CN112708536B - 一种细胞分选装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种细胞分选装置，所述装置包括：微流控细胞分选单元以及基层单元，所述微流控细胞分选单元包括光纤光镊模块和分选模块，所述分选模块设有分选样品入口及鞘流通道，所述分选样品入口与所述鞘流通道的端口相连；鞘液与单细胞样品悬浮液的混合液自所述分选样品入口流入所述鞘流通道；所述光纤光镊模块发射激光提供散推力，使得所述混合液中不同直径的细胞在该鞘流通道中移动；所述鞘流通道设有细胞分选区，该细胞分选区设有多个细胞分选孔，沿所述混合液流动方向，所述细胞分选孔按照直径从小到大依序排布；所述基层单元设置在所述细胞分选区下方，用于接收完成分选后的细胞样品。

Description

一种细胞分选装置

技术领域

本发明涉及细胞筛选技术领域，具体涉及一种细胞分选装置。

背景技术

细胞的分选是现代医学不可或缺的一部分，随着光镊技术不断成熟，其和生物学结合的研究尤其是和细胞结合应用案例不断增多，但大多都是利用光镊物理性质单一地实现捕获、固定或者推离功能。目前市场上最常见的细胞分离技术是流式细胞分选，需要借助荧光染色标定。

但是，现有技术仍存在如下技术问题：

1.荧光染色标定会损伤目标细胞的特性甚至失活，不利于进一步研究；

2.现有光镊分选系统装置对技术要求较高，不利于实现。

因此，有必要提出一种技术方案来解决上述问题。

发明内容

为解决如上所述的技术问题，本发明提供一种细胞分选装置，本发明所采用的技术方案如下：

一种细胞分选装置，所述装置包括：微流控细胞分选单元以及基层单元，所述微流控细胞分选单元包括光纤光镊模块和分选模块，所述分选模块设有分选样品入口及鞘流通道，所述分选样品入口与所述鞘流通道的端口相连；鞘液与单细胞样品悬浮液的混合液自所述分选样品入口流入所述鞘流通道；所述光纤光镊模块发射激光提供轴向散射力，使得所述混合液中不同直径的细胞在该鞘流通道中移动，在同一时刻内通过该鞘流通道端口横截面上的样品细胞数量为一个；所述鞘流通道设有细胞分选区，该细胞分选区设有多个细胞分选孔，沿所述混合液流动方向，所述细胞分选孔按照直径从小到大依序排布；所述基层单元设置在所述细胞分选区下方，用于接收完成分选后的细胞样品。

优选的，所述光纤光镊模块包括激光器和第一单模光纤，所述第一单模光纤将该激光器发出的激光信号导入所述分选模块，垂直光轴方向的径向光梯度力将捕获微粒至光轴，此时在光轴方向上所述微粒将受到沿光传播方向的光散射力和指向焦点处的轴向光梯度力，所述第一单模光纤导入的激光信号的光轴方向沿所述混合液的流动方向指向所述混合液流经的第一个所述细胞分选孔。

优选的，所述细胞分选装置还包括光电传感器计数调控单元，所述光电传感器计数调控单元包括设置在每个所述细胞分选孔上方的第二单模光纤以及设置在该细胞分选孔下方的光电探测器；所述第二单模光纤与所述激光器连接导入激光，所述第二单模光纤导入的激光的光轴垂直于所述细胞分选孔所处平面，当细胞经过所述细胞分选孔时，在激光作用下细胞下沉，若细胞直径小于该细胞分选孔，该细胞落入该细胞分选孔，若该细胞直径大于该细胞分选孔，则该细胞遮挡激光，位于该细胞分选孔下方的所述光电探测器计数。

优选的，当所述细胞直径大于该细胞经过的所述细胞分选孔时，位于该细胞分选孔下方的所述光电探测器接收不到所述第二单模光纤引入的激光信号，该细胞分选孔上方的所述第二单模光纤暂停工作，所述细胞得以流到下一所述细胞分选孔。

