CN114870913B - 一种集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成弹性‑惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件及系统，涉及微流控技术领域，解决了现有检测需要对细胞进行预处理、耗时长、限制检测通量、检测方式鲁棒性不强及适用范围有限的技术问题，其技术方案要点是采用集成弹性‑惯性聚焦的方法，有效实现各类细胞的单列聚焦；同时利用流体压力实现细胞形变，细胞变形更明显；采用虚拟流道控制宽度，实现了宽流道内力度可调节，适用于不同尺寸细胞的剪切变形，且不容易产生堵塞；通过细胞机械性能差异来鉴别，检测后细胞较利用生物分子标记物来鉴别具有更高的生物活性。
Description
技术领域
本申请涉及微流控技术领域，尤其涉及一种集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件及系统。
背景技术
细胞的力学性能主要表明其在外力作用下变形或抵抗变形的能力，细胞力学性能的评估可能提供一种新的方法来表征内部细胞成分(例如细胞膜、细胞骨架、细胞核和细胞器)的变化。细胞机械性能的变化也与细胞的生理功能(如白细胞活化、干细胞多能性和分化)和疾病过程(如病毒感染、癌症、白血病和镰状细胞贫血)密切相关。迄今为止，基于对施加外力的时间分辨响应的评估，已经出现了各种机械表型技术，例如原子力显微镜、光学拉伸、微吸管抽吸、平行板流变学和微流控变形性细胞计等。这些方法在诱导变形所需的力类型或大小上有所不同，并且可以提取细胞在弹性模量、粘度、硬度、松弛时间和其他因素方面的机械特性。
然而，对于循环肿瘤细胞的鉴定与表征通常仍采用传统的分析手段，如免疫细胞学、流式细胞术和核酸检测技术等。这些方法均以生物分子标记物为分析对象，不仅影响细胞活性，而且无法实现不表达特定分子标记物的细胞检测，如部分肿瘤细胞在转移过程中可能发生上皮间充质转化而丢失上皮细胞标志物。此外，这些方法还存在操作复杂、检测效率低、通量小以及不易集成等共同缺点。
发明内容
本申请提供了一种集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件及系统，其技术目的是基于微流控技术的细胞机械性能表征和检测方法，解决现有检测需要对细胞进行预处理、耗时长、限制检测通量、检测方式鲁棒性不强及适用范围有限等问题。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件，包括样品入口，所述样品入口下方连通预聚焦流道的一端，所述预聚焦流道的另一端连通变形性检测流道的一端，所述变形性检测流道的两侧都设有鞘液入口和支路流道，每侧的所述鞘液入口与所述支路流道连通，所述支路流道与所述变形性检测流道连通；所述变形性检测流道的另一端连通分流通道，所述分流通道包括两侧支路和中间支路，所述两侧支路远离所述变形性检测流道的汇合处连通第一出口，所述中间支路远离所述变形性检测流道的一端连通第二出口。
进一步地，为了使大于相应尺寸的杂质流经时将被捕获，减少流道堵塞的风险，所述样品入口设置有过滤筛，所述过滤筛由两种大小且等距排列的微柱阵列组成，分别对杂质进行初筛和细筛。
进一步地，为了使细胞能够在预聚焦流道内实现单列聚焦，所述预聚焦流道为正弦流道，该正弦流道横截面呈高度与宽度的比值为1/2～1/4的矩形，该正弦流道横截面的截面高度为为20～30μm，截面宽度为40～120μm。为达到更好的聚焦效果，样品液为粘弹性溶液，成分为0.01％～1％的PEO溶液或HA溶液。
进一步地，为了使聚焦成单列的细胞束进入检测流道，进而产生变形，所述变形性检测流道横截面呈高度与宽度的比值为1/5～1/10的矩形，该变形性检测流道横截面的截面高度与预聚焦流道横截面的截面高度相等，截面宽度为100～300μm。变形性检测流道两侧为鞘液的支路流道，支路流道与所述变形性检测流道的夹角为15°～75°。高粘性的鞘液由鞘液入口经过支路流道汇入变形性检测流道，形成可调节的虚拟壁面(即虚拟流道)，虚拟流道横截面的截面高度与预聚焦流道横截面的截面高度相等，截面宽度与所测细胞直径的关系为：所测细胞直径为截面宽度的50％～90％。
为提高分流后细胞的回收率，所述分流通道的两侧支路和中间支路的宽度比为1.5～5。出口包含样品出口和废液出口，分流通道的中间支路连通样品出口，两侧支路连通废液出口。
