CN115025826B - 无标记高通量稀有细胞富集微流控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了无标记高通量稀有细胞富集微流控系统及方法。本技术方案中，通过采集细胞样本的光学图像，并对所述光学图像识别，检测是否为目标细胞；当检测为目标细胞时，对所述电极输出电信号，以使所述电极所在的电极通道施加高压产生介电泳力使得该样本细胞产生连续的侧向位移，直至进入第一收集口；当检测为非目标细胞时，不对所述电极输出电信号，所述样本细胞进入第二收集口，由此实现了仅通过控制电信号的输入便可达到细胞样本的目标细胞和非目标细胞的富集，提高了高通量、高准确率。
Description
技术领域
本申请涉及稀有细胞富集的技术领域，尤其涉及无标记高通量稀有细胞富集微流控系统及方法。
背景技术
稀有细胞在血液和组织中的含量很少但却很重要的细胞，比如干细胞、循环内皮细胞、循环肿瘤细胞和残留病变细胞。准确检测和分析这些稀有细胞，是理解疾病进程和发育机制的关键。现有的对稀有细胞富集的方法主要有荧光免疫和磁性免疫的方式，其中荧光免疫通过荧光免疫反应标记目标细胞，通过荧光信号检测触发执行器，实现目标细胞的分离。磁性免疫通过免疫磁珠标记目标细胞，经过洗涤、浓缩和磁性分离三个步骤可以实现五百万分之一的细胞50％以上的回收效率。免疫反应严重依赖相应的抗体，且涉及的预处理步骤繁琐，耗时极长，因此开发一种无标记高通量的稀有细胞富集技术具有十分重要的意义。本发明提供了一种无标记高通量稀有细胞富集微流控系统及方法，不需对于检测样本的预处理，同时可实现高通量，高准确率的细胞富集。
发明内容
有鉴于此，本申请提供无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，能够提高细胞富集的高通量、高准确率。
第一方面，本申请提供一种无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，包括样本通道与目标细胞控制系统；
其中，所述样本通道包括沿样本流动方向依次连通的流动聚焦通道、检测通道、泄压提纯通道、液滴生成通道和执行通道；
所述目标细胞控制系统包括电极通道和控制电路，所述电极通道用以连通所述执行通道，所述控制电路用以对所述电极通道内的电极产生电信号输入。
可选地，所述流动聚焦通道包括样本注入口、下层鞘液注入口、右侧鞘液注入口与左侧鞘液注入口，所述样本注入口与下层鞘液注入口均位于中心通道上，以样本流动方向为基准下层鞘液注入口位于样本注入口后方，所述右侧鞘液注入口与左侧鞘液注入口分别分布在与中心通道相连的右侧通道与左侧通道。
以此，中心通道、与右侧鞘液注入口连通的右侧通道和与左侧鞘液注入口连通的左侧通道，这三个流道最终汇聚到检测通道，以实现注入液体的混合。样本注入口用于注射目标样品，其他三个注入口均用来注入鞘液。
可选地，还包括光路连通的光学显微成像系统和高速相机，用以采集所述检测通道的图像。
以此，样本液体内的细胞通过显微成像系统被聚焦到检测通道中心上层的区域，以保证所观测的细胞不会出现离焦或者虚焦的情况，从而确保所有流经的细胞都能被检测到。
可选地，所述泄压提纯通道的左右侧均连通有泄压出口，泄压出口与流阻调节器相连。
以此，通过调节流阻实现对被检测后的样品液体浓度的调节，以保证流过泄压提纯通道的液体样本被还原至原本的浓度。而所述中心流道则与后面的液滴生成通道相连。
可选地，所述液体生成通道的二侧均连通有油相注入口。
以此，这两个流道上均设有油相注入口，分别为左侧油相注入口与右侧油相注入口，以实现油相液体的注入。油相液体由此处注入流道后，将会在液滴生成口处(即油相注入流道与样本所经中心流道的交汇处)将水相样本包括，然后进入执行通道。
可选地，所述执行通道沿着样本流动方向通道宽度逐渐变大，并在末端分成两个具有相互倾斜设置的通道，这两个通道上分别设有目标收集口与非目标收集口，非目标收集口与执行通道的入口对齐。
以此，目标收集口用于收集所需要的细胞样品，而剩下的液体样本则进入非目标收集口。在整个执行通道的一侧，设有线性阵列的电极通道，这些电极通道与目标收集口位于同一侧，主要用于将目标细胞引入目标收集口。
