CN111638174B - 一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流动室 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流式细胞仪领域，具体涉及一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流动室。鞘液流动室包括负压排气泡孔，样本进样口，鞘液进样口，鞘流产生区域，传感器探测区域，观测区域和密封腔体；通过控制鞘液流速和检测区直径，使得鞘液流动室的核流宽度在0.1mm到1mm之间。本发明利用流体动力学中层流状态的液体具有层状轴向运动的特性，使样本液被鞘液包裹实现斑马鱼的运载；本申请通过控制鞘液流速和检测区直径，使其适用于0.1mm到1mm的大颗粒运载的鞘液流动室，为进一步对样本进行自动化观察筛选提供样本聚焦途径，从而解决人工筛选等繁琐流程。
Description
技术领域
本发明属于流式细胞仪领域，具体涉及一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液 流动室。
背景技术
毫米级大颗粒如斑马鱼、凝胶、花粉。而对其样本的筛选现阶段还停留在人 工手动筛选的过程中。以斑马鱼为例，斑马鱼作为常用的模式动物在遗传发育研 究和药物筛选中具有重要应用。
在现有的鞘液流动室设计中，主要都是针对流式细胞仪的设计，其聚焦宽度 较小不能够满足微小动物要求。一种流式细胞仪鞘液流动室，授权公告号CN 204903352U通过优化鞘液进入注入方式来减少紊流的产生，使其更易形成层流。 而针对于微小模式动物其体积较大，涉及的样品观测区域，只要保证样品较为准 确的居于焦面位置即可，沿光轴面的少量平移，都可以使样品位于照明区域，可 以正常的成像。
一种提高流式细胞仪层流稳定性的双鞘液流动室，授权公告号CN 016932341A通过采用双鞘液流动室以增加流体聚焦位置精度。从针对于微小模 式动物样本来说，只要保证样品较为准确的居于焦面位置即可。
但是上述鞘液流动室只能用于细胞的筛选的分析，不能满足微小动物的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流动室。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流 动室，通过控制鞘液流速和检测区直径，使得鞘液流动室的核流宽度在0.1mm 到1mm之间。
进一步的，所述鞘液流动室包括负压排气泡孔，样本进样口，鞘液进样口， 鞘流产生区域，传感器探测区域，观测区域和密封腔体；
所述鞘液进样口设置在样本进样口的一侧，且与其呈90°设置，所述负压排 气泡孔设置在样本进样口的侧面；所述样本进样口下方依次设置鞘流产生区域、 传感器探测区域和观测区域，所述传感器探测区域和观测区域设置在密封腔体内。
进一步的，所述鞘液流速为25mm/s～50mm/s，所述检测区直径为2～3mm。
进一步的，所述样本进样口直径为1.5～2mm，所述鞘液进样口直径为 6～8.5mm。
进一步的，所述样本进样口内接进样针。
进一步的，所述进样针为不锈钢进样针。
进一步的，所述负压排气泡孔的直径为1.5～2.5mm，所述进样针长度为 35.7～38.5mm，所述鞘液产生区域的夹角为60°～120°，所述鞘液产生区域的出 口为2x1.3～2x3mm2的方形；所述鞘液进样轴线到鞘流夹角距离为18～30mm，传 感器探测区域距聚焦出口距离为3～9mm，观测区距聚焦出口距离为22～30mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明利用流体动力学中层流状态的液体具有层状轴向运动的特性，使样本 液被鞘液包裹实现斑马鱼的运载；本申请通过控制鞘液流速和检测区直径，使其 适用于0.1mm到1mm的大颗粒运载的鞘液流动室，为进一步对样本进行自动化观察筛选提供样本聚焦途径，从而解决人工筛选等繁琐流程。
附图说明
图1为本发明的流动室结构图。
图2为流动室中的聚焦原理图。
图3为本发明流动室鞘流流体分布图。
