本發(fā)明涉及流式細(xì)胞儀技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高流式細(xì)胞儀層流穩(wěn)定性的流動(dòng)室。

背景技術(shù)：

流式細(xì)胞儀是基于流式細(xì)胞術(shù)原理對(duì)樣品液中的單細(xì)胞或顆粒進(jìn)行高速、逐一的多參數(shù)定量分析或分選的儀器?？刂屏鲃?dòng)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(wěn)定形成的重要因素?；诹黧w動(dòng)力學(xué)聚焦原理，調(diào)節(jié)鞘液的速度矢量，使樣本液在通道里被包裹形成高速穩(wěn)定的層流。在高速微通道中，可以認(rèn)為兩種液體不存在混合為層流，即各液層之間不相混，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。由于光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)在照射區(qū)域?yàn)楦咚狗植稼厔?shì)，待測(cè)細(xì)胞在進(jìn)入層流，層流未穩(wěn)定的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)會(huì)造成進(jìn)入相對(duì)位置不同從而引起激光激發(fā)程度的差異，造成輸出檢測(cè)信號(hào)波動(dòng)，降低檢測(cè)精度。作為流式細(xì)胞儀液流系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，層流的形成及寬度大小對(duì)樣本液、鞘液的入口速率及方向需達(dá)到一定的精度才能滿(mǎn)足流式細(xì)胞儀液流系統(tǒng)的工作要求。

目前，流動(dòng)室多采用機(jī)械加工成熟的單鞘液式流動(dòng)室，但因單鞘液進(jìn)樣的不對(duì)稱(chēng)性，無(wú)法在保證層流形成位置相對(duì)居中的情況下調(diào)節(jié)鞘液入口速度，流體聚焦位置精度為±2μm，難以檢測(cè)更小精度的細(xì)胞或顆粒。而采用的雙鞘液式，通過(guò)控制兩種液體的入口速度矢量，流體聚焦位置精度可達(dá)±0.5μm，由于雙鞘液的對(duì)稱(chēng)性，使得樣品液流相對(duì)中心位置的偏差小，降低因激光激發(fā)差異引起的波動(dòng)信號(hào)百分比，提高檢測(cè)精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種提高流式細(xì)胞儀層流穩(wěn)定性的雙鞘液流動(dòng)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，其特征在于：所述鞘液輸入管道置于最外層，其內(nèi)部依次設(shè)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，并呈共軸圓柱環(huán)式設(shè)置，所述樣品輸入管道與所述樣品針連接，將內(nèi)部液體輸出至所述矩形通道內(nèi)部的層流輸出管道。

優(yōu)選地，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和檢測(cè)段三部分，其中鞘液被注入整流段形成穩(wěn)定層流，鞘液聚焦和擠壓樣本液形成單細(xì)胞層流，使層流中單細(xì)胞依次通過(guò)所述檢測(cè)段。

優(yōu)選地，所述聚焦段的聚焦流中的樣品流質(zhì)量為所述樣品針的樣品流質(zhì)量，即：

式中：為樣本流平均入口流速，vc為聚焦后矩形通道中心樣本流平均流速。

優(yōu)選地，對(duì)于檢測(cè)段的混合液，流動(dòng)室聚焦產(chǎn)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為聚焦后混合流體密度，d3為出口寬度。

優(yōu)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(xiàn)分布，即：

優(yōu)選地，所述流體聚焦后的寬度表示為：

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的液流聚焦實(shí)物模型圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的傳統(tǒng)液流聚焦原理圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的聚焦流寬度隨速度比變化趨勢(shì)；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的流動(dòng)室微通道模型；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的不同鞘液進(jìn)樣夾角下的液流聚焦效果圖；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的不同鞘液進(jìn)樣夾角下的液流聚焦寬度與層流寬度；

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的60°收縮角微通道模型內(nèi)混合流的密度、靜壓、質(zhì)量濃度分布效果圖；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的60°收縮角微通道模型內(nèi)混合流的靜壓、質(zhì)量濃度。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。

本發(fā)明利用有限元軟件，在忽略因機(jī)械加工不成熟和雙鞘液式觀(guān)察調(diào)節(jié)局限性等因素的影響，獲得在雙鞘液0°進(jìn)樣、60°收縮角式微通道結(jié)構(gòu)，可使聚焦過(guò)程距離縮短，層流寬度減小，聚焦后混合流內(nèi)部物質(zhì)流的穩(wěn)定性更利于層流檢測(cè)。

圖1為本發(fā)明的流動(dòng)室的液流聚焦實(shí)物模型圖；如圖1所示，本發(fā)明的雙鞘液流動(dòng)室，其能夠提高流式細(xì)胞儀層流穩(wěn)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，其特征在于：所述鞘液輸入管道置于最外層，其內(nèi)部依次設(shè)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，并呈共軸圓柱環(huán)式設(shè)置，所述樣品輸入管道與所述樣品針連接，將內(nèi)部液體輸出至所述矩形通道內(nèi)部的層流輸出管道。

