CN212410398U - 一种静态细胞分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静态细胞分析装置，该装置包括三维扫描平台、静态信息采集系统、静态信息探测系统、细胞识别分析系统和微腔阵列芯片；所述微腔阵列芯片位于三维扫描平台上，所述静态信息采集系统包括光源、光学透镜、可自动切换滤片系统和CCD相机，所述静态信息探测系统包括荧光检测器和信号采样处理系统；所述光源发出的光经过可自动切换滤片系统，照射到微腔阵列芯片上后，反射光经过光学透镜后到达CCD相机，所述荧光检测器连接CCD相机和信号采样处理系统，所述信号采样处理系统连接细胞识别分析系统。本实用新型所公开的装置可以实现识别、编号单细胞并在后续单细胞正常培养过程进行实时细胞表型分析，操作简单，应用价值高。

Description

一种静态细胞分析装置

技术领域

本实用新型涉及单细胞分析领域，特别涉及一种静态细胞分析装置。

背景技术

最早的流式细胞术雏形诞生于1934年，Moldavan提出使悬浮的单个血红细胞流过玻璃毛细管，在亮视野下用显微镜进行计数，并用光电记录装置测量的设想。1953年Crosland-Taylor根据牛顿流体在圆形管中流动规律设计了流动室。其后又经过Coulter、Parker&Horst、Kamentsky、Gohde、Fulwyler、Herzenberg等人的不断改进，设计了光电检测设备和细胞分选装置、完成了计算机与流式细胞仪的物理连接及多参数数据的记录和分析、开创了细胞的免疫荧光染色及检测技术、推广流式细胞术在临床上的应用。近20年来，随着流式细胞术及其检测技术的日臻完善，人们越来越致力于样品制备、细胞标记、软件开发等方面的工作，以扩大FCM的应用领域和使用效果。

依托于流式细胞术的FACS(Fluorescence activated Cell Sorting)系统在单细胞分析和分类方面提供了高吞吐量。在细胞类型，标准化底物和分选模式方面具有很高的灵活性，FACS是一种强大的工具。此外，当分析异质细胞样品时，其对稀有细胞分选(亚群<1％)的适用性具有越来越高的诊断前景。一些FACS系统能够在几分钟的时间内以高纯度和高产量将单细胞沉积在微孔板上，从而能够进行进一步的下游分析，例如NGS(下一代测序)。FACS系统的普及和广泛使用使它们可以被广泛的用户使用。

然而，对于某些应用，FACS系统仍然受到一定程度的限制。细胞必须处于悬浮状态，从而导致细胞表型特征信息丧失。此外，FACS分选对细胞活力可能具有不可忽略的影响，并且由于FACS系统由非一次性组件组成的复杂系统，一般来说FACS系统难以实现无菌操作。除此以外，多数流式细胞术是一种零时间分辨率的分析方法，无法实时在单细胞水平对细胞进行后续分析处理，并且价格昂贵，不适用于大众。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种静态细胞分析装置，以达到可以实现识别、编号单细胞并在后续单细胞正常培养过程进行实时细胞表型分析的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种静态细胞分析装置，包括三维扫描平台、静态信息采集系统、静态信息探测系统、细胞识别分析系统和微腔阵列芯片；所述微腔阵列芯片位于三维扫描平台上，所述静态信息采集系统包括光源、光学透镜、可自动切换滤片系统和CCD相机，所述静态信息探测系统包括荧光检测器和信号采样处理系统；所述光源发出的光经过可自动切换滤片系统，照射到微腔阵列芯片上后，反射光经过光学透镜后到达CCD相机，所述荧光检测器连接CCD相机和信号采样处理系统，所述信号采样处理系统连接细胞识别分析系统。