优选的，所述第二单模光纤导入的激光直径大于该第二单模光纤对应的所述细胞分选孔直径。

优选的，所述第二单模光纤暂停工作的时间小于所述细胞通过两个所述细胞分选孔的时间间隔。

优选的，每个所述细胞分选孔的直径大小设计为仅能通过所述混合液中的一种细胞。

优选的，将提取的细胞样本按照稀释倍数为1：10000至1：30000稀释后形成所述单细胞悬浮液。

优选的，在所述分选样品入口和所述鞘流通道的端口处施加直流电压，电压比为1：1.2，使得在鞘流通道中形成单细胞流。

优选的，所述激光器功率为300MW，波长为1064nm。

采用本发明所提供的细胞分选装置，具有操作简便，自动化、无需标定，更不需染色、并不会破坏目标细胞的特性特征等优点。对细胞进行的无损研究提供了保证，便于分选后的细胞进行下一步研究。

附图说明

图1为细胞分选装置示意图；

图2为细胞分选装置侧面剖面图。

具体实施方式

下面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，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施方式都属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示的本发明提供的细胞分选装置，所述装置包括：微流控细胞分选单元以及基层单元，微流控细胞分选单元包括光纤光镊模块和分选模块，分选模块设有分选样品入口121及鞘流通道122，分选样品入口121与鞘流通道122的端口相连；鞘液与单细胞样品悬浮液的混合液自分选样品入口121流入鞘流通道122；光纤光镊模块发射激光提供轴向散射力，使得所述混合液中不同直径的细胞在鞘流通道122中移动，在同一时刻内通过该鞘流通道122端口横截面上的样品细胞数量为一个；鞘流通道122设有细胞分选区，该细胞分选区设有多个细胞分选孔123，沿所述混合液流动方向，细胞分选孔123按照直径从小到大依序排布；基层单元设置在所述细胞分选区下方，用于接收完成分选后的细胞样品。

如图2所示，基层单元设计有多个腔室，每个腔室对应上方的细胞分选孔123，使得细胞经过分选后可以在基层单元中分隔存储。

作为一种示例性实施方式，为了保证在鞘流通道122中形成大致均匀的单细胞流，可以在分选样品入口121和鞘流通道122的端口处施加直流电压，电压比为1：1.2，使得在鞘流通道122中形成单细胞流。

如图1所示，光纤光镊模块包括激光器111和第一单模光纤112，所述第一单模光纤112将该激光器111发出的激光信号导入分选模块，垂直光轴方向的径向光梯度力将捕获微粒至光轴，此时在光轴方向上所述微粒将受到沿光传播方向的光散射力和指向焦点处的轴向光梯度力，第一单模光纤112导入的激光信号的光轴方向沿所述混合液的流动方向指向所述混合液流经的第一个细胞分选孔123。

当所述混合液中的待分选细胞自分选样品入口121流入鞘流通道122，不同直径的细胞受第一单模光纤112导入的激光信号的轴向散射力的影响从而移动不同的距离，细胞所受的轴向散射力可通过公

式1来表示：

其中，P为激光从光纤端发出的功率,w为高斯光束束腰半径,r为细胞半径,x为细胞中心与光纤端面距离。

由公式1可知，细胞直径越大，细胞所受的轴向散射力越大，该细胞所移动的距离越远，从而实现了细胞分选。

本发明提供的细胞分选装置还包括光电传感器计数调控单元，光电传感器计数调控单元包括设置在每个细胞分选孔123上方的第二单模光纤301以及设置在细胞分选孔123下方的光电探测器302；第二单模光纤301与激光器111连接导入激光，第二单模光纤301导入的激光的光轴垂直于细胞分选孔123所处平面，当细胞经过细胞分选孔123时，在激光作用下细胞下沉，若细胞直径小于细胞分选孔123，该细胞落入细胞分选孔123，若该细胞直径大于细胞分选孔123，则该细胞遮挡激光，位于细胞分选孔123下方的光电探测器302计数。

当所述细胞直径大于该细胞经过的细胞分选孔123时，位于细胞分选孔123下方的光电探测器302接收不到第二单模光纤301引入的激光信号，细胞分选孔123上方的第二单模光纤301暂停工作，所述细胞得以流到下一细胞分选孔123。

