一种集成细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统及方法与流程

本发明涉及一种基于微流控芯片的生物粒子操控和检测技术，尤其涉及一种集成螺旋流道惯性分选技术、螺旋流道混合技术和粘弹性惯性直流道聚焦技术的微流控制芯片稀有细胞计数检测系统。

背景技术：

血液、尿液、胸水等体液中存在一些稀少却具有重要临床价值的稀有细胞，但因稀有细胞的含量非常低，对其的计数与检测面临着巨大挑战。目前，在临床实验室中常用的稀有细胞检测技术主要包括组织化学染色、免疫组化和流式细胞技术等，这些技术虽然相对比较成熟，但仍具有灵敏度无法达到检测要求、操作十分繁琐以及仪器价格昂贵等缺陷。

微流控技术可以实现对微量流体的精确操控，具有操控精确、效率高和成本低等优点，被广泛运用于细胞的混合、聚焦、分选与检测等方面。目前，基于微流控的细胞操控方式主要分为主动式和被动式两大类，虽然主动式借助于声、磁、电等外场作用力，具有通用性和精确度高等优点，但被动式无需外力场辅助作用，具有高通量、低成本和容易操作等优势，在微流控芯片中具有较好的应用前景。现如今，已出现了很多采用被动式操控的微流控芯片，例如通过依据尺寸特性对细胞进行分选，然后对分选后的细胞直接进行计数检测。但分选后的细胞进入新的流道后可能会对细胞的原聚焦状态产生影响，从而影响检测精度；且在对细胞计数检测时，细胞很难保持单一位置聚焦，会出现细胞并排、多个细胞同时通过计数检测区域等问题，降低了细胞计数检测的精度。因此，实现更加精确聚焦与检测在细胞分选与检测领域具有十分重要的意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种集成细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统及方法，该系统集成了螺旋流道惯性分选混合技术及直流道内的粘弹性惯性聚焦技术；其中螺旋惯性流道借助惯性效应及dean流实现了对细胞依据其尺寸特性进行分选，通量高、分选快速，且高的流动速度有利于下一步承载液的混合；螺旋混合流道实现了对粘弹性承载液的混合调配，使得溶液在正反两个方向的dean流作用下能够均混合，表现出预期的粘弹性作用，帮助后续直流道对分选后的稀有细胞稳定地在流道截面中心的单一平衡位置聚焦；提高计数检测的精确性，实现高精度检测的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种集成细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统，包括粘弹性流体进样装置、样品进样装置、废液收集装置、图像采集装置、微流控芯片、样品收集装置和微型计算机，其中：

所述微流控芯片包括流道层和基底层，所述流道层和基底层由上而下封装；所述流道层包括螺旋流道、分叉流道、下分支流道、上分支流道、粘弹性流体进样流道、螺旋混合流道和聚焦主流道；所述螺旋流道一端开设有样品入口，而另一端与分叉流道连接；所述分叉流道开设有两个出口，其中的一个出口与下分支流道的入口连接，另一个出口与上分支流道的入口连接，且所述下分支流道位于远离螺旋流道的一侧，而所述上分支流道位于靠近螺旋流道的一侧；所述下分支流道的出口为废液出口；

所述螺旋流道的流道旋转方向为逆时针旋转或者为正时针旋转；所述螺旋混合流道包括两个以上的混合支流道，相邻的两个混合支流道之间通过突扩结构流道连接，且相邻的两个混合支流道之间的流道旋转方向相反；所述聚焦主流道为直流道；

所述粘弹性流体进样流道的入口为粘弹性样品入口，所述上分支流道的出口、粘弹性流体进样流道的出口均连接在螺旋混合流道的入口上；所述螺旋混合流道的出口与聚焦主流道入口连接；所述聚焦主流道的出口为稀有细胞出口；

所述粘弹性流体进样装置通过第一微管与粘弹性样品入口连接；所述样品进样装置通过第二微管与样品入口连接；所述废液收集装置通过第三微管与废液出口连接；所述样品收集装置通过第四微管与稀有细胞出口连接；所述图像采集装置通过数据线与微型计算机通信连接；所述图像采集装置位于聚焦主流道的上方，且所述图像采集装置靠近稀有细胞出口。