图4为本发明流动室样品流流体分布图。
图5为本发明样品流与鞘流截面分布图。
图6为本发明的核流宽度与鞘流速度关系图。
图7为本发明的核流宽度与鞘流速度关系图。
图8为本发明的核流宽度与鞘流入口直径关系图。
图9为本发明的核流宽度与鞘流检测区直径关系图。
附图标记说明：
1-负压排气泡孔，2-样本进样口，3-鞘液进样口，4-鞘流产生区域，5-传感 器探测区域，6-观测区域，7-密封腔体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流动室，为单侧进样方式， 鞘液进样与样本进样90°夹角的方式，通过增加样本进样出口位置与鞘液进样位 置的距离，来减小液流转向的冲击。
所述鞘液流动室包括负压排气泡孔1，样本进样口2，鞘液进样口3，鞘流 产生区域4，传感器探测区域5，观测区域6和密封腔体7；
所述鞘液进样口3设置在样本进样口2的一侧，且与其呈90°设置，所述负 压排气泡孔1设置在样本进样口2的侧面；所述样本进样口2下方依次设置鞘流 产生区域4、传感器探测区域5和观测区域6，所述传感器探测区域5和观测区 域6设置在密封腔体7内。
鞘流流动室用于聚焦样品，实现样品在视场内的对中，是液流系统中个的关 键部件。对流动室的设计需综合考虑液流的设计速度及机械外形的影响。
鞘流技术是利用了流体动力学中层流状态的液体具有层状轴向运动的特性， 使样本液被鞘液包裹实现斑马鱼的运载。液体的流动状态可用无量纲参数雷诺数 Re来判断，公式如下：
其中：v为液体的平均流速(m/s)，η为液体的运动粘度(m2/s)，d为截面 等效直径(m)。通常认为Re<2300时，液体处于层流状态。
根据液体流动伯努利方程：
其中v为液体中任意一点的流速，P为该点压强，H为该点相对于参考点的 高度差，C为常数。
由于流动池相对于系统来说尺寸较小，可以忽略高度差H的影响，压力P 恒定时鞘液和样本液的流速恒定，流动室内层流状态以及核流宽度保持稳定。
流动室中的聚焦原理如图2所示，样本液从入口Db处流入，经两侧鞘液的 挤压形成宽度为b的核流，由质量守恒定律可知(不考虑三维结构，只考虑这个 二维截面，三维结构的结论与此相似)：
Vb*Db＝Vd*b
鞘液和样本液由质量守恒定律可得出：
其中，Ve为出口处流体的平均速度，ρe为流体出口处平均密度。
由于流体必须处于层流状态才能实现鞘流，D处的流速剖面成抛物线分布， 公式如下：
Vd＝Vmax＝1.5Ve
从而得到流体聚焦后核流宽度公式：
从上述公式可以看出样本液的聚焦宽度与鞘液和样本液的流速比、样本入口 直径、鞘液入口直径、检测区(即鞘流出口)直径等参数有关。在鞘液流速与样 本流速比值一定，鞘液入口直径和样本入口直径比值一定时，出口直径越大核流 宽度越大。
设定样本液进样的流量为0.1ml/s，鞘液进样的流量为0.9ml/s，通过上述的 理论公式计算(二维的与三维计算有一定偏差但不大)核流的宽度为：
其中假定样本液和鞘液密度一样，且只有一个鞘液进样口，ρa＝ρb＝ρe， Va＝31.8mm/s，Vb＝31.8mm/s，Da＝6mm，Db＝2mm，D＝2.54mm(出 口等效直径)，得出核流直径b＝0.42mm。
如图3-5所示，利用SolidWorks Flow Simulation进行，为了便于观测鞘流聚 焦后的效果，设置鞘液与样本液密度不同，样本液密度设定为1100kg/m3，鞘液 密度设定为1000kg/m3。
i.探究鞘液流速对核流宽度的影响
为了探究鞘液流速对样本聚焦直径的影响，在保持其它条件不变的前提下， 作为变量额鞘液流速的变化范围为(25mm/s～50mm/s)，对这六组实验进行仿真 分析，仿真核流宽度结果整理如图7，通过图7可知，核流聚焦宽度随着鞘流速 度的增大而减小，仿真结果与理论计算仿真的误差范围为(5.5％～14.1％)其中 误差在15％代表仿真已经与理论差距在可接受范围之内。还有一个仿真的现象， 随着鞘流速度的增大，在观察区位置的聚焦轴线位置越来越偏离鞘液进样口方向。
ii.探究样本入口直径对核流宽度的影响