第二单模光纤301导入的激光直径大于该第二单模光纤301对应的细胞分选孔123直径。

第二单模光纤301暂停工作的时间小于所述细胞通过两个细胞分选孔123的时间间隔。

每个细胞分选孔123的直径大小设计为仅能通过所述混合液中的一种细胞。

将提取的细胞样本按照稀释倍数为1：10000至1：30000稀释后形成所述单细胞悬浮液。

激光器111功率为300MW，波长为1064nm。

作为一种具体的实施方式，本发明所提供的细胞分选装置可以应用于贫血检测领域，其原理为：检测红细胞直径大小特征，其中，小红细胞直径<6μm,大红细胞直径>10μm,巨红细胞直径>15μm，计算异常红细胞数目，从而确定贫血类型。

其具体的检测方法如下：

应用现有技术把红细胞提取出来，稀释于稀释液中形成单细胞悬浮液，由于稀释倍数过低会造成细胞排队通过传感器的重合缺损，倍数过大，会影响检测精度，影响效率，因此，细胞样本的合理稀释倍数为1：10000至1：30000。

将所述单细胞悬浮液和鞘液的混合液自分选样品入口121流入鞘流通道122，在分选样品入口121和鞘流通道122的端口处施加直流电压，电压比为1：1.2，使得在鞘流通道122中形成单细胞流。

不同直径的红细胞受第一单模光纤导入的激光的轴向散射力的影响向细胞分选区移动，为了对细胞进行分选，在本具体实施方式中，设置在细胞分选区的细胞分选孔123数量为3个，沿所述单细胞悬浮液和鞘液的混合液流动方向，细胞分选孔123按照直径从小到大依序排布，其中，第一细胞分选孔123a直径为6μm，第二细胞分选孔123b直径为10μm，第三细胞分选孔123c直径为15μm。

当细胞经过第一细胞分选孔123a时，在该第一细胞分选孔123a上方第二单模光纤301a导入的激光作用下细胞下沉，若该细胞直径小于6μm，则该细胞通过第一细胞分选孔123a并被基层单元接收，若该细胞直径大于6μm，则细胞完全遮挡第一细胞分选孔123a，该第一细胞分选孔123a下方的第一光电探测器302a发生信号阶跃，同时暂停该第一细胞分选孔123a上方第二单模光纤工作，使得细胞可以继续前进。细胞经过后续细胞分选孔123时的工作原理同上。

如图2所示，在本示例性实施例中，设置在第一细胞分选孔123a上方的是第二单模光纤301a，设置在第一细胞分选孔123a下方的是第一光电探测器302a；

设置在第二细胞分选孔123b上方的是第二单模光纤301b，设置在第二细胞分选孔123b下方的是第二光电探测器302b；

设置在第三细胞分选孔123c上方的是第二单模光纤301c，设置在第三细胞分选孔123c下方的是第三光电探测器302c。

因此，当应用本装置对人体红细胞进行检测时会出现以下5种情形：

a)全为小红细胞(直径<6um)通过系统时，302a，302b,302c均无阶跃，此时三个孔中的光电探测器可以读到的读数为0，0，0。

b)无贫血正常人的红细胞(直径6—9um)通过系统时，302a阶跃，302b无阶跃，302c无阶跃，此时三个孔中的光电探测器可以读到的读数为1，0，0。

c)全为大红细胞(直径>10um)通过系统时，302a阶跃，302b阶跃，302c无阶跃，此时三个孔中的光电探测器可以读到的读数为1，1，0。

d)全为巨红细胞(直径>15um)通过系统时，302a,302b,302c均阶跃，此时三个孔中的光电探测器可以读到的读数为1，1，1。

根据上述分析，可以做成只统计细胞种类，此时可以将待测的细胞组在不控制时间的情况下通过本发明系统，若该组细胞均有分布(直径在每个区间都有)通过系统时，302a,302b,302c均阶跃，但三个孔阶跃前后时间均不同，表现随机，有多种匹配情况的信号表现。根据信号表现，可以知道该细胞组中是否存在大红细胞或巨红细胞。

若除了对细胞种类需要分析之外，还需要统计每种细胞的数量，则可以让细胞在周期间隔下，依次逐个通过本发明的系统，且该周期应至少大于单个细胞通过整个系统的最大时间，此时，根据获取到的各个孔的计数情况，可以知道每种细胞的数量，比如信号表现为111的次数为5，则可以知道该组细胞中，巨红细胞的数量为5。