优选的：所述聚焦主流道是截面为正方形的惯性直流道。

优选的：所述聚焦主流道入口截面的面积比所述螺旋混合流道出口截面的面积大。

优选的：所述粘弹性流体进样装置中注入的粘弹性溶液为聚乙烯吡咯烷酮溶液或透明质酸溶液。

优选的：所述混合支流道的个数为两个，且这两个混合支流道关于突扩结构流道的方向相反。

一种集成细胞分选聚焦的微流控芯片检测方法，样品进样装置将稀释后的样品通过第一微管输送到螺旋流道中，同时粘弹性流体进样装置开始注入粘弹性溶液；细胞在螺旋流道中受到惯性效应和dean流作用，稀有细胞和红细胞将聚集在不同的平衡位置，然后通过分叉流道将稀有细胞输送入上分支流道，得到稀有细胞溶液，将红细胞输送到下分支流道，由第三微管进入到废液收集装置中；稀有细胞溶液与注入的粘弹性溶液相遇，一同进入螺旋混合流道，稀有细胞溶液和粘弹性溶液在螺旋混合流道中由于dean流的作用进行混合，混合均匀的承载液表现出预期的粘弹性；然后承载液进入聚焦主流道时；在聚焦主流道中，由于流体受到混合好后的承载液的粘弹性效应和惯性效应的共同作用，稀有细胞在溶液中逐渐汇集至流道中心，实现在流道中心单一平衡位置的聚焦，然后通过图像采集装置对流道中聚集后的稀有细胞进行影像记录，将记录的图片传至微型计算机，再通过微型计算机对稀有细胞进行分析处理，图像采集后的溶液进入到样品收集装置中。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

流体在螺旋流道中由于惯性效应和dean流作用，将稀有细胞和其他细胞聚集在不同的平衡位置，然后通过分叉流道将稀有细胞导入上分支流道，将其他细胞导入下分支流道；稀有细胞溶液与原先注入的高粘弹性溶液相遇，一同进入螺旋混合流道，稀有细胞溶液和高粘弹性溶液在螺旋混合流道中由于dean流的作用进行混合；当混合后的流体进入聚焦主流道时，由于流道截面面积变大，流体的流速降低；在聚焦主流道中，由于流体受到粘弹性效应和惯性效应的共同作用，稀有细胞在溶液中逐渐汇集至流道中心，实现在流道中心单一平衡位置的聚焦，避免了稀有细胞进入新的流道后会对细胞的的原聚焦状态产生影响的可能，解决了原本可能会出现的细胞并排、多个细胞同时通过计数检测区域等问题；然后通过高速图像采集装置对流道中聚集后的稀有细胞进行记录，将记录的图片传至微型计算机，再通过微型计算机对稀有细胞的形态、数量、表面特征等进行分析处理；实现了对分选后的稀有细胞更加精确的计数检测结果的获取。

附图说明

图1为本发明能实现细胞分选及细胞中心位置聚焦与检测的微流控芯片系统示意图；

图2为本发明微流道芯片的结构示意图；

图3为本发明螺旋流道惯性分选原理示意图；

图4为本发明分叉流道处分选原理示意图；

图5为本发明螺旋混合流道原理示意图；

图6为本发明螺旋混合流道与聚焦主流道处结构示意图；

图7为本发明聚焦主流道中粘弹性惯性流道细胞聚焦原理示意图；

图中：11、粘弹性流体进样装置，111、第一微管，12、样品进样装置，121、第二微管，13、废液收集装置，131、第三微管，14、高速图像采集装置，15、微流控芯片，151、流道层，152、基底层，16、样品收集装置，161、第四微管，17、微型计算机，171、数据线，21、螺旋流道，211、样品入口，22、分叉流道，23、下分支流道，231、废液出口，24、上分支流道，25、粘弹性流体进样流道，251、粘弹性样品入口，26、螺旋混合流道，27、聚焦主流道，271、稀有细胞出口，28、突扩结构流道，31、螺旋流道外壁面，32、螺旋流道内壁面，33、dean流，41、稀有细胞，42、红细胞，51、混合流道外壁面，52、混合流道内壁面，53、粘弹性溶液，54、稀有细胞溶液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种集成细胞分选聚焦的微流控芯片检测系统，如图1、2所示，包括粘弹性流体进样装置11、样品进样装置12、废液收集装置13、图像采集装置14、微流控芯片15、样品收集装置16和微型计算机17，其中：