可选地，所述电极通道呈线性阵列分布，每个所述电极通道各设有液态金属注入口和液态金属出口，分别在注入口和出口安装正极金属探针和负极金属探针，通过接入电压控制电路。
可选地，所述控制电路包含图像识别装置以及电压控制器，所述控制电路连接所述光学显微系统与电极通道。
第二方面，本申请提供一种无标记高通量稀有细胞富集微流控方法，所述方法采用如上述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统实施；
通过采集细胞样本的光学图像，并对所述光学图像识别，检测是否为目标细胞；
当检测为目标细胞时，对所述电极输出电信号，以使所述电极所在的电极通道施加高压产生介电泳力使得该样本细胞产生连续的侧向位移，直至进入目标收集口；
当检测为非目标细胞时，不对所述电极输出电信号，所述样本细胞进入非目标收集口。
以上提供的无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，通过采集细胞样本的光学图像，并对所述光学图像识别，检测是否为目标细胞；当检测为目标细胞时，对所述电极输出电信号，以使所述电极所在的电极通道施加高压产生介电泳力使得该样本细胞产生连续的侧向位移，直至进入第一收集口；当检测为非目标细胞时，不对所述电极输出电信号，所述样本细胞进入第二收集口，由此实现了仅通过控制电信号的输入便可达到细胞样本的目标细胞和非目标细胞的富集，提高了高通量、高准确率。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的无标记高通量稀有细胞富集微流控系统的结构示意图
图2为本申请实施例提供的非目标细胞处理的流程示意图。
图3为本申请实施例提供的目标细胞处理的流程示意图。
图4为本申请实施例提供的处理过程延时设置的示意图。
其中，图中元件标识如下：
1-1-样本注入口；1-2-下层鞘液注入口；1-3-右侧鞘液注入口；1-4-左侧鞘液注入口；2-1-观测窗口；3-1-左侧泄压出口；3-2-右侧泄压出口；4-1是左侧油相注入口；4-2-右侧油相注入口；4-3-液滴生成口；5-1-电极通道1#；5-2-电极通道2#；5-3-电极通道3#；5-4-电极通道4#；5-5-电极通道5#；5-6-电极通道6#；5-7-目标收集口；5-8-非目标收集口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示本发明的超高通量稀有细胞富集微流控系统包括：流动聚焦通道、检测通道、泄压提纯通道、液滴生成通道、执行通道五个部分，这五个部分按照样本流动次序依次连通以形成一中心通道。
所述的流动聚焦通道包括样本注入口1-1，下层鞘液注入口1-2，右侧鞘液注入口1-3，左侧鞘液注入口1-4。所述的样本注入口1-1和下层鞘液注入口1-2分别使用注射泵按照1：1流速比注入液体，所述的右侧鞘液注入口1-3和左侧鞘液注入口1-4分别使用注射泵按照1：1流速比注入液体，其中所述的样本与左侧鞘液流速比为1：5。
所述的观测窗口2-1处设有高速相机和光学显微成像系统对于通道中心进行连续拍摄采样，所述的细胞样本可以被聚焦至所述的检测通道中心上层的区域，可以保证细胞不会出现离焦和虚焦的情况，确保流经所有细胞都能被检测。
所述的泄压提纯通道两侧设有左侧泄压出口3-1和右侧泄压出口3-2，左侧泄压出口3-1和右侧泄压出口3-2分别连接流阻调节器，调节提纯浓度使被检测后的细胞流经泄压提纯通道后还原至原样本浓度。
所述的液滴生成通道两侧设有左侧油相注入口4-1和右侧油相注入口4-2，所述的油相液体在液滴生成口4-3将水相样本包裹形成液滴进入执行通道。
所述的执行通道一侧设置有线性阵列的电极通道，电极通道1#5-1，电极通道2#5-2，电极通道3#5-3，电极通道4#5-4，电极通道5#5-5，电极通道6#5-6。所述的电极通道设有液态金属注入口和液态金属出口，分别在注入口和出口安装正极金属探针和负极金属探针接入电压控制电路。所述的执行通道末端设有非目标收集5-8与执行通道入口对齐，所述的非目标收集口5-8右侧设有目标收集口5-7其夹角为10°。所述的非目标收集口5-8和目标收集口5-7分别通过塑料管连接收集器。