上述方案中，所述光源采用100-500W高压汞灯、激光器或发光二极管。

上述方案中，所述可自动切换滤片系统包括激发滤光片、阻断滤光片和二向分色镜片，三种匹配滤光片构成一组滤片系统，共有蓝、绿、橙、红四组滤片系统。

进一步的技术方案中，所述激发滤光片位于光源和二向分色镜片之间，所述阻断滤光片位于二向分色镜片和光学透镜之间，所述二向分色镜片位于微腔阵列芯片和CCD相机之间。

进一步的技术方案中，所述四组滤片系统的激发与接收波长如下：

蓝色荧光组：EX 361nm-389nm，EA 430nm-490nm；

绿色荧光组：EX 465nm-495nm，EA 512nm-550nm；

橙色荧光组：EX 538nm-552nm，EA 580nm-630nm；

红色荧光组：EX 540nm-580nm，EA 600nm-660nm。

上述方案中，所述荧光检测器采用PMT光电倍增管或光电探测器。

上述方案中，所述三维扫描平台包括控制微腔阵列芯片在X轴和Y轴运动的X轴驱动电机和Y轴驱动电机，以及控制CCD相机的信息采集物镜在Z轴运动的Z轴驱动电机。

上述方案中，所述微腔阵列芯片含有270行，50列，13500个微腔，每个微腔尺寸长、宽、深分别为1000μm、40μm、30μm。

一种静态细胞分析方法，采用上述的静态细胞分析装置，包括如下过程：

(1)微腔阵列芯片预处理

微腔阵列芯片的微腔使用BSA生物亲和处理；

(2)细胞预处理

使用特异性膜蛋白染剂对细胞进行特异性标记；所述特异性膜蛋白染剂与细胞膜蛋白进行特异性结合；

(3)细胞加载

将经过特异性标记的细胞均匀印刷在微腔阵列芯片的微腔中，盖上封闭芯片；

所述封闭芯片使用plasma亲水处理，与微腔阵列芯片形成密闭微腔，隔离外界环境，使细胞无菌生长；

(4)细胞静态信息采集

将形成密闭微腔的微流控芯片放入三维扫描平台，通过静态信息采集系统采集信息；

(5)细胞静态信息处理

通过静态信息探测系统对荧光信号进行放大处理，转化为数字信号导入细胞识别分析系统；

(6)细胞静态分析与数据存储

所述细胞识别分析系统通过微腔中单细胞的特异性荧光信号以及形态学表征识别细胞类别，根据其所在微腔行列位置进行细胞编号，统计存储在每个微腔中的单细胞的荧光信号、所结合的特异性荧光抗体信息、细胞形态学信息、细胞类别以及细胞位置信息。

通过上述技术方案，本实用新型提供的静态细胞分析装置具有如下有益效果：

1、本实用新型的静态细胞分析装置具有操作简单、实时检测和多用途等优点，可以实时采集分析细胞静态生长的表型信息、细胞微培养等信息，省去了以往单细胞实验所需要的多种仪器设备，极大简化了分析实验流程。

2、创新了现有微流控细胞静态分析方法，对完善个体化医疗平台，促进便携式临床诊治和物质贫乏地区疾病诊断等具有重要的潜在应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为静态细胞分析装置示意图；

图2为静态信息采集系统光路示意图；

图3a为静态细胞分析方法细胞贴壁面积表型分析结果图；

图3b为静态细胞分析方法细胞贴壁周长表型分析结果图；

图4为静态细胞分析装置实际荧光扫描图；

图5为带有位置标记的微腔阵列芯片结构示意图；

图6为静态信息检测系统荧光增益效率示意图。

图中，1、三维扫描平台；2、静态信息采集系统；3、静态信息探测系统；4、细胞识别分析系统；5、微腔阵列芯片；6、光源；7、光学透镜；8、CCD相机；9、激发滤光片；10、阻断滤光片；11、二向分色镜片；12、细胞静态信息显示屏；13、可自动切换滤片系统；14、信息采集物镜；15、微腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种静态细胞分析装置，如图1所示，包括三维扫描平台1、静态信息采集系统2、静态信息探测系统3、细胞识别分析系统4和微腔阵列芯片5，微腔阵列芯片5位于三维扫描平台1上。

