CN110926849B - 一种高通量获取微量组织块的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高通量获取微量组织块的装置及方法，涉及切片取样的技术领域。包括样本台、阵列分布的取样针、带动所述取样针前进或回缩的柔性组件、三维平移台；柔性组件包括气缸和定位部，定位部用于限制气缸活塞杆回转。对取样针进行阵列分布，单次即可完成高通量的取样；而柔性组件带动取样针柔性前进进行取样，能很好地调节取样针与组织之间的作用力；定位部则在取样全过程中保证取样针不随气缸活塞杆回转，避免取样针阵列与样本之间的相对位置出现偏转，既能保证同类样本重复取样的成功，又能达到保护取样针的目的。

Description

一种高通量获取微量组织块的装置及方法

技术领域

本发明涉及切片取样的技术领域，特别涉及一种高通量获取微量组织块的装置及方法。

背景技术

为了同时获取生物组织的空间、组学信息，需要对组织切片进行成像，并通过成像结果精确定位目标组织区域的位置，再使用取样装置来获取该区域的组织，以进行后续组学分析。

现有技术中对组织切片的取样通常是使用取样针或使用激光切割技术，而针对大组织切片，想要进行多位置的间隔取样以对比分析差异性时，通过取样针进行取样则需要多次反复操作，且取样间隔不容易把控，操作繁杂、误差大；通过激光切割类技术又容易造成热量沉积，影响组织内RNA、蛋白质等物质的性质，从而影响后续组学分析的结论。

发明内容

本发明的目的是提供一种高通量获取微量组织块的装置及方法，以解决现有技术中对大组织多位置间隔取样操作繁杂且误差大的问题。

一种高通量获取微量组织块的装置，包括样本台、阵列分布的取样针、带动所述取样针前进或回缩的柔性组件、带动所述柔性组件纵向移动的三维平移台；

所述柔性组件包括气缸和定位部，所述定位部用于限制所述气缸活塞杆回转；

所述定位部的侧壁固定有阵列固定件，所述取样针安装在所述阵列固定件的下表面，所述阵列固定件的上表面开设有与所述取样针连通的推样口。

上述技术方案中，对取样针进行阵列分布，根据不同的取样需求选择不同取样针阵列分布的间隔，单次即可完成高通量的取样；而通过柔性组件带动取样针柔性前进进行取样，能很好地调节取样针与组织之间的作用力；定位部则在取样全过程中保证取样针不随气缸活塞杆回转，避免取样针阵列与样本之间的相对位置出现偏转，既能保证同类样本重复取样的成功，又能达到保护取样针的目的，取样简洁且精度高，取样结束后通过推样口自动推样，为下一次取样做准备，实现了连续地高通量自动取样。

进一步地，所述阵列固定件的中心开设有竖槽；

所述阵列固定件的上表面为可拆卸安装的阵列顶盖，所述推样口开设在所述阵列顶盖内，以与所述竖槽连通；

所述阵列固定件的下表面为可拆卸安装的阵列底板，所述阵列底板上开设有阵列分布的针孔，所述取样针通过所述针孔固定在所述阵列底板上，并与所述竖槽连通。

进一步地，所述针孔的直径大于所述取样针的直径，以调节阵列分布的取样针位于阵列固定件外的一端齐平，所述针孔内壁与所述取样针之间固定有焊接胶。

进一步地，所述竖槽的两端均套设有密封圈，以使所述竖槽与所述阵列顶盖之间、所述竖槽所述阵列底板之间保持密封。

进一步地，所述竖槽与所述推样口同轴设置，所述竖槽从上至下的开设口径大小一致，且大于取样针的阵列分布面积。

进一步地，所述取样针为不锈钢制成，内径范围为60μm-600μm，外径范围为190 μm-910μm。

进一步地，所述定位部为滑移设置在所述气缸侧壁的滑台，所述滑台的底部开设有限位卡槽，所述气缸的活塞杆固定在所述限位卡槽内。

一种高通量获取微量组织块的自适应取样方法，包括以下步骤：

S1，取一个阵列底板，将取样针呈阵列分布插在阵列底板上，然后使用焊接胶将取样针固定在阵列底板上；

S2，对气缸供气进行调试，为正式取样做准备；

S3，通过显微镜成像对样本的目标区域进行定位，以使所有取样针均位于目标区域内；

S4，操作三维平移台去带动气缸前进，以使取样针匀速靠近样本，并保持气缸的供气恒定，取样针在样本的目标区域内进行正式取样，取样后气缸活塞杆回缩，然后带动滑台直线上升，以带动阵列底板和取样针直线离开样本；

