一种粒子排序装置的制作方法

本实用新型属于微操控技术领域，具体涉及一种粒子排序装置。

背景技术：

流式细胞仪是对细胞进行自动分析和分选的装置，其主要由如下四部分组成：流动室和液流系统；激光源和光学系统；光电管和检测系统；计算机和分析系统。流式细胞仪能够对每个细胞进行多种定量分析，是在血液、骨髓等组织中检测稀有细胞的有力工具，当细胞悬液进入到流式细胞仪时，细胞在管道内呈三维空间的随机分布，使细胞逐个穿过激光束，保证数据采集的准确性。流动室由样品管、鞘液管和喷嘴等组成。

流式细胞仪通过流体动力聚焦技术实现细胞在管道内逐个穿过激光束，即通过鞘液带动细胞并将其限制在管道的中心位置，建立起单细胞流，具体为，在流动室中，流动室包括样品管、鞘液管和喷嘴，样品管用于贮放样品，单个细胞悬液在液流压力作用下从样品管射出，鞘液由鞘液管进入样品管中，从样品管内的四周流向喷孔，包围在样品外周后从喷嘴射出，通过鞘液带动细胞并将其限制在中心位置，建立起单细胞流。然而上述还存在如下缺陷：为了保证液流是稳液，一般限制液流速度小于10m/s，对样品液的流速有很大的限制，不利于大量样本或者稀有细胞的检测，而且一旦样品液流速稍高，很容易引起喷嘴的堵塞，造成细胞偏离激光中心甚至发生淤积，使得细胞的聚焦效果下降，而细胞偏离激光中心越远，激发光强度变化就越大，CV值也越高，造成检测精确度和灵敏度的下降，而且使用的鞘液也可能对样品液引入污染。因此，传统方法的分析通量和分析精度之间存在着较大的矛盾关系。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的粒子操控困难，无法进行高通量的分析检测，致使检测结果不精确、灵敏度低，从而提供一种粒子排序装置，能够对粒子进行操控，对高通量的样品液中的粒子进行排序，可以进行高通量分析检测，且检测结果精确、灵敏度高。

为此，本实用新型提供了一种粒子排序装置，包括样品管，所述样品管内部设置样品通道，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道底部的宽度沿竖直方向向下递减，所述样品管上方设置至少一个超声换能器。

所述的粒子排序装置，所述样品管上设置一个主超声换能器和两个辅超声换能器，所述主超声换能器设置在所述样品通道的正上方，两个所述辅超声换能器分别设置在所述主超声换能器的两侧。

所述的粒子排序装置，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道的截面为圆形或椭圆形。

所述的粒子排序装置，所述样品通道为圆形时，所述样品通道的半径为120-250μm。

所述的粒子排序装置，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道设置在所述样品管的中间。

所述的粒子排序装置，所述样品通道为圆形时，所述样品通道与所述样品管同心设置。

所述的粒子排序装置，所述样品管为棱柱形或圆形。所述样品管为棱柱形时，优选的为六棱柱形。

所述的粒子排序装置，所述样品管的半径为1-3mm。

所述的粒子排序装置，所述样品管包括导入段和延伸段，所述导入段为设置在所述样品管的进液端，所述导入段设置导入口，所述导入口的半径沿着样品流动方向递减。

本实用新型还提供了一种流式细胞仪，包括流动室、液流系统、激光源、光学系统、光电管、检测系统、计算机和分析系统，其中，所述流动室包括样品管和喷嘴，所述样品管采用上述的粒子排序装置。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

(1)本实用新型所述的粒子排序装置，包括样品管，所述样品管内部设置样品通道，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道底部的宽度沿竖直方向向下递减，所述样品管上方设置至少一个超声换能器；通过在所述样品管上方设置超声换能器可以产生声辐射力，所述声辐射力作用于所述样品通道内的待测样品液中的粒子，粒子向所述样品通道底部运动，又由于在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道底部的宽度沿竖直方向向下递减，最终所述样品液中的粒子只能在所述样品通道的底部的最低处排列，沿着所述样品流动方向形成单粒子流，所述单粒子流在样品液本身的流动力场下向所述样品管的出口方向移动，在所述样品管的出口附近可以对粒子如细胞进行计数检测筛选等，解决了现有技术中对于微粒的操控困难，无法对粒子进行排序，所述粒子难以形成单粒子流，无法进行分析，检测结果不精确、灵敏度低的问题，同时还避免引入鞘液造成可能对样品液污染的问题。

(2)本实用新型所述的粒子排序装置，所述样品管上设置一个主超声换能器和两个辅超声换能器，所述主超声换能器设置在所述样品通道的正上方，两个所述辅超声换能器分别设置在所述主超声换能器的两侧；通过主超声换能器和辅超声换能器的复合声辐射力的作用，所述样品液中的粒子更容易排列在所述样品通道底部形成单粒子流，避免粒子淤积在所述样品通道的底部。

