基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统及分选方法技术方案

本发明专利技术提供基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统及分选方法，系统包括激光源、二向色分束器、凸透镜、声分选芯片、光电倍增管、带通滤波器；激光源，用于发射一束1.2mm的激光束；二向色分束器a，用于将激光源发射的激光束反射至下方；凸透镜；位于二向色分束器a的下方，将反射的激光束聚焦成直径为70μm的微小激光光斑，使激光光斑与声分选芯片的荧光审问区对齐；荧光粒子或荧光标记细胞通过激光光斑时，将被激发并发出比激发波长更长的光。本发明专利技术提供微流控技术具有精确细胞操作的能力，在改造和小型化传统FACS系统方面具有巨大潜力。利用高度聚焦的表面声波束在千赫速率下的荧光审问来分类微米大小的粒子和生物细胞。的荧光审问来分类微米大小的粒子和生物细胞。的荧光审问来分类微米大小的粒子和生物细胞。

【技术实现步骤摘要】
基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统及分选方法


[0001]本专利技术属于细胞分选
，尤其涉及基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选方法。

技术介绍

[0002]荧光激活细胞分选(FACS)是一种能够在单细胞水平上进行高通量细胞分析和分选的精确微尺度操作技术，已成为生物研究和临床诊断的基础技术。在传统的FACS系统中，含有荧光染料标记的目标细胞类型的细胞悬浮也通过毛细管连续引入，并通过更快的鞘流技术进行流体动力学限制。有序的单个细胞通过激光束，目标生物细胞中的荧光标记被激发。这些荧光信号代表了独特的细胞表面生物标志物，能够对下游的单个细胞进行高度特异性的分类。然后一个振动机制将连续的流动液体打断成单个微米大小的液滴。基于荧光审问，含有目标细胞的液滴被选择性的地带电并静电偏转到一个收集容器中。与离心、磁激活细胞分选等批处理细胞分选方法相比，FACS系统在单个细胞的基础上分离目标细胞，因此具有更高的分选精度。
[0003]虽然非常高效和准确，但复杂的分选机制使当前的FACS系统昂贵和笨重，而且在分选过程之前，在开放环境中产生的气溶胶会对环境造成潜在的样本污染，并通过吸入有害生物的气溶胶对机器操作人员造成生物安全风险。目前的FACS系统也通常部署在多个研究实验室共享的核心设施中，导致了调度冲突和测试样品的潜在交叉污染。此外，由于分选所需的强电场，分选细胞的活力可能会受到损害。
[0004]微流控技术是一种很有前途的方法，以克服传统FACS系统的缺点，微米大小的颗粒可以在微型化的设备中精确操作。采用完全集成的执行机构和无气溶胶分拣设计，基于微流控技术的FACS设备已经证明了可以避免样品污染和最大限度降低用户健康风险的能力。此外，额外的微流控功能的灵活集成，包括特性描述、培养、混合和聚合酶链反应，可以为基于微流控技术的FACS系统提供更复杂的预处理和分析能力。与传统的基于静电的FACS分选机制相比，基于介质电泳、声电泳、MEMS阀和起泡喷射的微流体分选机制得到了验证。尽管这些研究已经证明了先进的微流体方法在连续流中精确的细胞分选，许多仍然遭受内在的限制，阻止它们的实际应用的可行性。例如以介电泳为基础的细胞分选需要对缓冲液的电性能进行细致的维护，特别是电导率，这在不同的生物样品之间可能存在显著差异。此外，外加强电场可诱发细胞电穿孔和热损伤。气泡喷射驱动依赖于主微流控通道侧腔的微气泡产生和膨胀所产生的流动廓线的瞬时变化。当微泡在每次动作后崩溃时，它会导致回流进入空腔，从而将细胞拉向目标出口的相反方向，从而增加错误分类的风险。
[0005]由于低功耗和良好的生物相容性，声学电泳已被证明是一种有前途的微流控技术，可根据大小、密度和可压缩性对微尺度细胞和颗粒进行分类。一些最近的研究已经利用声学电泳来荧光活化筛选微粒、细胞和液滴。Johansson等人[1]和Jokobsson等人[2]分别演示了使用驻波进行荧光激活的细胞和粒子分选。这些设备是基于体声波(BAW)换能器构建的，导致了一个广泛的分选区域(在几毫米量级)，在那里大量的非目标细胞可以被分选
到目标细胞的收集出口。Nawaz等人[3]演示了驻场表面声波(SAW)驱动的FACS系统，利用聚焦换能器在声波波长(120μm)的量级上产生分选区域宽度。然而，驻波的使用固有地限制了目标细胞的最大平移位移小于声学波长的四分之一。靶细胞与非靶细胞分离距离过小可能会影响细胞分选的准确性，特别是对于较大的细胞。另外，用于粒子操纵的移动声场传输并定位到100μm宽的区域，并证明了在荧光激活系统中分选液滴和细胞的可行性。然而，流体和压电衬底之间的额外聚合物层灰衰减声波，并降低声传播效应的有效性增加声功率可能引起不小的温度上升，可能会损害细胞，并在分类后危及它们的生存能力。利用集中的声波行波，提出了另一种创造局部声学力的途径。
[0006]现有技术一的技术方案
[0007]一种基于驻场表面声波(SSAWs)的高通量细胞分选方法。利用一对聚焦数字间换能器(FIDTs)产生高分辨率和高能效的SSAW。因此，与传统的声学单元分选方法相比，分选吞吐量显著提高。并且成功地对10μm聚苯乙烯颗粒进行了分选，最小的驱动时间为72μs，这意味着潜在的分选速率超过13800次/秒。在不使用检测单元的情况下，能够演示每秒3300个试件的实际排序吞吐量。
