CN110926853B

CN110926853B - 一种适用于切片的微区定位自适应取样装置及取样方法

Info

Publication number: CN110926853B
Application number: CN201911258880.1A
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 袁菁; 韩雨彤; 龚辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2039-12-10
Also published as: CN110926853A

Abstract

本发明提供了一种适用于切片的微区定位自适应取样装置及取样方法，涉及切片取样的技术领域。包括S1，调节活塞杆位于最低点；S2，在样本的非目标区域试取样；S3，从大到小提供气缸下端的供气气压，重复进行试取样；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，并从小到大提供气缸上端的供气气压；记录取样针在取样成功到取样针弯曲范围内的供气气压，作为经验气压的选取范围。S4，选取一个经验气压为气缸供气并保持恒定，对同类样本进行取样。通过试取样获得经验气压范围；针对这一类样本，该范围内的供气气压均能取样成功且能保护取样针，无需传感器感应，气缸回缩更加灵敏，取样的成功率大幅提高。

Description

一种适用于切片的微区定位自适应取样装置及取样方法

技术领域

本发明涉及切片取样的技术领域，特别涉及一种适用于切片的微区定位自适应取样装置及取样方法。

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技术有三大类，一种是手动戳取，一种是通过负压吸吮技术取样，另一种是通过激光切割技术来取样。其中，手动戳取的方式无法精确控制戳取时的受力，取样结果不可控。激光切割技术利用紫外光或者红外光对组织进行切割，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。负压吸吮技术则只能对新鲜/冰冻脑组织切片进行取样，对于细胞之间胶黏力过大的组织切片取样困难，且取样过程中容易导致目标破碎。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于切片的微区定位自适应取样装置及取样方法，以解决现有技术中对生物切片样本进行取样时取样针的戳取力不易把控而导致取样成功率低的问题。

一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，包括样本台、取样针、带动所述取样针柔性前进或回缩的气缸、带动气缸纵向移动的三维平移台，采用以下步骤进行取样：

S1，准备：对气缸供气，使活塞杆位于气缸内的最低点，并保持平衡；

S2，试取样：三维平移台带动气缸匀速靠近样本，并保持气缸的供气恒定，在样本的边缘非目标区域上进行试取样，结束后使活塞杆回到最低点，并通过显微镜成像或观察试取样后的样本，以判断是否取样成功；

S3，调试经验气压：从大到小提供气缸下端的供气气压，重复进行试取样，记录取样针在取样成功到取样针弯曲范围内的供气气压，作为经验气压的选取范围；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，并从小到大提供气缸上端的供气气压；记录取样针在取样成功到取样针弯曲范围内的供气气压，作为经验气压的选取范围；

S4，重复取样：选择与S2中使用的同类样本，通过显微镜成像对样本的目标区域进行定位，做好S1的准备操作，选取一个经验气压为气缸供气并保持恒定，对同类样本进行取样。

上述技术方案中，通过在一类样本切片的非目标区域进行试取样，使用不同的供气气压来进行，并在显微镜的配合下，获得试取样成功到取样针即将弯曲时候的所有供气气压值，作为经验气压的选取范围；针对这一类样本的正式取样，在该范围内的所有供气气压值中可随意选取一个为气缸供气，均能达到取样成功且能保护取样针的目的，且无需传感器感应，气缸的回缩更加灵敏，极大地提高了取样的成功率，成本更低，适合大批量的重复取样需求。