S5，给推样口连接管道，向取样针内供气/供液，以将取样针内的组织推出。

进一步地，所述S1具体为：

S101，取两个相互垂直的光学玻璃，开设有对准孔的U型辅助孔板，将U型辅助孔板放置在其中一个光学玻璃的上表面；

S102，调节U型辅助孔板两侧等高，取一个开设有针孔的阵列底板，放置在U型辅助孔板的上表面；

S103，将取样针逐个插入针孔内，并使取样针穿过U型辅助孔板的对准孔、然后抵接在光学玻璃的上表面，以使阵列分布的取样针下表面齐平；

S104，使用焊接胶将取样针与阵列底板固定后，将阵列底板从U型辅助孔板上取出，安装在阵列固定件的下表面，使取样针齐平的一端位于阵列固定件外，另一端容纳在阵列固定件内。

进一步地，所述U型辅助孔板包括平板和位于平板两侧且螺纹连接在平板内的螺纹支柱，通过转动螺纹支柱来调节U型辅助孔板两侧等高，以使阵列底板与平板平行。

附图说明

图1为高通量获取微量组织块的装置整体结构图；

图2为高通量获取微量组织块的装置的下端供气结构示意图；

图3为高通量获取微量组织块的装置的上端供气结构示意图；

图4为取样针阵列分布的安装示意图；

图5为调试经验气压过程中供气气压与调试次数之间的变化关系图；

图6为取样过程中下端供气时的受力分析图；

图7为调试经验气压过程中下端供气气压与取样针回缩时的阻力F_s之间的关系图；

图8为取样过程中上端供气时的受力分析图；

图9为调试经验气压过程中上端供气气压与取样针回缩时的阻力F_s之间的关系图；

图10为通过显微镜对脑组织切片的定位结果图。

其中，1、样本台；2、取样针；3、三维平移台；4、气缸；5、滑台；6、气压表；7、电磁阀；8、减压阀；9、限位卡槽；10、阵列固定件；11、阵列顶盖；12、阵列底板；13、供气口；14、光学玻璃；15、平板；16、螺纹支柱；

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参照图1，为本实施例公开的一种高通量获取微量组织块的装置，包括样本台1、阵列分布的取样针2、带动取样针2前进或回缩的柔性组件、带动柔性组件纵向移动的三维平移台3。

柔性组件包括气缸4和定位部，气缸4固定在三维平移台3的侧壁，通过三维平移台3带动气缸4纵向移动，气缸4用于带动取样针2前进或回缩。

定位部为卡接在气缸4侧壁的滑台5，用于限制气缸4活塞杆回缩时的转动，滑台5呈“L”字型，气缸4的侧壁固定有限位导轨，滑台5通过与限位导轨卡接而实现直线运动，滑台5的底部开设有限位卡槽9，气缸4的活塞杆固定在限位卡槽9内，使得滑台5 被限制为沿活塞杆长度方向的直线运动，从而校正了可能存在的活塞杆回转现象，以保持阵列分布的取样针2在下降取样过程中能进入到目标位置而不发生偏转。气缸4可以为包含有两个活塞杆的气缸4，与滑台5共同组成滑台气缸，也可以为包含有一个活塞杆的气缸4，通过限位卡槽9与滑台5共同组合对活塞杆的回转进行限制。

滑台5的侧壁固定有阵列固定件10，阵列固定件10的中心沿气缸4活塞杆的长度方向开设有竖槽，且竖槽从上至下的开设口径大小一致；阵列固定件10的上表面为可拆卸安装的阵列顶盖11下表面为拆卸安装的阵列底板12，因此，整个阵列固定件10呈“工”字形，便于阵列顶盖11与阵列底板12通过螺栓进行安装。