一种包括如上所述的集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件的微流控系统，该微流控系统还包括注射器、照明装置、图像拍摄装置和PC机，所述注射器与所述样品入口连接，所述照明装置设在所述变形性检测流道上方，所述图像拍摄装置设在所述变形性检测流道下方，所述图像拍摄装置和所述PC机连接。
注射器将样品液注入样品入口，流体经过微流控器件处理，图像拍摄装置拍摄到变形的细胞后将图像传输到PC机中。基于PC机视觉的卷积神经网络实现了细胞变形性的高通量检测且检测后细胞仍具有高活性，机器学习模型对各类细胞进行有效表征和鉴别。
本申请的技术原理在于：样品液以特定流速由样品入口注入，经过过滤筛筛选后进入正弦流道内。因弯曲流道内中心线附近流体较壁面附近流体具有更高的流速，在离心力和径向压力梯度不平衡的作用下向外流动；由于封闭流道内的质量守恒，外径壁面处的流体将沿着正弦流道的上下壁面回流，于是在垂直主流动方向上产生两个旋转方向相反的涡，称为迪恩流或二次流。此外，由于流道内流体流速从流体中心指向流道壁面呈抛物线分布，由此形成的速度梯度诱导产生一个指向流道壁面的剪切诱导升力，使得处于其中的细胞向流道壁面移动，与此同时又受到壁面和流体的共同作用，产生一个驱使细胞离开壁面的壁面诱导升力，这两种升力的合力称为惯性升力FL。惯性升力FL在由迪恩流诱导产生的迪恩拽力FD和粘弹性流体产生的弹性力FE的共同作用下，细胞将达到稳定的平衡位置，单列聚焦在流道中心。
细胞在通过变形性检测流道内的虚拟流道时，受到流体剪切力与压力产生变形，图像拍摄装置在拍摄到变形后将图像传输到PC机中，同时，为了减少细胞在通过狭窄流道进行移位时的运动模糊，采用一个大功率LED使用脉冲电流进行样品照明，相机快门触发脉冲，保证同步曝光；PC机接收到图像后由编制的程序进行处理得到细胞变形后的圆度值与横断面积，从而分析细胞的变形能力，进而鉴定细胞种类。
本申请的有益效果在于：本发明采用集成弹性-惯性聚焦的方法，有效实现各类细胞的单列聚焦；同时利用流体压力实现细胞形变，细胞变形更明显；采用虚拟流道控制宽度，实现了宽流道内力度可调节，适用于不同尺寸细胞的剪切变形，且不容易产生堵塞；通过细胞机械性能差异来鉴别，检测后细胞较利用生物分子标记物来鉴别具有更高的生物活性。
附图说明
图1为本申请整体结构的俯视图；
图2为本申请中微柱阵列的局部放大图；
图3为本申请中预聚焦流道的实际效果图；
图4为本申请中细胞在检测流道内形变过程示意图；
图5为本申请中细胞在虚拟流道内受力示意图；
图6为本申请中计算机处理细胞图像流程图；
图7为本申请中实验平台示意图；
图中：1-样品入口；2-过滤筛；3-预聚焦流道；4-变形性检测流道；5-鞘液入口；6-支路流道；7-分流通道；8-第一出口；9-注射器；10-照明装置；11-图像拍摄装置；12-PC机；13-两侧支路；14-中间支路；15-第二出口。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
本申请所述的集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件如图1所示，该微流控器件包括样品入口1、过滤筛2、预聚焦流道3、变形性检测流道4、鞘液入口5、支路流道6、分流通道7、第一出口8和第二出口15。
集成器件上一端设有样品入口1，样品液通过注射泵推动注射器9将样品液由样品入口1注入器件，样品入口1处设置过滤筛2，样品液流经过滤筛2时，大颗粒杂质被截获，从而避免器件的流道堵塞。样品入口1下方连通预聚焦流道3，样品液进入正弦流道后在惯性力、迪恩拽力和弹性力的共同作用下，单列聚焦在流道中心，进入变形性检测流道4。为达到更好的聚焦效果，样品液采用粘弹性溶液，成分为0.01％～1％的PEO溶液或HA溶液。高粘性的鞘液由鞘液入口5经过支路流道6汇入变形性检测流道4，形成可调节的虚拟壁面。虚拟流道提升了分液面处样本液的流速，使细胞在流体剪切力与压力的作用下产生变形，完成形变检测。最后细胞经分流通道7处，分流后在出口流出。
作为具体实施例地，各个流道的制备材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，也可选用玻璃、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等光学性能良好的材料制作，原型器件通过软光刻加工工艺制备，具体包括光刻SU-8阳模、PDMS浇注以及PDMS-玻璃键合封装等步骤。此外，阳模的制备也可借助硅的湿法/深反应离子刻蚀、超精密机加工、金属电镀及感光电路板刻蚀加工实现。
