一種提高流式細胞儀層流穩定性的雙鞘液流動室的製作方法

2023-05-24 10:51:26 1

本發明涉及流式細胞儀技術領域，具體涉及一種提高流式細胞儀層流穩定性的流動室。

背景技術：

流式細胞儀是基於流式細胞術原理對樣品液中的單細胞或顆粒進行高速、逐一的多參數定量分析或分選的儀器。控制流動室中鞘液和樣品液的入口方向與速度比是影響單微粒層流穩定形成的重要因素。基於流體動力學聚焦原理，調節鞘液的速度矢量，使樣本液在通道裡被包裹形成高速穩定的層流。在高速微通道中，可以認為兩種液體不存在混合為層流，即各液層之間不相混，其質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。由於光學檢測系統的光強在照射區域為高斯分布趨勢，待測細胞在進入層流，層流未穩定的檢測區域內會造成進入相對位置不同從而引起雷射激發程度的差異，造成輸出檢測信號波動，降低檢測精度。作為流式細胞儀液流系統的核心技術之一，層流的形成及寬度大小對樣本液、鞘液的入口速率及方向需達到一定的精度才能滿足流式細胞儀液流系統的工作要求。

目前，流動室多採用機械加工成熟的單鞘液式流動室，但因單鞘液進樣的不對稱性，無法在保證層流形成位置相對居中的情況下調節鞘液入口速度，流體聚焦位置精度為±2μm，難以檢測更小精度的細胞或顆粒。而採用的雙鞘液式，通過控制兩種液體的入口速度矢量，流體聚焦位置精度可達±0.5μm，由於雙鞘液的對稱性，使得樣品液流相對中心位置的偏差小，降低因雷射激發差異引起的波動信號百分比，提高檢測精度。

技術實現要素：

本發明提出了一種提高流式細胞儀層流穩定性的雙鞘液流動室，包括鞘液輸入管道、聚焦通道、樣品輸入管道、樣品針、矩形通道、層流輸出管道，其特徵在於：所述鞘液輸入管道置於最外層，其內部依次設置有所述聚焦通道和所述樣品輸入管道，所述聚焦通道包裹所述樣本輸入管道，並呈共軸圓柱環式設置，所述樣品輸入管道與所述樣品針連接，將內部液體輸出至所述矩形通道內部的層流輸出管道。

優選地，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和檢測段三部分，其中鞘液被注入整流段形成穩定層流，鞘液聚焦和擠壓樣本液形成單細胞層流，使層流中單細胞依次通過所述檢測段。

優選地，所述聚焦段的聚焦流中的樣品流質量為所述樣品針的樣品流質量，即：

式中：為樣本流平均入口流速，vc為聚焦後矩形通道中心樣本流平均流速。

優選地，對於檢測段的混合液，流動室聚焦產生混合流體的平均流速為：

式中：ρ1、ρ2分別為鞘液與樣本液密度，ρ為聚焦後混合流體密度，d3為出口寬度。

優選地，所述矩形通道出口處的混合液為完全流體，且混合液流速呈拋物線分布，即：

優選地，所述流體聚焦後的寬度表示為：

應當理解，前述大體的描述和後續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，並不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據本發明的流動室的液流聚焦實物模型圖；

圖2示出了根據本發明的流動室的傳統液流聚焦原理圖；

圖3示出了根據本發明的流動室的聚焦流寬度隨速度比變化趨勢；

圖4示出了根據本發明的流動室的流動室微通道模型；

圖5示出了根據本發明的流動室的不同鞘液進樣夾角下的液流聚焦效果圖；

圖6示出了根據本發明的流動室的不同鞘液進樣夾角下的液流聚焦寬度與層流寬度；

圖7示出了根據本發明的流動室的60°收縮角微通道模型內混合流的密度、靜壓、質量濃度分布效果圖；

圖8示出了根據本發明的流動室的60°收縮角微通道模型內混合流的靜壓、質量濃度。

具體實施方式

通過參考示範性實施例，本發明的目的和功能以及用於實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明並不受限於以下所公開的示範性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發明利用有限元軟體，在忽略因機械加工不成熟和雙鞘液式觀察調節局限性等因素的影響，獲得在雙鞘液0°進樣、60°收縮角式微通道結構，可使聚焦過程距離縮短，層流寬度減小，聚焦後混合流內部物質流的穩定性更利於層流檢測。

圖1為本發明的流動室的液流聚焦實物模型圖；如圖1所示，本發明的雙鞘液流動室，其能夠提高流式細胞儀層流穩定性，分別包括鞘液輸入管道、聚焦通道、樣品輸入管道、樣品針、矩形通道、層流輸出管道，其特徵在於：所述鞘液輸入管道置於最外層，其內部依次設置有所述聚焦通道和所述樣品輸入管道，所述聚焦通道包裹所述樣本輸入管道，並呈共軸圓柱環式設置，所述樣品輸入管道與所述樣品針連接，將內部液體輸出至所述矩形通道內部的層流輸出管道。