(3)本实用新型所述的流式细胞仪，包括流动室、液流系统、激光源、光学系统、光电管、检测系统、计算机和分析系统，所述流动室包括样品管和喷嘴，其中所述的样品管采用所述的粒子排序装置；通过将流式细胞仪中的样品管替换为本实用新型所述的粒子排序装置，当采用上述流式细胞仪分析时，待测样品液中的细胞等粒子可以在所述粒子排序装置中的样品管排列成单细胞流或单粒子流，形成的单细胞流或单粒子流经过喷嘴喷出，在所述样品管的出口附近可以对粒子如细胞序列进行计数检测筛选等，检测结果精确、灵敏度高，且避免使用鞘液管，使得操作更简单，同时避免使用鞘液造成可能对样品液污染的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的实施例1-3中所述的粒子排序装置剖视图；

图2为本实用新型的实施例2中所述的粒子排序装置延伸段的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例2中所述的粒子排序装置延伸段的截面图；

图4为本实用新型的实施例3中所述的粒子排序装置的结构示意图；

图5为本实用新型的实施例3中所述的粒子排序装置的截面图。

附图标记说明：

1-样品管，2-样品通道，3-超声换能器，4-主超声换能器，5-辅超声换能器，6-导入段，7-延伸段，8-导入口。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供了一种粒子排序装置，如图1所示，所述样品管1为圆形，半径为1mm，所述样品管1内部设置样品通道2，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2底部的宽度沿竖直方向向下递减，在本实施例中，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2的截面为圆形，所述样品通道2与所述样品管1同心设置，所述样品通道2设置在所述样品管1的中间，所述样品通道2的半径为120-250μm，在本实施例中所述样品通道2的半径为250μm，所述样品管1上方设置一个超声换能器3。所述样品管为透声材料制成，在本实施例中所述样品管选择TPX材料制成的。在本实施例中，所述超声换能器3为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片可以与外设的控制电路连接，所述压电陶瓷片的功率和频率可以通过调节外设的控制电路的输入的功率和频率获得。所述压电陶瓷片为采用PZT4或PZT8压电陶瓷(由美国CTS公司提供)制成。

进一步的，所述样品管包括导入段6和延伸段7，所述导入段6为设置在所述样品管1的进液端，所述导入段6设置导入口8，所述导入口8的半径沿着样品流动方向递减，所述超声换能器3设置在所述样品管1的延伸段7。所述导入段6部分的所述样品通道2半径大于所述延伸段7部分的所述样品通道2的半径，所述延伸段7部分的所述样品通道2的半径为250μm。

通过在所述样品管1的上方设置超声换能器3，利用所述超声换能器3产生的声辐射力作用于所述样品通道2内部的待测样品液，推动所述样品液中的粒子如细胞向所述样品通道2底部运动，又由于在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2底部的宽度沿竖直方向向下递减，如将所述样品通道2截面设置为圆形，控制圆形的半径为250μm，所述圆形的最低处只能容纳单个粒子如细胞，使得所述样品液中的粒子并成单排排列，在所述样品通道2的底部形成单粒子流如单细胞流，避免粒子如细胞淤积在所述样品通道2的底部，并且减少所述样品通道2的侧壁对粒子如细胞前进的阻力，使得在所述样品液的流动力场作用，带动已经排列在所述样品通道2底部的单粒子流如单细胞流向所述样品管1的出口方向移动，在所述样品管1的出口附近可以对粒子如细胞进行计数检测筛选等。

实施例2

本实施例提供了一种粒子排序装置，如图1-3所示，所述样品管1为圆形，半径为2mm，所述样品管1内部设置样品通道2，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2底部的宽度沿竖直方向向下递减如图3所示，在本实施例中，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2的截面为圆形，所述样品通道2与所述样品管同心设置，所述样品通道2的半径为120-250μm，在本实施例中所述样品通道2的半径为120μm，所述样品管1上方设置3个超声换能器3，包括一个主超声换能器4和两个辅超声换能器5，所述主超声换能器1设置在所述样品通道2的正上方，两个所述辅超声换能器5对称设置在所述主超声换能器4的两侧。所述样品管为透声材料制成，在实施例中所述样品管选择PMMA材料制成的。进一步的，所述样品管包括导入段6和延伸段7，所述导入段6为设置在所述样品管1的进液端，所述导入段6设置导入口8，所述导入口8的半径沿着样品流动方向递减，所述超声换能器3设置在所述样品管1的延伸段7，所述导入段6部分的所述样品通道2半径大于所述延伸段7部分的所述样品通道2的半径，所述延伸段7部分的所述样品通道2的半径为120μm。本实施例中，所述超声换能器3为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片可以与外设的控制电路连接，所述压电陶瓷片的功率和频率可以通过调节外设的控制电路的输入的功率和频率获得。所述压电陶瓷片为采用PZT4或PZT8压电陶瓷(由美国CTS公司提供)制成。