在采用以上微流控器件进行检测时，样品液由注射器9注入芯片，在变形性检测流道4下方设置图像拍摄装置11，如高速摄像机，高速摄像机拍摄到变形的细胞后将图像传输到PC机12中；同时，为了减少细胞在通过收缩进行移位时的运动模糊，采用照明装置10如大功率LED使用脉冲电流进行样品照明，相机快门触发脉冲，保证同步曝光；PC机在接收到图像后由图像处理程序进行处理得到细胞变形后的圆度值与横断面积，从而分析细胞的变形能力，进而鉴定细胞种类。
如图2所示，在样品入口处设置过滤筛2，样品液流经过滤筛2时，大颗粒杂质被截获，从而避免器件的流道堵塞。
如图3所示，为预聚焦流道3的工作效果，以特定流速经样品入口1向正弦流道内注入细胞悬浮液后，在惯性升力FL，由迪恩流诱导产生的迪恩拽力FD和弹性力FE的共同作用下，细胞将达到稳定的平衡位置。
如图4所示，细胞进入变形性检测流道4后通过高粘性鞘液形成的虚拟流道，在流体剪切力与压力的作用下产生变形，图4中所示为细胞自左向右运动时细胞变形的各个阶段的形状，高速摄像机在拍摄到多个细胞变形后将图像传输到PC机中，由编制的程序进行处理得到多个细胞变形后的横断面积与圆度值，从而分析细胞的变形能力，进而鉴定细胞种类。
如图5所示，粒子在虚拟流道内受到如5图所示的流体剪切力与压力，柔性细胞在受力后将随之产生变形，形变程度的大小由细胞的变形能力即细胞的柔软程度决定。
如图6所示，PC机首先从摄像机获得单帧图像，图像被分配一个唯一的句柄，并传输到负责图像预处理的系统进行背景减法和阈值化，以创建二值图像。接下来，利用训练好的卷积神经网络识别图像中是否存在细胞，如果存在，则使用边界跟踪算法得到细胞的轮廓。该算法从细胞的轮廓得到细胞的横截面积、周长和位置，并计算细胞的圆度c。
如图7所示，实验平台主要设备包括注射器、微流控器件、高功率LED、高速摄影机、倒置显微镜和计算机。
综上，本申请采用集成弹性-惯性聚焦，有效实现较高通量的细胞单列预聚焦，以保证细胞受力不被位置影响，有助于细胞形变得到精准的控制；利用流体压力实现细胞形变，细胞变形更明显；采用高粘度的非牛顿流体实现了大流道内宽度、剪切梯度可调节的虚拟流道，适用于不同尺寸细胞的变形，且不容易产生堵塞；通过细胞机械性能差异来鉴别，检测后细胞较利用生物分子标记物来鉴别具有更高的生物活性。
以上为本申请示范性实施例，本申请的保护范围由权利要求书及其等效物限定。
Claims (6)
1.一种集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件，其特征在于，包括样品入口(1)，所述样品入口(1)下方连通预聚焦流道(3)的一端，所述预聚焦流道(3)的另一端连通变形性检测流道(4)的一端，所述变形性检测流道(4)的两侧都设有鞘液入口(5)和支路流道(6)，每侧的所述鞘液入口(5)与所述支路流道(6)连通，所述支路流道(6)与所述变形性检测流道(4)连通；所述变形性检测流道(4)的另一端连通分流通道(7)，所述分流通道(7)包括两侧支路(13)和中间支路(14)，所述两侧支路(13)远离所述变形性检测流道(4)的汇合处连通第一出口(8)，所述中间支路(14)远离所述变形性检测流道(4)的一端连通第二出口(15)；
所述变形性检测流道(4)横截面呈高度与宽度的比值为1/5～1/10的矩形，该变形性检测流道(4)横截面的截面高度与预聚焦流道(3)横截面的截面高度相等，截面宽度为100～300μm；
鞘液由鞘液入口(5)经过支路流道(6)汇入变形性检测流道(4)，形成可调节的虚拟流道，所述虚拟流道的横截面近似成矩形，该虚拟流道横截面的截面高度与预聚焦流道(3)横截面的截面高度相等，截面宽度与所测细胞直径的关系为：所测细胞直径为截面宽度的50％～90％；
所述支路流道(6)与所述变形性检测流道(4)的夹角为15°～75°。
2.如权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述样品入口处设有过滤筛(2)，所述过滤筛(2)包括两种等距排列的微柱阵列。
3.如权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述预聚焦流道(3)为正弦流道，该正弦流道横截面呈高度与宽度的比值为1/2～1/4的矩形，该正弦流道横截面的截面高度为为20～30μm，截面宽度为40～120μm。
4.如权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述两侧支路(13)和所述中间支路(14)的宽度比为1.5～5。
5.如权利要求1所述的微流控器件，其特征在于，所述第一出口(8)为废液出口，所述第二出口(15)为样品出口。