如圖2所示，為本發(fā)明的流動(dòng)室的傳統(tǒng)液流聚焦原理圖，所述聚焦通道分成整流段、聚焦段和檢測(cè)段三部分，其中鞘液被注入整流段形成穩(wěn)定層流，鞘液聚焦和擠壓樣本液形成單細(xì)胞層流，使層流中單細(xì)胞依次通過(guò)所述檢測(cè)段。

聚焦過(guò)程中，忽略液體之間的物質(zhì)擴(kuò)散、混合損失，由質(zhì)量守恒可知，通過(guò)樣品針的樣品流質(zhì)量等于聚焦流中的樣品流質(zhì)量，即：

式中：為樣本流平均入口流速，vc為聚焦后矩形通道中心樣本流平均流速。

對(duì)于檢測(cè)段的混合液，流動(dòng)室聚焦產(chǎn)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為聚焦后混合流體密度，d3為出口寬度。

由于檢測(cè)段的樣品液寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通道寬度，理想情況下，認(rèn)為矩形通道出口處的混合液為完全流體，且由拋面性質(zhì)可知通道混合液流速呈拋物線(xiàn)分布，即：

故流體聚焦后的寬度表示為：

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，聚焦后的樣品液流直徑d一定。

如圖3所示，為根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的聚焦流寬度隨速度比變化趨勢(shì)；可見(jiàn)，聚焦寬度與速度比成反比。

根據(jù)以上分析，列舉了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案：

利用有限元軟件ansysfluent的有限體積法設(shè)置雙鞘液式微通道結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)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(duì)五種鞘液進(jìn)樣夾角進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到最優(yōu)鞘液進(jìn)樣方式。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的不同鞘液進(jìn)樣夾角下的液流聚焦效果圖；結(jié)論如下：在最終聚焦效果中，夾角為90°，鞘液流對(duì)樣品流的壓力最小，粘滯力小，聚焦處樣品流擴(kuò)散面積大，使的檢測(cè)區(qū)樣品流寬度過(guò)大，聚焦效果不明顯。

夾角為60°，聚焦效果初顯，聚焦處層流擴(kuò)散面積減小，且有明顯邊界，但檢測(cè)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(cè)段樣品流寬度最佳，且與鞘液流邊界明顯。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的不同鞘液進(jìn)樣夾角下的液流聚焦寬度與層流寬度，可知：當(dāng)鞘液進(jìn)樣夾角由90°變成0°時(shí)，聚焦效果逐漸明顯，聚焦寬度遞減為240μm，實(shí)現(xiàn)快速短距離聚焦。檢測(cè)區(qū)樣品流最大寬度遞減為120μm，樣品流寬度可以滿(mǎn)足單細(xì)胞流的要求。綜合上述的分析和對(duì)實(shí)際情況的考慮，采用0°夾角的鞘液進(jìn)樣方式的流動(dòng)室微通道結(jié)構(gòu)最優(yōu)。

采用0°鞘液進(jìn)樣方式的微通道結(jié)構(gòu)模型，液流的入口速度比1:4，計(jì)算的數(shù)值最小變化單位為2μm。改變收縮角θ值，當(dāng)收縮角θ逐漸增大時(shí)，聚焦段處的鞘液流作用于樣品流的切向力增大，粘滯力也隨之增大，導(dǎo)致樣本流的聚焦過(guò)渡段距離縮短，速度增加，在短時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定的聚焦層流，且不會(huì)改變檢測(cè)區(qū)內(nèi)的層流寬度。而當(dāng)收縮角θ大于60°時(shí)，聚焦效果改變不明顯或不變，因此收縮角θ選擇60°為最優(yōu)。

表2不同收縮角θ對(duì)聚焦直徑的影響

在0°鞘液進(jìn)樣方式的微通道模型中，采用60°收縮角，液流入口速度比仍設(shè)為1:4。對(duì)微通道內(nèi)部混合流的密度分布、靜壓力分布及質(zhì)量濃度分布進(jìn)行仿真，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的60°收縮角微通道模型內(nèi)混合流的密度、靜壓、質(zhì)量濃度分布效果圖。混合流的密度由整流段至檢測(cè)段分布均勻，樣品流與鞘液流兩種物質(zhì)的分界明顯，在聚焦處沒(méi)有大范圍的擴(kuò)散現(xiàn)象，混合流中各組分化學(xué)成分保持相對(duì)獨(dú)立；混合流的靜壓力在整流段和聚焦段保持相對(duì)平衡，在檢測(cè)段由于空間尺寸的減小，靜壓力增大，混合流的流速增加，檢測(cè)效率隨之增加。混合流各組分的質(zhì)量濃度在規(guī)定范圍內(nèi)保持恒定，且聚焦處無(wú)明顯的滲透現(xiàn)象，檢測(cè)段樣品流寬度不變，保證單細(xì)胞流的形成。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的流動(dòng)室的60°收縮角微通道模型內(nèi)混合流的靜壓、質(zhì)量濃度。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。