根据以上情形，若全为小红细胞，则可判定为缺铁性贫血、亚急性或慢性炎症、地中海贫血、铁粒幼红细胞性贫血，若全为大红细胞，则可判定为营养性巨幼红细胞性贫血、妊娠期巨幼红细胞性贫血、恶性贫血、肝脏病、红白血病、胃切除术后、某些溶血性贫血、再生障碍性贫血。若全为巨红细胞及以上，则可判定为巨幼红细胞性贫血、恶性贫血。若红细胞大小不等，即每种直径红细胞都有分布，则可判定为巨幼细胞性贫血、缺铁性贫血、地中海贫血、溶血性贫血、骨髓纤维化。此方法为客观判定，原理简单可靠。不需要依赖医生的主观观察，主观经验定义。为检查过程节约了大量时间。

尽管为示例目的,已经公开了本发明的优选实施方式,但是本领域的普通技术人员将意识到,在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下,各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (7)

1.一种细胞分选装置，其特征在于，所述装置包括：微流控细胞分选单元以及基层单元，所述微流控细胞分选单元包括光纤光镊模块和分选模块，所述分选模块设有分选样品入口及鞘流通道，所述分选样品入口与所述鞘流通道的端口相连；鞘液与单细胞样品悬浮液的混合液自所述分选样品入口流入所述鞘流通道；所述光纤光镊模块发射激光提供轴向散射力，使得所述混合液中不同直径的细胞在该鞘流通道中移动，在同一时刻内通过该鞘流通道端口横截面上的样品细胞数量为一个；所述鞘流通道设有细胞分选区，该细胞分选区设有多个细胞分选孔，沿所述混合液流动方向，所述细胞分选孔按照直径从小到大依序排布；所述基层单元设置在所述细胞分选区下方，用于接收完成分选后的细胞样品；所述轴向散射力包括沿光传播方向的光散射力和指向焦点处的轴向光梯度力；

所述光纤光镊模块包括激光器和第一单模光纤，所述第一单模光纤将该激光器发出的激光信号导入所述分选模块，垂直光轴方向的径向光梯度力将捕获微粒至光轴，此时在光轴方向上所述微粒将受到沿光传播方向的光散射力和指向焦点处的轴向光梯度力，所述第一单模光纤导入的激光信号的光轴方向沿所述混合液的流动方向指向所述混合液流经的第一个所述细胞分选孔；

所述细胞分选装置还包括光电传感器计数调控单元，所述光电传感器计数调控单元包括设置在每个所述细胞分选孔上方的第二单模光纤以及设置在该细胞分选孔下方的光电探测器；所述第二单模光纤与所述激光器连接导入激光，所述第二单模光纤导入的激光的光轴垂直于所述细胞分选孔所处平面，当细胞经过所述细胞分选孔时，在激光作用下细胞下沉，若细胞直径小于该细胞分选孔，该细胞落入该细胞分选孔，若该细胞直径大于该细胞分选孔，则该细胞遮挡激光，位于该细胞分选孔下方的所述光电探测器计数；

当所述细胞直径大于该细胞经过的所述细胞分选孔时，位于该细胞分选孔下方的所述光电探测器接收不到所述第二单模光纤引入的激光信号，该细胞分选孔上方的所述第二单模光纤暂停工作，所述细胞得以流到下一所述细胞分选孔。

2.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其特征在于：所述第二单模光纤导入的激光直径大于该第二单模光纤对应的所述细胞分选孔直径。

3.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其特征在于：所述第二单模光纤暂停工作的时间小于所述细胞通过两个所述细胞分选孔的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其特征在于：每个所述细胞分选孔的直径大小设计为仅能通过所述混合液中的一种细胞。

5.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其特征在于：将提取的细胞样本按照稀释倍数为1：10000至1：30000稀释后形成所述单细胞样品悬浮液。

6.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其特征在于：在所述分选样品入口和所述鞘流通道的端口处施加直流电压，电压比为1：1.2，使得在鞘流通道中形成单细胞流。

7.根据权利要求2所述的细胞分选装置，其特征在于：所述激光器功率为300MW，波长为1064nm。

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