6.一种包括如权利要求1-5任一所述的集成弹性-惯性聚焦和虚拟流道的微流控器件的微流控系统，其特征在于，该微流控系统还包括注射器(9)、照明装置(10)、图像拍摄装置(11)和PC机(12)，所述注射器(9)与所述样品入口(1)连接，所述照明装置(10)设在所述变形性检测流道(4)上方，所述图像拍摄装置(11)设在所述变形性检测流道(4)下方，所述图像拍摄装置(11)和所述PC机(12)连接。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103439241A (zh) * | 2013-08-23 | 2013-12-11 | 东南大学 | 单细胞多参数表征的微流控芯片检测系统 |
| CN104941704A (zh) * | 2015-05-27 | 2015-09-30 | 东南大学 | 一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统 |
| CN106925358A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-07 | 东南大学 | 一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片 |
| CN107674820A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-09 | 东南大学 | 一种分选细胞的微流控器件及其使用方法 |
| CN111592965A (zh) * | 2020-06-01 | 2020-08-28 | 南京林业大学 | 一种用于细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统及方法 |
| CN111744565A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-09 | 东南大学 | 对细胞变形性进行多通道并行检测的微流控器件及系统 |
| CN112268934A (zh) * | 2020-09-16 | 2021-01-26 | 东南大学 | 一种针对循环肿瘤细胞的检测芯片及其检测方法 |
| CN113486529A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-08 | 大连理工大学 | 一种流式单细胞动力学特性分析芯片、系统及方法 |
-
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103439241A (zh) * | 2013-08-23 | 2013-12-11 | 东南大学 | 单细胞多参数表征的微流控芯片检测系统 |
| CN104941704A (zh) * | 2015-05-27 | 2015-09-30 | 东南大学 | 一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统 |
| CN106925358A (zh) * | 2017-03-15 | 2017-07-07 | 东南大学 | 一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片 |
| CN107674820A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-09 | 东南大学 | 一种分选细胞的微流控器件及其使用方法 |
| CN111744565A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-09 | 东南大学 | 对细胞变形性进行多通道并行检测的微流控器件及系统 |
| CN111592965A (zh) * | 2020-06-01 | 2020-08-28 | 南京林业大学 | 一种用于细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统及方法 |
| CN112268934A (zh) * | 2020-09-16 | 2021-01-26 | 东南大学 | 一种针对循环肿瘤细胞的检测芯片及其检测方法 |
| CN113486529A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-08 | 大连理工大学 | 一种流式单细胞动力学特性分析芯片、系统及方法 |
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