如图2所示，所述微流控芯片15由流道层151和基底层152由上而下封装而成；所述流道层151包括螺旋流道21、分叉流道22、下分支流道23、上分支流道24、粘弹性流体进样流道25、螺旋混合流道26和聚焦主流道27；所述螺旋流道21一端开设有样品入口211，而另一端与分叉流道22连接；所述分叉流道22开设有两个出口，其中的一个出口与下分支流道23的入口连接，另一个出口与上分支流道24的入口连接，且所述下分支流道23位于远离螺旋流道21的一侧，而所述上分支流道24位于靠近螺旋流道21的一侧；所述下分支流道23的出口为废液出口231；

所述螺旋流道21的流道旋转方向为逆时针旋转或者为正时针旋转；所述螺旋混合流道26包括两个以上的混合支流道，相邻的两个混合支流道之间通过突扩结构流道28连接，且相邻的两个混合支流道之间的流道旋转方向相反，所述混合支流道的个数为两个，且这两个混合支流道关于突扩结构流道28的方向相反；所述聚焦主流道27是截面为正方形的惯性直流道。

所述粘弹性流体进样流道25的入口为粘弹性样品入口251，所述上分支流道24的出口、粘弹性流体进样流道25的出口均连接在螺旋混合流道26的入口上；所述螺旋混合流道26的出口与聚焦主流道27入口连接；所述聚焦主流道27的出口为稀有细胞出口271；所述聚焦主流道27入口截面的面积比所述螺旋混合流道26出口截面的面积大。

所述粘弹性流体进样装置11通过第一微管111与粘弹性样品入口251连接；所述粘弹性流体进样装置11中注入的粘弹性溶液53为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶液或透明质酸(ha)溶液。所述样品进样装置12通过第二微管121与样品入口211连接；所述废液收集装置13通过第三微管131与废液出口231连接；所述样品收集装置16通过第四微管161与稀有细胞出口271连接；所述图像采集装置14通过数据线171与微型计算机17通信连接；所述图像采集装置14位于聚焦主流道27的上方，且所述图像采集装置14靠近稀有细胞出口271。

粘弹性流体进样装置11和样品进样装置12为注射泵，废液收集装置13、样品收集装置16为试管，图像采集装置14为摄像头。

本发明的主要工作流程：样品进样装置12将稀释后的血液样品通过第一微管111输送到螺旋流道21中，同时粘弹性流体进样装置11开始注入粘弹性溶液53；细胞在螺旋流道21中受到惯性效应和dean流作用，由于体积大小不同，稀有细胞41和红细胞42将聚集在不同的平衡位置，然后通过分叉流道22将稀有细胞41输送入上分支流道24，得到稀有细胞溶液54，将红细胞42输送到下分支流道23，经由第三微管131，进入到废液收集装置13中；稀有细胞溶液54与原先注入的粘弹性溶液53相遇，一同进入螺旋混合流道26，稀有细胞溶液54和粘弹性溶液53在螺旋混合流道26中由于截面dean流的作用进行混合，混合好的粒子承载液表现出预期的粘弹性效应；然后混合后的流体进入聚焦主流道27时；在聚焦主流道27中，由于流体受到粘弹性效应和惯性效应的共同作用，稀有细胞41在溶液中逐渐汇集至流道中心，实现在流道中心单一平衡位置的聚焦，然后通过图像采集装置14对流道中聚集后的稀有细胞进行图像记录，将记录的图片传至微型计算机17，再通过微型计算机17对稀有细胞的形态、数量、表面特征等进行分析处理，图像采集后的溶液进入到样品收集装置16中。

如图3所示，为本发明螺旋流道惯性分选原理示意图，在螺旋流道21中，流体的运动可在流道截面方向分解。在流道的截面方向上，细胞由于泊肃叶流受到指向壁面的剪切诱导惯性升力和指向流道中心的壁面诱导惯性升力，这两种力合称为惯性升力f，流道中心的流体比周围流体的流速更快，受到的离心力也更大，使得流道中心的流体流向螺旋流道外壁面31，从而使靠近螺旋流道外壁面31的流体将沿着上下壁面回流，于是在流道的截面上产生了dean流33，而dean流33会对细胞产生拽力fd作用；如图3中①②③④⑤⑥处的细胞，各自受到的力都不相同，只有①处受到惯性升力f和dean流拽力fd是大小相同方向相反的，两力相互抵消达到平衡，细胞在此得以平衡聚焦。此外，惯性升力f和dean流拽力fd的大小都与细胞的尺寸相关，所以最终尺寸较大的稀有细胞平衡在更加靠近螺旋流道内壁面32处，而红细胞则平衡在更加靠近螺旋流道外壁面31处。