1、静态信息采集系统2

静态信息采集系统2包括光源6、光学透镜7、可自动切换滤片系统和CCD相机8，光源6采用200W高压汞灯，发射紫外光和蓝紫光，足以激发各类荧光物质。

光学透镜7起到聚光作用。

由于样品产生的荧光容易受到背景光和其他生物化学发光的影响，要检测到样品发出的荧光就需要对采集光进行抗干扰滤波处理，能消除杂散光的器件有单色仪和滤光片，有单色仪分光可得到较高的信噪比，但其透光效率较低，如f/4单色仪大约仅能透过入射光强度的0.3％，相反滤光片则具有较高的透过效率(50％)，由于荧光信号本身很微弱，必须降低光的损失，所以本实用新型选择高透过率的荧光滤光片进行荧光信号滤光。

可自动切换滤片系统包括激发滤光片9、阻断滤光片10和二向分色镜片11，三种匹配滤光片构成一组滤片系统，共有蓝、绿、橙、红四组滤片系统。

四组滤片系统的激发与接收波长如下：

蓝色荧光组：EX 361nm-389nm，EA 430nm-490nm；

绿色荧光组：EX 465nm-495nm，EA 512nm-550nm；

橙色荧光组：EX 538nm-552nm，EA 580nm-630nm；

红色荧光组：EX 540nm-580nm，EA 600nm-660nm。

如图2所示，激发滤光片9位于光源6和二向分色镜片11之间，阻断滤光片10位于二向分色镜片11和光学透镜7之间，二向分色镜片11位于微腔阵列芯片5和CCD相机8之间。

光源6发出的光经过激发滤光片9和二向分色镜片11后，照射到微腔阵列芯片5上，反射光经过二向分色镜片11、阻断滤光片10和光学透镜7后到达CCD相机8。

2、静态信息探测系统3

静态信息探测系统3包括荧光检测器和信号采样处理系统；荧光检测器连接CCD相机8和信号采样处理系统，信号采样处理系统连接细胞识别分析系统4。荧光检测器采用PMT光电倍增管，将CCD相机8处的光信号转换成电信号，且在此过程中光信号会呈指数扩增，因此使用PMT光电倍增管后可大大提高检测的灵敏度，见图6所示的三组浓度荧光输出随PMT增益的变化曲线。

电信号进入信号采样处理系统，将经过放大、滤波等处理的电信号通过模数转换进行数字化，并将数字化后的信号传输到计算机，计算机通过细胞识别分析系统4接收从荧光电信号放大、采集硬件传入的数字信号，然后对这些受到的信号进行实时处理。

3、细胞识别分析系统4

细胞识别分析系统4可以通过微腔中单细胞的特异性荧光信号以及形态学表征识别细胞类别，根据其所在微腔行列位置进行细胞编号，统计存储每个微腔中单细胞的荧光信号、所结合的特异性荧光抗体信息、细胞形态学信息(周长、面积、最大直径、形状)、细胞类别、细胞位置等数据信息，并显示在细胞静态信息显示屏12上。

4、三维扫描平台1

三维扫描平台1包括控制微腔阵列芯片5在X轴和Y轴运动的X轴驱动电机和Y轴驱动电机，以及控制CCD相机8的信息采集物镜14在Z轴运动的Z轴驱动电机。三维扫描平台1最大扫描行程为200×100mm，分辨率为40μm。在10分钟内自动扫描60×20mm区域内微腔阵列芯片5并拼接大图像，对细胞活性损伤小。

5、微腔阵列芯片5

如图5所示，微腔阵列芯片5含有270行，50列，13500个微腔15，每个微腔15尺寸长、宽、深分别为1000μm、40μm、30μm。微腔15边缘带有行列位置标记，微腔15提供的隔离外界的无菌微环境可以供细胞至少3天的稳定生长，提供实时的细胞表型信息。

本实施例对SKOV3、MDA-MB-231，K562细胞进行静态分析，通过对这些细胞膜蛋白的分析和对比，选择EPCAM-Cy5.5、上皮膜抗原-FITC、Bcl-2-AF405特异性抗体红绿蓝三色荧光染剂，对SKOV3、MDA-MB-231、K562细胞上的靶标膜蛋白进行特异性染色。