为了探究样本流入口直径对核流宽度的影响，在保持其它条件不变的前提下， 作为变量的样本流入口直径变化范围为(1.5～2mm)，在此变量范围内对其进行仿真分析，仿真结果整理如图8所示。从图8可以看出，核流的宽度随着样本入 口直径的增大而增大，仿真结果与理论计算结果的误差范围为(1.1％～6.8％)， 误差结果在可接受范围之内，仿真结果趋势与理论计算结果基本一致。
iii.探究鞘液入口直径对核流宽度的影响
为了探究鞘液入口直径对核流宽度的影响，在保持其它条件不变的前提下， 作为变量的鞘液入口直径的变化范围为(6～8.5mm)，在此取六组进行仿真分析， 仿真结果整理如图9所示。通过结果图看出，核流宽度随着鞘液入口直径的增大 而减小，仿真结果与理论计算的结果误差范围为(0.6％～5％)，仿真结果与理论 结果十分接近，验证了鞘液入口直径与河流宽度之间关系的准确性。
iv.探究检测区直径对核流宽度的影响
为了探究检测区直径对核流宽度的影响，在保持其它条件不变的前提下，作 为变量的检测区直径的变化范围为(2～3mm)，在此变量范围内进行六组仿真， 仿真结果整理如图9所示。从上图可以看出，核流的宽度随着检测区直径的增大 而增大，仿真结果与理论计算结果的误差范围为(0.4％～6.4％)，误差结果在可 接受范围之内，仿真结果趋势与理论计算结果基本一致。
正交实验
为了探究上节四个影响因素对核流宽度影响程度及哪个因素影响更明显，为 从结构参数上优化流动室提供理论指导依据，进行上述四因素设计正交实验。本 次正交实验采用4因素4水平正交实验表，各参数的取值范围如下：
表1 参数取值范围
| 参数名称 | 取值范围 |
| 鞘液流速 | 25～40mm/s |
| 样本入口直径 | 1.7～2mm |
| 检测区直径 | 2～2.6mm |
| 鞘液入口直径 | 6～7.5mm |
在下面的正交实验表中K1代表第一水平所在的实验中对应的聚焦直径之和， K2、K3、K4依次为上述四个因素的第2水平、第3水平和第4水平所在的实验 中对应的核流宽度之和，L1、L2、L3、L4每行的每个数依次是K1、K2、K3、K4每 行的每个数的均值即(K/4)；极差是L1、L2、L3、L4每一列中最大值和最小值 的差值。极差值得大小可以判断实验的因素水平的改变对实验评价指标的影响大 小，极差值越大，说明那一列所在的因素对实验结果产生的影响越大，极差值最 大，则那一列所在的因素就是影响实验评价指标最重要的因素，从而可以用来理 论上知道流动室结构参数的优化。
表2 正交实验表
通过上表可知，鞘液流速对最终核流宽度的影响最大，其次是检测区直径， 鞘液入口直径和样本入口直径相对较小。通过分析可知在流动室结构中，主要是 控制鞘液流速和检测区直径来决定核流的宽度。在流动室的结构上主要优化检测 区直径，目前优化到2mm比较好(针对斑马鱼0.6-0.8mm直径)。
Claims (1)
1.一种适用于毫米级大颗粒运载的鞘液流动室，其特征在于，通过控制鞘液流速和检测区直径，使得鞘液流动室的核流宽度在0.1mm到1mm之间；
所述鞘液流动室包括负压排气泡孔（1），样本进样口（2），鞘液进样口（3），鞘流产生区域（4），传感器探测区域（5），观测区域（6）和密封腔体（7）；
所述鞘液进样口（3）设置在样本进样口（2）的一侧，且与其呈90°设置，所述负压排气泡孔（1）设置在样本进样口（2）的侧面；所述样本进样口（2）下方依次设置鞘流产生区域（4）、传感器探测区域（5）和观测区域（6），所述传感器探测区域（5）和观测区域（6）设置在密封腔体（7）内；
所述鞘液流速为25mm/s~50mm/s，所述检测区直径为2~3mm；
所述样本进样口直径为1.5~2mm，所述鞘液进样口直径为6~8.5mm；
所述样本进样口（2）内接进样针；所述进样针为不锈钢进样针；所述负压排气泡孔（1）的直径为1.5~2.5mm，所述进样针长度为35.7~38.5mm，所述鞘流产生区域的夹角为60°~120°，所述鞘流产生区域的出口为2x1.3~2x3mm²的方形；鞘液进样轴线到鞘流夹角距离为18~30mm，传感器探测区域距聚焦出口距离为3~9mm，观测区距聚焦出口距离为22~30mm。
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