非目标细胞富集流程如图2所示，细胞样本经过流动聚焦通道聚焦后到达检测窗口，使用高速相机和光学显微系统进行拍摄。将图像输入预先训练好的神经网络判断细胞是否为目标细胞，当判断结果为非目标细胞时，电压控制电路中无输出，即执行通道中电极不工作。细胞分别流经泄压通道，液滴生成通道，执行通道进入非目标收集口5-8。
目标细胞富集流程如图3所示，细胞样本经过流动聚焦通道聚焦后到达检测窗口，使用高速相机和光学显微系统进行拍摄。将图像输入预先训练好的神经网络判断细胞是否为目标细胞，当判断结果为目标细胞时，电压控制电路中输出时序脉冲高压信号，即执行通道中电极按顺序加载高压产生介电泳力，使被液滴包裹的目标细胞发生连续侧向位移。目标细胞分别流经泄压通道，液滴生成通道，执行通道进入目标收集口5-7。
处理过程延时设置如图4所示，所述的目标细胞经过检测窗口至液滴包裹延时为Δt，所述的电压控制电路设置也有延时与其匹配，使包裹目标细胞的液滴到达相应的电极时加载高压。液滴生成的间隔为Δt0保证连续液滴流经时不会形成串扰，即不含目标的液滴流经相应电极时不受影响。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，包括样本通道与目标细胞控制系统；
其中，所述样本通道包括沿样本流动方向依次连通的流动聚焦通道、检测通道、泄压提纯通道、液滴生成通道和执行通道；所述泄压提纯通道的左右侧均连通有泄压出口，泄压出口与流阻调节器相连；
所述目标细胞控制系统包括电极通道和控制电路，所述电极通道用以连通所述执行通道，所述控制电路用以对所述电极通道内的电极产生电信号输入；
所述电极通道呈线性阵列分布；
所述流动聚焦通道包括样本注入口、下层鞘液注入口、右侧鞘液注入口与左侧鞘液注入口，所述样本注入口与下层鞘液注入口均位于中心通道上，以样本流动方向为基准下层鞘液注入口位于样本注入口后方，所述右侧鞘液注入口与左侧鞘液注入口分别分布在与中心通道相连的右侧通道与左侧通道。
2.根据权利要求1所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，还包括光路连通的光学显微成像系统和高速相机，用以采集所述检测通道的图像。
3.根据权利要求1所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，所述液滴生成通道的二侧均连通有油相注入口。
4.根据权利要求1所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，所述执行通道沿着样本流动方向通道宽度逐渐变大，并在末端分成两个具有相互倾斜设置的通道，这两个通道上分别设有目标收集口与非目标收集口，非目标收集口与执行通道的入口对齐。
5.根据权利要求1所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，每个所述电极通道各设有液态金属注入口和液态金属出口，分别在注入口和出口安装正极金属探针和负极金属探针，通过接入电压控制电路。
6.根据权利要求2所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统，其特征在于，所述控制电路包括图像识别装置以及电压控制器，所述控制电路连接光学显微系统与电极通道。
7.一种无标记高通量稀有细胞富集微流控方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述无标记高通量稀有细胞富集微流控系统实施；
通过采集样本细胞的光学图像，并对所述光学图像识别，检测是否为目标细胞；
当检测为目标细胞时，对所述电极输出电信号，以使所述电极所在的电极通道施加高压产生介电泳力使得该样本细胞产生连续的侧向位移，直至进入目标收集口；
当检测为非目标细胞时，不对所述电极输出电信号，所述样本细胞进入非目标收集口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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