适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构、硬件装置及应用制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构、硬件装置及应用，所述三维流体聚焦结构主要包括具体结构、实现方法以及配套硬件系统。该结构中鞘流为绝缘溶液、样品流为高电导率溶液，细胞在样品流中穿行并阻挡电场线以实现阻抗检测。该结构采用鞘流导管包裹样品流导管的“套管”结构，将样品流聚焦在中心轴上，实现三维聚焦；通过圆盘状分离结构的样品流扩展通道快速分离鞘流和样品流，适用于微流控阻抗细胞仪。与已有方法相比，本发明专利技术采用流体聚焦，避免了通道堵塞等问题，调节鞘流与样品流的流率比控制聚焦尺寸可检测不同尺寸的细胞，利用样品流扩展通道可保证阻抗检测的灵敏度，故可实现单细胞阻抗数据的高灵敏、高通量检测。高通量检测。高通量检测。

【技术实现步骤摘要】
适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构、硬件装置及应用


[0001]本专利技术涉及一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构、硬件装置及应用，属于细胞检测


技术介绍

[0002]血液是人体的重要组成成分，承担着运输营养物质、代谢废物等重要人体机能。外周血细胞主要包括红细胞、白细胞和血小板三大类，其中白细胞在人体免疫系统中发挥不可替代的作用，还可以进一步分为：中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、单核细胞和淋巴细胞。血细胞的数目和状态会依据人体的健康状态产生变化，例如，尺寸偏小的红细胞常见于缺铁性贫血和慢性疾病性贫血等，镰刀形红细胞常见于镰状细胞贫血，因此明确血细胞的数目及状态有助于了解机体状态、疾病诊断和指导用药。
[0003]目前，商用血细胞分析仪利用库尔特原理实现红细胞、白细胞和血小板的计数。库尔特原理是指在小孔两侧插入电极上施加直流电压，细胞在通过小孔时会阻挡电场线，从而引起阻抗脉冲，阻抗脉冲的数目代表了通过小孔的细胞数目从而实现细胞计数，阻抗脉冲的幅值与细胞的尺寸成正比。该方法的优势是单细胞逐一流经检测区域，可以实现细胞的快速计数；缺陷是由于细胞占检测区域的体积较小，细胞阻挡电场线的程度有限导致阻抗脉冲变化较小，即阻抗检测的灵敏度较低。
[0004]基于固体通道的微流控阻抗细胞仪主要包括基于微通道和压缩通道的两种方法，基于微通道的微流控阻抗细胞仪检测原理是：微通道的横截面积大于细胞尺寸，微通道的通道内壁上集成一对金属电极，在电极上施加交流电压，细胞在穿行通过电极位置时会阻挡电场线，从而引起电流变化，进而转换为阻抗脉冲。该方法的优势是检测通量较高；缺陷是电流变化受细胞与电极间的距离影响，细胞所阻挡的电场线占比较小，仅能引起微弱的电流变化，即阻抗检测的灵敏度较低。基于压缩通道的微流控阻抗细胞仪检测原理是：压缩通道的横截面积小于细胞尺寸，压缩通道的底面集成一对金属电极，电极上施加交流电压，细胞被挤压后穿行通过压缩通道，完全阻挡电场线，引起较大的阻抗脉冲，并且基于电学模型可得到细胞的电学特性。该方法的优势是电流变化大，对细胞的电学特性较为敏感，可进一步表征细胞的生物物理电学特性，即阻抗检测的灵敏度较高；缺陷是受压缩通道横截面积的限制，压缩通道只能适配一定尺寸范围内的细胞，且存在压缩通道容易堵塞的问题，检测通量相对较低。综上，目前基于固体通道的微流控阻抗细胞仪存在检测灵敏度和检测通量之间的折衷，即通道尺寸大于细胞尺寸时，检测通量较高而细胞引起的阻抗变化较低；反之，当通道尺寸小于细胞尺寸时，阻抗检测灵敏度较高而存在通道易堵塞的问题，从而导致检测通量较低。
[0005]基于流体聚焦的微流控阻抗细胞仪可实现小体积的检测区域同时避免通道堵塞，主要包括二维聚焦和三维聚焦的两种方法。二维流体聚焦可分为在微通道的宽度或高度方向聚焦两种，以宽度方向上实现流体聚焦的微流控阻抗细胞仪为例，其检测原理为：微通道