进一步地，S3中从大到小提供气缸下端的供气气压时，气缸活塞杆的重力为G，静摩擦力为f，下端的供气气压为Fp，取样针在样本内受到的阻力为F_s，F_s逐渐增大；

当F_s+Fp≤G+f_max时，取样针为匀速前进，与三维平移台保持相对静止；

当F_s+Fp≥G+f_max后，取样针在样本内的速度减为零，停止前进，然后反向加速，开始回缩。

进一步地，S3中从小到大提供气缸上端的供气气压时，气缸活塞杆的重力为G，静摩擦力为f，上端的供气气压为Fp，取样针在样本内受到的阻力为F_s，F_s逐渐增大；

当F_s≤G+f_max+Fp时，取样针为匀速前进，与三维平移台保持相对静止；

当F_s≥G+f_max+Fp后，取样针在样本内的速度减为零，停止前进，然后反向加速，开始回缩。

进一步地，重复取样过程中，三维平移台带动取样针进入样本内，当取样针贯穿样本时，三维平移台停止前进。

进一步地，取样针包括内径和外径，S4中定位的具体操作为：

先调节好取样针在照明视场的中央，通过显微镜观察或成像，来移动样本台，使得样本台上样本的目标区域位于取样针的内径中。

一种适用于切片的微区定位自适应取样装置，包括样本台、取样针、气缸、三维平移台，气缸固定在三维平移台的侧壁，三维平移台带动气缸纵向移动，取样针安装在气缸活塞杆的底部，气缸的上端和下端均通过气管供气，上端的气管安装有电磁阀，下端的气管安装有减压阀，上端与下端的气管均安装有气压表。

进一步地，所述取样针用于对样本取样，所述样本收集在载玻片或胶带上。

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190μm-910μm。

进一步地，所述取样针为内径0.45mm-0.89mm、外径1.5mm的硅硼酸玻璃管拉制而成，拉制后的取样针尖端内径为10μm-40μm。

进一步地，所述取样针通过连接块安装在活塞杆的底部，所述连接块侧壁开设有供气口，每一次取样结束后，通过供气口对取样针进行供气，把取样针内的样本推出。

附图说明

图1为适用于切片的微区定位自适应取样装置的下端供气结构示意图；

图2为适用于切片的微区定位自适应取样装置的上端供气结构示意图；

图3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4为取样过程中下端供气时的受力分析图；

图5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6为取样过程中上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为通过显微镜对肝脏组织切片的定位结果图；

图9为通过四种方法对肝脏组织切片的取样结果图。

其中，1、样本台；2、取样针；3、连接块；4、三维平移台；5、气缸；6、气压表；7、电磁阀；8、减压阀；

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适用于切片的微区定位自适应取样装置，包括样本台1、取样针2、气缸5、三维平移台4。气缸5固定在三维平移台4的侧壁，通过三维平移台4带动气缸5纵向移动，气缸5活塞杆的底部卡接有连接块3，取样针2安装在连接块3上，通过活塞杆在气缸5内的伸缩带动取样针2柔性前进或回缩。取样针2内部中空，可以是内径范围为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；也可以是尖端内径为10μm-40μm玻璃取样针2，通过内径0.45mm-0.89mm，外径1.5mm的硅硼酸玻璃管拉制而成，根据所需的内径拉制长度不等，玻璃取样针2取样时，每个取样针2内为单个目标细胞。连接块3的侧壁开设有供气口，供气口与取样针2之间连通，当取样结束后，通过对供气口供气把取样针2内的样本推出。

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，样本被收集在载玻片后胶带上，然后放置在样本台1上，通过样本台1的移动来实现对样本的位置调整。

气缸5的活塞杆将气缸5的内部腔室分为上端与下端，气缸5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5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5的上端停止供气，调节减压阀8，实现对气缸5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2，当取样过程中对气缸5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5的下端停止供气，调节减压阀8，实现对气缸5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5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

本实施例公开了一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，包括以下步骤：

S1，准备：参照图1，将电磁阀7安装在气缸5上端的气管上，将减压阀8安装在气缸5下端的气管上，打开电磁阀7，对气缸5上端进行供气，让活塞杆位于气缸5内的最低点；关闭电磁阀7，调节减压阀8并观察气缸5活塞杆，让气缸5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。

S2，试取样：三维平移台4带动气缸5匀速靠近样本，并保持气缸5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5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。

S3，调试经验气压：整个调试过程中的供气随调试次数的变化如图3所示，从S1中的初始值开始，在图1所示的装置中通过调节减压阀8来从大到小改变气缸5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5活塞杆受下端供气气压所产生的力为Fp。参照图4中(a)，当取样针2进入到样本内之前，力Fp与活塞杆的重力G、静摩擦力f仍旧保持平衡：Fp＝G+f，此时，取样针2为匀速前进，与三维平移台4保持相对静止。

参照图4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+Fp＝G+f，其静摩擦力向下且逐渐增至最大，直到F_s+Fp≤G+f_max，取样针2一直匀速前进，与三维平移台4保持相对静止。

参照图4中(c)，当F_s+Fp≥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4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5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5上端和下端的气管进行更换，使电磁阀7连接到气缸5的下端，减压阀8换到气缸5的上端，更换后的装置如图2所示。电磁阀7保持常闭，下端不供气，调节减压阀8对气缸5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5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5活塞杆受上端供气气压所产生的力为Fp，活塞杆静摩擦力f向上，活塞杆位于气缸5底部受到的支撑力为F_d，参照图6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4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+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+Fp，取样针2一直为匀速前进，与三维平移台4保持相对静止。