然后采用上述的静态细胞分析装置进行静态分析，包括如下过程：

(1)微腔阵列芯片5预处理

微腔阵列芯片5的微腔使用BSA生物亲和处理，干燥后放入扫描平台；

(2)细胞预处理

使用特异性膜蛋白染剂对细胞进行特异性标记；特异性膜蛋白染剂与细胞膜蛋白进行特异性结合；

(3)SKOV3、MDA-MB-231、K562细胞加载

将经过特异性标记的细胞均匀印刷在微腔阵列芯片5的微腔15中，盖上封闭芯片；

封闭芯片使用plasma亲水处理，与微腔阵列芯片5形成密闭微腔，隔离外界环境，使细胞无菌生长；

(4)细胞静态信息采集

将形成密闭微腔的微流控芯片放入三维扫描平台1，通过静态信息采集系统2采集信息，贴壁面积与贴壁周长表型分析见图3a和图3b。

(5)细胞静态信息处理

通过静态信息探测系统3对荧光信号进行放大处理，转化为数字信号导入细胞识别分析系统4；具体为：

高压汞灯发射紫外光和蓝紫光，经过激发滤光片9、二向分色镜片11后达到微腔阵列芯片5，激发细胞内的各类荧光物质，反射光经过二向分色镜片11、阻断滤光片10和光学透镜7后进入CCD相机8，荧光检测器检测光信号，并将光信号转换成电信号传输给信号采样处理系统，经过放大、滤波等处理的电信号通过模数转换进行数字化，并将数字化后的信号传输到细胞识别分析系统4。

(6)细胞静态分析与数据存储

细胞识别分析系统4通过微腔中单细胞的EPCAM-Cy5.5、上皮膜抗原-FITC、Bcl-2-AF405特异性荧光信号以及形态学表征识别细胞类别，根据其所在微腔行列位置进行细胞编号，统计存储在每个微腔中的单细胞的荧光信号、所结合的特异性荧光抗体信息、细胞形态学信息、细胞类别以及细胞位置信息，结果如图4所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种静态细胞分析装置，其特征在于，包括三维扫描平台、静态信息采集系统、静态信息探测系统、细胞识别分析系统和微腔阵列芯片；所述微腔阵列芯片位于三维扫描平台上，所述静态信息采集系统包括光源、光学透镜、可自动切换滤片系统和CCD相机，所述静态信息探测系统包括荧光检测器和信号采样处理系统；所述光源发出的光经过可自动切换滤片系统，照射到微腔阵列芯片上后，反射光经过光学透镜后到达CCD相机，所述荧光检测器连接CCD相机和信号采样处理系统，所述信号采样处理系统连接细胞识别分析系统。

2.根据权利要求1所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述光源采用100-500W高压汞灯或激光器或发光二极管。

3.根据权利要求1所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述可自动切换滤片系统包括激发滤光片、阻断滤光片和二向分色镜片，三种匹配滤光片构成一组滤片系统，共有蓝、绿、橙、红四组滤片系统。

4.根据权利要求3所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述激发滤光片位于光源和二向分色镜片之间，所述阻断滤光片位于二向分色镜片和光学透镜之间，所述二向分色镜片位于微腔阵列芯片和CCD相机之间。

5.根据权利要求3所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述四组滤片系统的激发与接收波长如下：

蓝色荧光组：EX 361nm-389nm，EA 430nm-490nm；

绿色荧光组：EX 465nm-495nm，EA 512nm-550nm；

橙色荧光组：EX 538nm-552nm，EA 580nm-630nm；

红色荧光组：EX 540nm-580nm，EA 600nm-660nm。

6.根据权利要求1所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述荧光检测器采用PMT光电倍增管或光电探测器。

7.根据权利要求1所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述三维扫描平台包括控制微腔阵列芯片在X轴和Y轴运动的X轴驱动电机和Y轴驱动电机，以及控制CCD相机的信息采集物镜在Z轴运动的Z轴驱动电机。

8.根据权利要求1所述的一种静态细胞分析装置，其特征在于，所述微腔阵列芯片含有270行，50列，13500个微腔，每个微腔尺寸长、宽、深分别为1000μm、40μm、30μm。

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