液流聚集区进入并聚焦后，通过光学检测区检测光学信号，最后在射流分选区实现分选，分选得到目标细胞。
2.根据权利要求1所述的微流体芯片，其特征在于，微流体芯片包括基片和盖片，所述射流池的膜结构为所述基片或所述盖片上的一部分。
3.根据权利要求2所述的微流体芯片，其特征在于，所述射流池为两个射流池，分别位于流道的两侧，用于产生交替射流动作。
4.根据权利要求1-3任一项所述的微流体芯片，其特征在于，所述液流聚焦区包括样品口、鞘液口，通过鞘液挤压将样品流聚焦；所述射流分选区还包括废液口、回收口、鞘液出口，废液口用于部分鞘液和非目标细胞的排出，回收口用于回收分离出的目标细胞，鞘液出口用于排出大部分鞘液，以及所述射流池上设置有排气泡口，用于排出射流池内气体并通入鞘液。
5.一种微流体细胞分选系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的微流体芯片，以及进样系统、光学检测系统、射流分选系统和控制系统。
6.根据权利要求5所述的微流体细胞分选系统，其特征在于，所述进样系统用于控制细胞样本和鞘液的进样以及所述射流池的排气泡，包括样品罐、样品试管、用于产生气压的压力控制系统、鞘液罐，所述进样系统将样品通过所述样品口压入所述微流体芯片，将鞘液通过所述鞘液口压入所述微流体芯片，或通过所述排气泡口实现所述射流池的排气泡。
7.根据权利要求6所述的微流体细胞分选系统，其特征在于，所述进样系统还包括电磁阀，用于实现所述射流池排气泡或所述鞘液口鞘液进样的切换。
8.根据权利要求5-7任一项所述的微流体细胞分选系统，其特征在于，所述光学检测系统包括激光器、第一反射镜、扩束系统、整形系统、白光光源、半透半反镜、第二反射镜、物镜、第三反射镜、第四反射镜、笼式结构、探测器、第五反射镜、目镜。激光器出射的激光，经过第一反射镜，扩束系统和整形系统后，在微流体芯片的光学检测区形成光斑，散射光和样品荧光被物镜汇聚，进入笼式结构进行分光，最终不同波长信号被对应的探测器接收，白光光源用于明场照明，操作者可通过目镜观测微流体。
9.根据权利要求5-7任一项所述的微流体细胞分选系统，其特征在于，所述射流分选系统包括驱动电路、信号触发、高压放大、射流机构，驱动电路驱动信号触发并经过高压放大，之后进入射流机构，通过所述射流机构的执行机构使得所述射流池体积变化，从而产生射流。
10.根据权利要求9所述的微流体细胞分选系统，其特征在于，所述射流机构为压电式、磁性式、静电式、液压式或气动式。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN115356327A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 | 一种营养液检测装置、方法及系统 |
| CN117448151A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-26 | 杭州谱康医学科技有限公司 | 一种片上液体流路细胞或颗粒的分选装置及分选方法 |
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