如图4所示，为分叉流道处分选原理示意图；在螺旋流道21的末端，稀有细胞41和血细胞42由于上述两力的共同作用已相互达到各自的平衡位置；当细胞进入分叉流道22时，由于流道的拓宽使得细胞所受的指向流道中心的壁面诱导惯性升力减小，使得细胞向壁面靠近，稀有细胞41和血细胞42之间的距离也将变大；然后流体进入分岔口，稀有细胞41进入上分支流道，而血细胞42则进入下分支流道，完成了细胞的分选。

分选后的稀有细胞溶液54和粘弹性溶液53将一同进入混合流道；如图2所示，在上分支流道24、粘弹性流体进样流道25和螺旋混合流道26的接口处，该接口处的流道与进入的螺旋混合流道26的液体流向相反，该接口处的流道与上分支流道24的液体流向相反，因此，在通过螺旋流道21分选后的稀有细胞溶液54进入该接口处的流道的流体，其仍然还存在有螺旋流道21所产生的惯性升力f和dean流拽力fd，在进入到螺旋混合流道26后，螺旋混合流道26也产生相应的惯性升力f和dean流，此时，螺旋流道21所产生的惯性升力f和dean流拽力fd，以及螺旋混合流道26所产生的惯性升力f和dean流拽力，这四个力的相互作用，使得稀有细胞溶液54和高粘弹性溶液53在接口处就进行混合。在混合流道中，如图5所示，流体的运动也可在流道截面方向分解，由于流道是弯流道，流道中心的流体比周围流体的流速更快，受到的离心力也更大，使得流道中心的高粘弹性溶液53流向混合流道外壁面51，从而使靠近混合流道外壁面51的稀有细胞溶液54将沿着上下壁面回流，于是在流道的截面上产生了dean流33；稀有细胞溶液54和高粘弹性溶液53在离心力和dean流的作用下在流道内产生横向运动，进而两种溶液混合，再经流螺旋流道进入突扩结构流道28进入旋转方向相反的螺旋流道，原先离心力和dean流的作用力的方向变成原来的反方向，提升了综合混合效果，最终得到具有粘弹性的稀有细胞溶液。

如图6所示，螺旋混合流道26的末端进入聚焦主流道27，聚焦主流道27是截面为正方形的惯性流道，而且聚焦主流道27入口截面比螺旋混合流道26截面大，以达到增加流道截面降低流速的效果。同时螺旋混合流道26的dean流对稀有细胞有初步聚焦作用，能够一定程度上加快稀有细胞在后续聚焦主流道27中的聚焦速度。

如图2所示，螺旋混合流道26与聚焦主流道27通过垂直管道相接，也就是说聚焦主流道27方向与螺旋混合流道26连接处的切向相垂直，因此，当液体从螺旋混合流道26流到此处时，螺旋混合流道26对液体产生的惯性升力f和dean流拽力被转向，一方面此种设计加速了螺旋混合流道26中稀有细胞的混合，另一方面，减小了螺旋混合流道26所产生的惯性升力f和dean流拽力，使得液体进入到聚焦主流道27中，受到的螺旋混合流道26所产生的惯性升力f和dean流拽力的影响减小，方便稀有细胞的聚焦，如图7所示；流体中的稀有细胞受到沿流动方向拖拽而加速至和周围流体同样的速度，同时稀有细胞又受到在垂直于流动方向上因流体剪切而产生惯性升力，使得稀有细胞在较短的距离内聚焦于平衡位置；又因为稀有细胞受粘弹性效应的作用，使得稀有细胞聚焦于流道中心单一平衡位置。

随后通过高速图像采集装置对流道中聚集后的稀有细胞进行记录，将记录的图片传至微型计算机，再在微型计算机中利用软件对收集到的图片信息进行分析处理，以获得稀有细胞的形态、数量以及表面特征等。实现了对分选后的稀有细胞更加精确的计数检测结果的获取。

本发明实现了对细胞依据其尺寸特性进行分选，对粘弹性承载液的混合调配，对分选后的稀有细胞在流道截面中心的单一平衡位置聚焦；提高了计数检测的精确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。