阵列顶盖11的中心处开设有推样口，推样口与竖槽同轴且连通；阵列底板12内开设有阵列分布的针孔，取样针2与针孔一一对应，针孔的直径大于取样针2的直径，取样针 2的外壁与针孔的内壁之间固定有焊接胶，针孔和焊接胶的设置便于调节取样针2在针孔内的位置，以使得阵列分布的取样针2一端保持齐平。竖槽的两端均套设有密封圈，当阵列顶盖11与阵列底板12分别通过螺栓安装在竖槽的两端时，挤压密封圈，从而使得推样口、竖槽以及取样针2之间保持密封。而为了保证所有的取样针2均能与竖槽连通，针板上取样针2的阵列分布面积小于竖槽的开设面积。

取样针2内部中空，是内径范围为60μm-600μm、外径范围为190μm-910μm的不锈钢取样针2，取样时，取样针2内为包含有一个目标细胞的一团细胞。连接块的侧壁开设有推样口，推样口与取样针2之间连通，当取样结束后，通过对推样口供气/供液把取样针2内的样本推出，而竖槽与推样口的同轴设置，减小了供气/供液过程中的阻力，使推样更加顺利。

取样针2在取样过程中通过显微镜进行观察或成像，从而便于对样本的目标区域内的目标细胞进行定位。样本台1为二维移动平台，样本可以被收集在载玻片或者胶带上。

参照图2，气缸4的活塞杆将气缸4的内部腔室分为上端与下端，气缸4的上端和下端均通过气管进行供气，且上端和下端的气管均安装有气压表6。当取样过程中对气缸4 的下端供气时，上端的气管安装电磁阀7，下端的气管安装减压阀8，关闭电磁阀7，气缸 4的上端停止供气，调节减压阀8，实现对气缸4的下端供气，并通过下端的气压表6观察供气气压的情况。

参照图3，当取样过程中对气缸4的上端供气时，上端的气管安装减压阀8，下端的气管安装电磁阀7，下端的电磁阀7保持常闭，气缸4的下端停止供气，调节减压阀8，实现对气缸4的上端供气，并通过上端的气压表6观察供气气压的情况。通过电磁阀7与减压阀8的配合，对气缸4上端和下端进行供气调节，气压表6可直观地看到供气气压的情况。

实施例二

为本实施例公开的一种高通量获取微量组织块的方法，包括以下步骤：

参照图4，取一个阵列底板，将取样针呈阵列分布插在阵列底板上，然后使用焊接胶将取样针固定在阵列底板上，具体操作如下：

S101，取两个相互垂直的光学玻璃14，U型辅助孔板；U型辅助孔板包括平板15和位于平板15两侧且螺纹连接在平板15内的螺纹支柱16，将平板15放置在其中一个光学玻璃14的上表面。

S102，转动平板15两侧的螺纹支柱16，使两个螺纹支柱16等高，取一个开设有针孔阵列底板12，放置在两个螺纹支柱16的上表面，从而使得阵列底板12平行于平板15，平板15内开设有阵列分布的对准孔，对准孔与针孔一一对应。

S103，将取样针2逐个插入针孔内，由于针孔直径大于取样针2，取样针2在针孔内呈自由下落，穿过平板15的对准孔后抵接在光学玻璃14的上表面，从而使得取样针2完成阵列排布并通过光学玻璃14实现取样针2下端面的整齐，提升取样针排布的竖直度。

S104，使用深圳市金诺克胶黏剂有限公司生产的1016低气味丙烯酸结构胶作为焊接胶，将取样针2固定在针孔内，完成取样针2与阵列底板12的固定，然后将阵列底板12 从U型辅助孔板上取出，使用螺栓将阵列底板12安装在阵列固定件10的下表面，使取样针2齐平的一端朝向阵列固定件10外，另一端容纳在阵列固定件10内。

通过上述步骤对取样针2进行安装，能很好地根据取样针2的尺寸以及需求来控制间隔，并保证取样针2底面的平整度，取样针2阵列分布，一次便能实现多位置取样，操作简洁且精度高。然后对气缸供气来调试经验气压，为正式取样做准备。