如圖2所示，為本發明的流動室的傳統液流聚焦原理圖，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和檢測段三部分，其中鞘液被注入整流段形成穩定層流，鞘液聚焦和擠壓樣本液形成單細胞層流，使層流中單細胞依次通過所述檢測段。

聚焦過程中，忽略液體之間的物質擴散、混合損失，由質量守恆可知，通過樣品針的樣品流質量等於聚焦流中的樣品流質量，即：

式中：為樣本流平均入口流速，vc為聚焦後矩形通道中心樣本流平均流速。

對於檢測段的混合液，流動室聚焦產生混合流體的平均流速為：

式中：ρ1、ρ2分別為鞘液與樣本液密度，ρ為聚焦後混合流體密度，d3為出口寬度。

由於檢測段的樣品液寬度遠遠小於通道寬度，理想情況下，認為矩形通道出口處的混合液為完全流體，且由拋面性質可知通道混合液流速呈拋物線分布，即：

故流體聚焦後的寬度表示為：

由公式(4)可知，忽略通道高度變化的影響，鞘液、樣本液流速比一定，聚焦後的樣品液流直徑d一定。

如圖3所示，為根據本發明的流動室的聚焦流寬度隨速度比變化趨勢；可見，聚焦寬度與速度比成反比。

根據以上分析，列舉了本發明的一個實現方案：

利用有限元軟體ansysfluent的有限體積法設置雙鞘液式微通道結構模型，如圖4所示，樣品液入口通道寬度為240μm；鞘液入口通道寬度為1000μm；下端混合液體排出口寬度為400μm，厚度為180μm。

表1ansysfluent參數設置

在樣品液和鞘液速度比為1:2，即樣品液入口速度v2為5m/s，鞘液入口速度v1為10m/s。對五種鞘液進樣夾角進行仿真模擬，並對所得數據進行對比分析，得到最優鞘液進樣方式。

圖5示出了根據本發明的流動室的不同鞘液進樣夾角下的液流聚焦效果圖；結論如下：在最終聚焦效果中，夾角為90°，鞘液流對樣品流的壓力最小，粘滯力小，聚焦處樣品流擴散面積大，使的檢測區樣品流寬度過大，聚焦效果不明顯。

夾角為60°，聚焦效果初顯，聚焦處層流擴散面積減小，且有明顯邊界，但檢測段樣品流較寬。

夾角為45°、30°，聚焦效果明顯，樣品流寬度減小，但邊界處不明顯。

夾角為0°，聚焦效果明顯，檢測段樣品流寬度最佳，且與鞘液流邊界明顯。

圖6示出了根據本發明的流動室的不同鞘液進樣夾角下的液流聚焦寬度與層流寬度，可知：當鞘液進樣夾角由90°變成0°時，聚焦效果逐漸明顯，聚焦寬度遞減為240μm，實現快速短距離聚焦。檢測區樣品流最大寬度遞減為120μm，樣品流寬度可以滿足單細胞流的要求。綜合上述的分析和對實際情況的考慮，採用0°夾角的鞘液進樣方式的流動室微通道結構最優。

採用0°鞘液進樣方式的微通道結構模型，液流的入口速度比1:4，計算的數值最小變化單位為2μm。改變收縮角θ值，當收縮角θ逐漸增大時，聚焦段處的鞘液流作用於樣品流的切向力增大，粘滯力也隨之增大，導致樣本流的聚焦過渡段距離縮短，速度增加，在短時間內形成穩定的聚焦層流，且不會改變檢測區內的層流寬度。而當收縮角θ大於60°時，聚焦效果改變不明顯或不變，因此收縮角θ選擇60°為最優。

表2不同收縮角θ對聚焦直徑的影響

在0°鞘液進樣方式的微通道模型中，採用60°收縮角，液流入口速度比仍設為1:4。對微通道內部混合流的密度分布、靜壓力分布及質量濃度分布進行仿真，圖7示出了根據本發明的流動室的60°收縮角微通道模型內混合流的密度、靜壓、質量濃度分布效果圖。混合流的密度由整流段至檢測段分布均勻，樣品流與鞘液流兩種物質的分界明顯，在聚焦處沒有大範圍的擴散現象，混合流中各組分化學成分保持相對獨立；混合流的靜壓力在整流段和聚焦段保持相對平衡，在檢測段由於空間尺寸的減小，靜壓力增大，混合流的流速增加，檢測效率隨之增加。混合流各組分的質量濃度在規定範圍內保持恆定，且聚焦處無明顯的滲透現象，檢測段樣品流寬度不變，保證單細胞流的形成。圖8示出了根據本發明的流動室的60°收縮角微通道模型內混合流的靜壓、質量濃度。

結合這裡披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對於本領域技術人員都是易於想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正範圍和主旨均由權利要求所限定。