的通道壁上集成了一对金属电极并施加交流电压，利用绝缘鞘流将悬浮细胞的导电样品流聚焦在宽度方向上一定尺寸内，从而在宽度上限制了电场线的分布，细胞在通过电极位置时会阻挡大部分宽度方向上的电场线，而在高度方向上细胞只阻挡部分电场线。该方法检测通量较高，但只能在一定程度上提高阻抗检测的灵敏度。三维流体聚焦是在微通道的宽度和高度方向上同时聚焦，基于三维聚焦的微流控阻抗细胞仪的检测原理为：在微通道的入口和出口处连接一对金属电极线并施加交流电压，利用绝缘鞘流将导电样品流聚焦在通道的中心轴上，在宽度和高度方向上同时限制电场线的分布，细胞在样品流中穿行时会阻挡大部分的电场线，从而引起较大的阻抗变化。该方法具有较高的检测通量，但是目前已有的三维流体聚焦的检测方法通常将样品流聚焦到较小的尺寸，不能实现样品流的扩展，导致阻抗基线较高，会掩盖细胞通过时引起的阻抗变化。
[0006]因此，发展一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构是非常有意义的。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构、硬件装置及应用。所述一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构，主要包括具体结构、实现方法以及与该结构相匹配的测量细胞阻抗所需的硬件系统。该结构采用不导电的流体作为鞘流、高电导率的流体作为样品流，细胞在三维聚焦后的样品流中穿行并阻挡电场线从而实现单个细胞的阻抗检测。为实现流体的三维聚焦，该结构采用鞘流导管包裹样品流导管的“套管”结构，将样品流聚焦在通道的中心轴上；为适用于微流控阻抗细胞仪，该结构通过样品流扩展通道的圆盘状分离结构可实现绝缘鞘流和导电样品流的快速分离。
[0008]本专利技术利用微流控技术，专利技术了一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构。该方法相较于现有技术，有两方面改进目标：
[0009](1)目前已有的基于固体微通道的微流控阻抗细胞仪中，基于微通道的检测方法中细胞引起的阻抗变化较小；基于压缩通道的检测方法受压缩通道尺寸的限制，压缩通道易被堵塞，检测通量降低，且仅能检测一定尺寸范围的单细胞阻抗。
[0010]针对这个缺点，本专利技术设计了三维流体聚焦通道，通过流体聚焦的方式，可以提高单细胞的检测通量；通过调节流体的流速控制聚焦尺寸，可以检测不同尺寸范围的单细胞阻抗。
[0011](2)目前已有的基于流体聚焦的微流控阻抗细胞仪中，基于二维流体聚焦的检测方法仅能一定程度上提高阻抗检测的灵敏度，基于三维流体聚焦的检测方法将样品流聚焦到较小尺寸后较难展开，细胞引起的阻抗变化被较高的阻抗基线所掩盖。
[0012]针对这个缺点，本专利技术设计了圆盘状分离结构，在聚焦通道后串联了四个圆盘状分离结构并与外界大气压相连，在出口前实现了样品流的三维扩展，可以保证阻抗检测的高灵敏度。
[0013]本专利技术采用如下技术方案：
[0014]一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构，包括样品流导入通道、鞘流导入通道、三维聚焦通道、样品流扩展通道、鞘流导出通道和样品流导出通道；
[0015]样品流导入通道，用于通入悬浮细胞的导电样品流；
[0016]鞘流导入通道，用于通入不导电的流体，使所述不导电的流体完全包裹所述样品
流；
[0017]三维聚焦通道与样品流导入通道后端和鞘流导入通道后端连接，所述三维聚焦通道将样品流以横截面聚焦在三维聚焦通道的中心轴上；
[0018]样品流扩展通道连接在三维聚焦通道后端，用以帮助聚焦后的样品流三维展宽；
[0019]鞘流导出通道与样品流扩展通道连接；
[0020]样品流导出通道与样品流扩展通道后端连接。
[0021]进一步地，所述三维流体聚焦结构由3D打印技术打印绝缘树脂材料形成；可选地，所述三维流体聚焦结构的加工使用3D打印技术和光敏树脂的绝缘材料，基于光固化方法一体化完成三维聚焦结构的制作，且能够实现样品流导入通道和鞘流导入通道的对准，以保证样品流被聚焦在三维聚焦通道的中心轴上。