S201，参照图2，将电磁阀7安装在气缸4上端的气管上，将减压阀8安装在气缸4 下端的气管上，打开电磁阀7，对气缸4上端进行供气，让活塞杆位于气缸4内的最低点；关闭电磁阀7，调节减压阀8并观察气缸4活塞杆，让气缸4下端的供气保持在一个定值，以使活塞杆保持平衡并具有回缩的趋势，此时，下端的供气气压为初始值。

S202，取一个组织切片样本，三维平移台3带动气缸4匀速靠近样本，并保持气缸4的供气恒定，在样本的边缘非目标区域上进行试取样，取样结束后对气缸4的上端进行一次供气以使活塞杆回到最低点，并通过显微镜成像观察取样测试后的非目标区域，以判断是否试取样成功。

S203，整个调试过程中的供气随调试次数的变化如图5所示，从S201中的初始值开始，在图2所述的装置中通过调节减压阀8来从大到小改变气缸4下端的供气气压，重复进行试取样，每一次取样前下端的供气气压减小5kPa，每一次试取样过程中，保持下端的供气气压恒定，供气气压通过下端的气压表6读取获得，气缸4活塞杆受下端供气气压所产生的力为F_p。参照图6中(a)，当取样针2进入到样本内之前，力F_p与活塞杆的重力 G、静摩擦力f仍旧保持平衡：F_p＝G+f，此时，取样针2为匀速前进，与三维平移台3 保持相对静止。

参照图6中(b)，当取样针2进入到样本中，受到的阻力为F_s，F_s随着取样针2在样本内的深入而逐渐增大，活塞杆具有回缩的运动趋势，即F_s+F_p＝G+f，其静摩擦力向下且逐渐增至最大，直到F_s+F_p≤G+f_max，取样针2一直匀速前进，与三维平移台3保持相对静止。

参照图6中(c)，当F_s+F_p≥G+f_max后，取样针2在样本内的速度快速减为零，停止前进，然后反向加速，开始回缩，参照图6中(d)，F_s随着活塞杆的回缩而逐渐减小，直到离开样本后减为零。

重复上述试取样过程，通过显微镜对取样后的结果进行观察，取样过程中气缸下端供气的大小与取样针受到的阻力F_s的阈值(即回缩瞬间的F_s)之间的关系如图7所示，下端供气气压越小，取样针的F_s的阈值越大，F_s的阈值过小时取样可能会失败，F_s的阈值过大时取样针可能会弯曲。因此，将取样成功时，下端气压表6读数所示的供气气压作为经验气压的最大值；取样成功后，仍旧继续减小下端的供气气压，直到人眼观察到取样针2弯曲或通过显微镜观察到取样针2划开样本时，表明取样失败，此时下端气压表6读数所示的供气气压作为经验气压的最小值。

当下端的供气气压减小到零时仍不能取样成功则停止下端供气，然后将气缸4上端和下端的气管进行更换，使电磁阀7连接到气缸4的下端，减压阀8换到气缸4的上端，更换后的装置如图3所示。电磁阀7保持常闭，下端不供气，调节减压阀8对气缸4上端进行供气，通过上端相连的气压表6读数获得上端的供气气压情况。从零开始，逐步增大气缸4上端的供气气压，重复进行试取样，每一次取样前上端的供气气压增加5kPa，每一次取样过程中，保持上端的供气气压恒定，气缸4活塞杆受上端供气气压所产生的力为F_p，活塞杆静摩擦力f向上，活塞杆位于气缸4底部受到的支撑力为F_d，参照图8中(a)，当取样针2进入到样本之前，活塞杆一直保持平衡：F_d+f＝G+Fp，此时，取样针2为匀速前进，与三维平移台3保持相对静止。

参照图8中(b)，当取样针2进入到样本中，受到的阻力为F_s，F_s随着取样针2在样本内的深入而逐渐增大，活塞杆具有回缩的运动趋势，即F_s+f+F_d＝G+Fp，其静摩擦力逐渐减小然后反向增至最大，活塞杆受到的支撑力F_d逐渐减小至零，直到F_s≤G+f_max+ F_p，取样针2一直为匀速前进，与三维平移台3保持相对静止。