[0008]现有技术的缺点
[0009]这些设备是基于体声波(BAW)换能器构建的，导致了一个广泛的分选区域(在几毫米量级)，在那里大量的非目标细胞可以被分选到目标细胞的收集出口。且目前的FACS系统相当复杂、昂贵、体积庞大，并且由于开放环境中气溶胶的产生，存在潜在的样品污染和生物安全问题。
[0010]现有技术二的技术方案
[0011]一种声流孔荧光激活细胞分选(FACS)设备，该设备可以同时进行按需、高通量、高分辨率的细胞检测和分选，集成在一个芯片上。给技术声流孔FACS设备使用“微流控漂移”技术精确地三维聚焦细胞/粒子，并实现单文件粒子/细胞通过激光询问区时的流动。然后利用由电子反馈系统触发的驻场表面声波(SSAW)短脉冲(150μs)对荧光标记的粒子/细胞进行分类。
[0012]现有技术二的缺点
[0013]驻波使用固有地限制了目标细胞的最大平移位移小于声学波长的四分之一。靶细胞与非靶细胞分离距离过小可能会影响细胞分选的准确性，特别是对于较大的细胞。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于移动聚焦表面声波束的荧光激活细胞分选系统及分选方法，微流控技术具有精确细胞操作的能力，在改造和小型化传统FACS系统方面具有巨大潜力。利用高度聚焦的表面声波束在千赫速率下的荧光审问来分类微米大小的粒子和生物细胞。该声波束的宽度为50μm，可以对单个粒子和细胞进行高度精确的分类，提升了分选细胞的纯度和细胞活力，具有良好的生物相容性。
[0015]本专利技术采用如下技术方案：
[0016]基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统，包括激光源、二向色分束器、凸透镜、声分选芯片、光电倍增管、带通滤波器；
[0017]激光源，用于发射一束1.2mm的激光束；
[0018]二向色分束器a，用于将激光源发射的激光束反射至下方；
[0019]凸透镜；位于二向色分束器a的下方，将反射的激光束聚焦成直径为70μm的微小激光光斑，使激光光斑与声分选芯片的荧光审问区对齐；
[0020]荧光粒子或荧光标记细胞通过激光光斑时，将被激发并发出比激发波长更长的光；
[0021]二向色分束器b，位于二向色分束器a的上侧，将通过凸透镜和二向色分束器a的荧光反射；
[0022]带通滤波器，位于二向色分束器的一侧，作用在于滤除低频和高频的干扰信号，将目标波长信号接受至光电倍增管；
[0023]悬浮颗粒或细胞被两个鞘流流体动力学限制，非荧光亚群遵循原始流线，默认流进废物出口；
[0024]光电倍增管，位于带通滤波器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统，其特征在于,包括激光源、二向色分束器、凸透镜、声分选芯片、光电倍增管、带通滤波器；激光源，用于发射一束1.2mm的激光束；二向色分束器a，用于将激光源发射的激光束反射至下方；凸透镜；位于二向色分束器a的下方，将反射的激光束聚焦成直径为70μm的微小激光光斑，使激光光斑与声分选芯片的荧光审问区对齐；荧光粒子或荧光标记细胞通过激光光斑时，将被激发并发出比激发波长更长的光，并作为目标波长信号；二向色分束器b，位于二向色分束器a的上侧，将通过凸透镜和二向色分束器a的荧光反射；带通滤波器，位于二向色分束器b的一侧，用于滤除低频和高频的干扰信号，将目标波长信号接受至光电倍增管；光电倍增管，位于带通滤波器的一侧，用于识别出被激发出更长波长荧光的荧光粒子或荧光细胞；光电倍增管一旦检测到单个靶细胞的荧光发射，将输出电压峰值触发一个函数发生器产生脉冲交流信号；声分选芯片，位于凸透镜的下侧，将放大后的脉冲交流信号应用到聚焦的数字间换能器上，产生聚焦的表面声波束，并将表面声波束耦合到相邻的流体中，使检测到了的荧光粒子或荧光细胞横向转换为同向目标出口的流线，从而实现将荧光细胞或荧光粒子筛选出来。2.根据权利要求1所述的基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统，其特征在于，还包括红色LED灯、物镜、常规镜面、长通滤光片，高速摄像机；红色LED灯，位于二向色分束器b的上侧，照亮声分选芯片；物镜，位于声分选芯片的下侧，将光放大；常规镜面，位于物镜的下侧，将光反射；长通滤光片，位于常规镜面的一侧，阻挡激光波长的强光；高速摄像机，位于长通滤光片的一侧，用于监控整个分拣过程。3.根据权利要求1所述的基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统，其特征在于，声分选芯片安装在3D打印支架上。4.根据权利要求1所述的基于移动聚焦表面声束的荧光激活细胞分选系统，其特征在于，声分选芯片的微流控通道通过管道与注射器泵连接，声分选芯片的聚焦数字换能器与功率放大器的输出连接。5.根据权利要求1所述的基于移动聚焦表面声束的荧...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚正康，
申请(专利权)人：四川成电医联科技咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：