参照图6中(c)，当F_s≥G+f_max+Fp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7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S3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Fp来控制回缩时的Fs阈值，当取样针2与样本之间的阻力达到阈值时，气缸5活塞杆可快速回缩，不会出现感应延迟划伤样本等现象。

S4，重复取样：选择S2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，通过显微镜的观察或成像来移动样本台1，使样本的目标区域位于取样针2的正下方，从而进行定位。如图8所示，是对肝脏组织切片中的巨噬细胞进行定位，取样针2为不锈钢材质，内径为60μm、外径为260μm，定位后的细胞团位于取样针2的内径中。

调节电磁阀7和减压阀8，使活塞杆位于气缸5内的最低点，从S3获得的经验气压范围内选取一个经验气压为气缸5供气并保持恒定，从而可对所有同类的样本进行取样，实现重复取样。通过S3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：下端供气7kPa-13kPa。

然后选取内径为60μm、外径为260μm的不锈钢取样针2，分别使用四种方法对肝脏组织切片进行取样，获取肝脏中的巨噬细胞。参照图9中A，是使用-31kPa的现有负压技术进行吸引取样的结果，由于负压导致的吮吸，取样结果不是一个标准圆，还带起了周围组织；图9中B，是使用较大的力手动戳取的结果，由于切片样本下方存在载玻片或胶带，戳取力过大时取样针2会发生弹性形变而弯曲，取样结束后复位的过程中，取样针2划开组织，造成取样区域过大；图9中C，是使用较小的力手动戳取的结果，取样针2并未卡断组织，只在组织上留下一圈针印；图9中D，是使用本发明的装置与取样方法，在7kPa-13kPa的范围内选取10kPa为气缸5下端供气进行取样的结果，取样针2内的组织被完全取出来了。

针对同一类的样本，在一个样本的非目标区域进行试取样后，获得经验气压的选取范围，即可在该类所有样本的正式取样过程中，选取一个经验气压来进行取样，既能提高同类样本取样的成功率，还能保护取样针，延长使用寿命，能满足批量取样的需求。

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

1.一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，其特征在于，包括样本台、取样针、带动所述取样针柔性前进或回缩的气缸、带动气缸纵向移动的三维平移台，采用以下步骤进行取样：

2.根据权利要求1所述的一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，其特征在于，S3中从大到小提供气缸下端的供气气压时，气缸活塞杆的重力为G，静摩擦力为f，下端的供气气压为Fp，取样针在样本内受到的阻力为F_s，F_s逐渐增大；

3.根据权利要求1所述的一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，其特征在于，S3中从小到大提供气缸上端的供气气压时，气缸活塞杆的重力为G，静摩擦力为f，上端的供气气压为Fp，取样针在样本内受到的阻力为F_s，F_s逐渐增大；

4.根据权利要求1所述的一种适用于切片的微区定位自适应取样方法，其特征在于，取样针包括内径和外径，S4中定位的具体操作为：

5.一种适用于切片的微区定位自适应装置，其特征在于，包括样本台、取样针、气缸、三维平移台，气缸固定在三维平移台的侧壁，三维平移台带动气缸纵向移动，取样针安装在气缸活塞杆的底部，气缸的上端和下端均通过气管供气，上端的气管安装有电磁阀，下端的气管安装有减压阀，上端与下端的气管均安装有气压表。

6.根据权利要求5所述的适用于切片的微区定位自适应装置，其特征在于，所述取样针用于对样本取样，所述样本收集在载玻片或胶带上。

7.根据权利要求5所述的适用于切片的微区定位自适应装置，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。

8.根据权利要求5所述的适用于切片的微区定位自适应装置，其特征在于，所述取样针为内径0.45mm-0.89mm、外径1.5mm的硅硼酸玻璃管拉制而成，拉制后的取样针尖端内径为10μm-40μm。

9.根据权利要求7或8所述的适用于切片的微区定位自适应装置，其特征在于，所述取样针通过连接块安装在活塞杆的底部，所述连接块侧壁开设有供气口，每一次取样结束后，通过供气口对取样针进行供气，把取样针内的样本推出。