参照图8中(c)，当F_s≥G+f_max+F_p后，取样针2在样本内的速度减为零，停止前进，然后反向加速，开始回缩，参照图8中(d)，F_s随着活塞杆的回缩而逐渐减小，直到离开样本后减为零。

重复上述试取样过程，通过显微镜对取样后的结果进行观察，取样过程中气缸上端供气的大小与取样针受到的阻力F_s的阈值(即回缩瞬间的F_s)之间的关系如图9所示，上端供气气压越大，取样针的F_s的阈值越大，F_s的阈值过小时取样可能会失败，F_s的阈值过大时取样针可能会弯曲。因此，将取样成功时，上端气压表6读数所示的供气气压作为经验气压的最小值；取样成功后，仍旧继续增大上端的供气气压，直到人眼观察到取样针2弯曲或通过显微镜观察到取样针2划开样本时，表明取样失败，此时上端气压表6读数所示的供气气压作为经验气压的最大值。

由于存在样本台1，取样针2受到的阻力F_s过大时，会发生弯曲，弯曲后恢复到竖直状态时会划伤样本切片，通过S203的调试来获取一定范围的经验气压，在经验气压的最小值与最大值范围内选取的供气气压既能使得取样成功，还能避免取样针2弯曲。无需安装力传感器，在正式取样过程中，通过选择合适的F_p来控制回缩时的F_s阈值，当取样针2 与样本之间的阻力达到阈值时，气缸4活塞杆可快速回缩，不会出现感应延迟划伤样本等现象。

通过S203的试取样过程，对肝脏组织切片进行试取样，取样成功的经验气压范围为：上端供气10kPa-30kPa。

S3，选择与S202中试取样时使用的同类样本，先调节取样针2在显微镜照明视场的中央，然后保持取样针2不动，通过显微镜的成像来移动样本台1，使所有取样针2均位于样本的目标区域内，从而进行定位，阵列分布的取样针2可实现大块组织样本上不同区域的间隔取样，便于对特定的区域来对比分析差异性。如图10所示，是对脑组织进行定位，目标区域为Bregma＝-2.3mm的位置，位于海马区以下，取样针2为不锈钢材质，内径为60μm、外径为260μm，定位后每一个取样针2分别对准一个取样目标。

S4，调节电磁阀7和减压阀8，使活塞杆位于气缸4内的最低点，从S203获得的经验气压范围内选取一个经验气压为气缸4供气并保持恒定，操作三维平移台3去带动气缸 4前进，以使取样针2匀速靠近样本，从而可对所有同类的样本进行取样，每一次取样后，气缸4活塞杆回缩，通过限位卡槽9带动滑台5直线上升，限制了活塞杆的回转，从而带动阵列底板12直线离开样本，而不发生偏转，既能避免取样针2划开样本，还能保证下一次取样时取样针2的位置相同。

S5，给推样口连接管道，向取样针2内供气/供液，以将取样针2内的组织推出。

以上仅为本发明的若干个优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，包括样本台、阵列分布的取样针、带动所述取样针前进或回缩的柔性组件、带动所述柔性组件纵向移动的三维平移台；

所述柔性组件包括气缸和定位部，还包括减压阀和气压表，所述减压阀从大到小改变所述气缸下端的供气气压，所述气压表用于获取取样成功时下端的供气气压作为经验气压的最大值，获取取样针弯曲或划开样本时下端的供气气压作为经验气压的最小值，当下端的供气气压减小到零时仍不能取样成功则停止下端供气，所述减压阀从零逐步增大气缸上端的供气气压，所述气压表用于获取取样成功时上端的供气气压作为经验气压的最小值，获取取样针弯曲或划开样本时上端的供气气压作为经验气压的最大值，正式取样时，在所述经验气压的最小值与最大值范围内选取一个经验气压为所述气缸供气，当取样针与样本之间的阻力达到阈值时，气缸活塞杆快速回缩，所述定位部用于限制所述气缸活塞杆回转；