[0022]进一步地，样品流导入通道的横截面为圆形，样品流导入通道横截本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于微流控阻抗细胞仪的三维流体聚焦结构，其特征在于，包括样品流导入通道(106)、鞘流导入通道(105)、三维聚焦通道(107)、样品流扩展通道(109)、鞘流导出通道(108)和样品流导出通道(110)；样品流导入通道(106)，用于通入悬浮细胞的导电样品流；鞘流导入通道(105)，用于通入不导电的流体，使所述不导电的流体完全包裹所述样品流；三维聚焦通道(107)与样品流导入通道(106)后端和鞘流导入通道(105)后端连接，所述三维聚焦通道(107)将样品流以圆形横截面聚焦在三维聚焦通道(107)的中心轴上；样品流扩展通道(109)连接在三维聚焦通道(107)后端，用以帮助聚焦后的样品流三维展宽；鞘流导出通道(108)与样品流扩展通道(109)连接；样品流导出通道(110)与样品流扩展通道(109)后端连接。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述三维流体聚焦结构由3D打印技术打印绝缘树脂材料形成；可选地，所述三维流体聚焦结构的加工使用3D打印技术和光敏树脂的绝缘材料，基于光固化方法一体化完成三维聚焦结构的制作，且能够实现样品流导入通道(106)和鞘流导入通道(105)的对准，以保证样品流被聚焦在三维聚焦通道(107)的中心轴上。3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，样品流导入通道(106)的横截面为圆形，样品流导入通道(106)横截面直径从约1000微米渐变至约100微米。4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，鞘流导入通道(105)是两个圆形通道，所述两个圆形通道对称分布在样品流导入通道(106)的两侧以使所述不导电的流体完全包裹样品流；优选地，鞘流导入通道(105)的每个圆形通道的横截面直径为500微米。5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，三维聚焦通道(107)是圆形通道，所述三维聚焦通道(107)将样品流以圆形横截面聚焦在三维聚焦通道(107)的中心轴上；可选地，所述三维聚焦通道(107)的横截面直径为50微米，聚焦后的样品流的直径在0～50微米内变化；可选地，样品流直径为0微米，则不通入样品流；可选地，样品流直径为50微米，则不通入鞘流。6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，样品流扩展通道(109)是连接在三维聚焦通道(107)后端的四个圆盘状分离结构，用以帮助聚焦后的样品流三维展宽(经过第一个圆盘状结构，聚焦后约5微米直径的样品流可展宽至直径约10微米)；可选地，每个圆盘状分离结构的直径为150微米、厚度为50微米。7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，鞘流导出通道(108)是与样品流扩展通道(109)左右连接的对称矩形和圆形通道；优选地，矩形通道距样品流扩展通道(109)中心轴75微米，高度为200微米，宽度为350微米；优选地，圆形通道直径从500微米渐变至1000微米。8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，样品流导出通道(110)是与样品流扩展通道(109)后端连接的圆形通道；优选地，所述样品流导出通道(110)横截面直径从500微米渐变至1000微米。9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述不导电的流体为绝缘鞘流；可选地，所
述鞘流...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，王闵瑞虹，卫元晨，霍晓叶，谭惠文，陈德勇，王军波，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：