所述定位部的侧壁固定有阵列固定件，所述取样针安装在所述阵列固定件的下表面，所述阵列固定件的上表面开设有与所述取样针连通的推样口。

2.根据权利要求1所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述阵列固定件的中心开设有竖槽；

所述阵列固定件的上表面为可拆卸安装的阵列顶盖，所述推样口开设在所述阵列顶盖内，以与所述竖槽连通；

所述阵列固定件的下表面为可拆卸安装的阵列底板，所述阵列底板上开设有阵列分布的针孔，所述取样针通过所述针孔固定在所述阵列底板上，并与所述竖槽连通。

3.根据权利要求2所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述针孔的直径大于所述取样针的直径，以调节阵列分布的取样针位于阵列固定件外的一端齐平，所述针孔内壁与所述取样针之间固定有焊接胶。

4.根据权利要求3所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述竖槽的两端均套设有密封圈，以使所述竖槽与所述阵列顶盖之间、所述竖槽所述阵列底板之间保持密封。

5.根据权利要求3所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述竖槽与所述推样口同轴设置，所述竖槽从上至下的开设口径大小一致，且大于取样针的阵列分布面积。

6.根据权利要求3所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述取样针为不锈钢制成，内径范围为60μm-600μm，外径范围为190μm-910μm。

7.根据权利要求1所述的高通量获取微量组织块的装置，其特征在于，所述定位部为滑移设置在所述气缸侧壁的滑台，所述滑台的底部开设有限位卡槽，所述气缸的活塞杆固定在所述限位卡槽内。

8.一种高通量获取微量组织块的自适应取样方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，取一个阵列底板，将取样针呈阵列分布插在阵列底板上，然后使用焊接胶将取样针固定在阵列底板上；

S2，对气缸供气进行调试，获取经验气压的最小值和最大值，为正式取样做准备；获取的具体步骤为：先从大到小改变气缸下端的供气气压，将取样成功时的供气气压作为经验气压的最大值，然后继续减小下端的供气气压，将取样针弯曲或取样针划开样本时的供气气压作为经验气压的最小值；当下端的供气气压减小到零时仍不能取样成功则停止下端供气，对气缸的上端进行供气，从零逐步增大上端的供气气压，将取样成功时的供气气压作为经验气压的最小值，然后继续增大上端的供气气压，将取样针弯曲或取样针划开样本时的供气气压作为经验气压的最大值；

S3，通过显微镜成像对样本的目标区域进行定位，以使所有取样针均位于目标区域内；

S4，从经验气压的最小值与最大值范围内选取一个经验气压为气缸供气，操作三维平移台去带动气缸前进，以使取样针匀速靠近样本，并保持气缸的供气恒定，取样针在样本的目标区域内进行正式取样，取样后气缸活塞杆回缩，然后带动滑台直线上升，以带动阵列底板和取样针直线离开样本；

S5，给推样口连接管道，向取样针内供气/供液，以将取样针内的组织推出。

9.根据权利要求8所述的高通量获取微量组织块的自适应取样方法，其特征在于，所述S1具体为：

S101，取两个相互垂直的光学玻璃，开设有对准孔的U型辅助孔板，将U型辅助孔板放置在其中一个光学玻璃的上表面；

S102，调节U型辅助孔板两侧等高，取一个开设有针孔的阵列底板，放置在U型辅助孔板的上表面；

S103，将取样针逐个插入针孔内，并使取样针穿过U型辅助孔板的对准孔、然后抵接在光学玻璃的上表面，以使阵列分布的取样针下表面齐平；

S104，使用焊接胶将取样针与阵列底板固定后，将阵列底板从U型辅助孔板上取出，安装在阵列固定件的下表面，使取样针齐平的一端位于阵列固定件外，另一端容纳在阵列固定件内。

10.根据权利要求9所述的高通量获取微量组织块的自适应取样方法，其特征在于，所述U型辅助孔板包括平板和位于平板两侧且螺纹连接在平板内的螺纹支柱，通过转动螺纹支柱来调节U型辅助孔板两侧等高，以使阵列底板与平板平行。

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