实施例3

本实施例提供了一种粒子排序装置，如图4-5所示，所述样品管1为正六棱柱形，所述正六棱柱形的底面半径为3mm，所述样品管1内部设置样品通道2，在与所述样品流动方向垂直的方向上，所述样品通道2底部的宽度沿竖直方向向下递减如图5所示，在本实施例中，所述样品通道2的截面为椭圆形，所述椭圆形的两个焦点在竖直方向，且两个焦点的连线通过所述六棱柱形的底面的中心，所述椭圆形的两端分别朝上和朝下，所述样品通道2最低处的宽度小于2倍的待测粒子的粒径，所述样品管1上方设置三个超声换能器3，其中包括一个主超声换能器4和两个辅超声换能器5，所述主超声换能器4设置在所述样品通道2的正上方，即所述主超声换能器4固定设置在所述六棱柱形上方的一个水平棱柱侧面，所述水平棱柱侧面与水平方向平行，两个所述辅超声换能器5分别设置在所述主超声换能器4的两侧，即辅超声换能器5固定设置在所述六棱柱形上方的与所述水平棱柱侧面相邻的侧部棱柱侧面。所述样品管1为透声材料制成，在本实施例中所述样品管选择PMMA材料制成的。本实施例中，所述超声换能器3为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片可以与外设的控制电路连接，所述压电陶瓷片的功率和频率可以通过调节外设的控制电路的输入的功率和频率获得。所述压电陶瓷片为采用PZT4或PZT8压电陶瓷(由美国CTS公司提供)制成。

通过在所述样品管1的上方设置3个超声换能器3，在所述样品通道2的正上方设置主超声换能器4，用于产生高强度超声辐射力推动所述样品液中的粒子如细胞向所述样品通道2底部运动，在所述主超声换能器4的两侧设置所述辅超声换能器5，使粒子如细胞向所述样品通道2底部运动的同时，通过辅超声换能器5和主超声换能器4复合声辐射力场指向所述样品通道2的底部，使粒子如细胞在上述复合的声辐射力场的作用下成单列排列在所述样品通道2底部。所述样品通道2设置为椭圆形，是为了使得粒子如细胞更容易呈单列排列，并减小所述样品通道2的侧壁对粒子如细胞向前运动的阻力，从而能够实现高通量条件下的粒子如细胞排序计数检测。

实施例4

本实施例所述的一种粒子排序方法，利用实施例1所述的样品管对所述待测样品液中的粒子进行排序，所述样品液中粒子的浓度为1×10⁷个/ml，待测样品液通过所述样品管1的导入段6进入所述样品管1的所述样品通道2中，控制所述样品液在所述样品通道内的流速为80μL/min，控制所述超声换能器3的频率为2.5MHz，所述样品液在所述超声辐射力的作用下，向所述样品通道2底部运动，最终所述样品液中的粒子如细胞排列在所述样品通道2的底部，形成单粒子流，实现所述粒子的排序。

实施例5

本实施例所述的一种粒子排序方法，利用实施例2所述的样品管对所述待测样品液中的粒子进行排序，所述样品液中粒子的浓度为2×10⁶个/ml，待测样品液通过所述样品管1的进液端进入所述样品管1的所述样品通道2中，控制所述样品液在所述样品通道内的流速为120μL/min，控制所述主超声换能器4的频率为1MHz，所述辅超声换能器5的频率为6MHz，所述样品液在所述复合超声辐射力的作用下，向所述样品通道2底部运动，所述样品液中的粒子如细胞排列在所述样品通道2的底部，形成单粒子流，实现所述粒子的排序。

实施例6

本实施例所述的一种粒子排序方法，利用实施例2所述的样品管对所述待测样品液中的粒子进行排序，所述样品液中粒子的浓度为5×10⁶个/ml，待测样品液通过所述样品管1的进液端进入所述样品管1的所述样品通道2中，控制所述样品液在所述样品通道内的流速为100μL/min，控制所述主超声换能器4的频率为2MHz，所述辅超声换能器5的频率为4MHz，所述样品液在所述复合超声辐射力的作用下，向所述样品通道2底部运动，所述样品液中的粒子如细胞排列在所述样品通道2的底部，形成单粒子流，实现所述粒子的排序。

实施例7

本实施例所述的一种粒子排序方法，利用实施例3所述的样品管对所述待测样品液中的粒子进行排序，所述样品液中粒子的浓度为8×10⁶个/ml，待测样品液通过所述样品管1的进液端进入所述样品管1的所述样品通道2中，控制所述样品液在所述样品通道内的流速为110μL/min，控制所述主超声换能器4的频率为3MHz，所述辅超声换能器5的频率为2MHz，所述样品液在所述复合超声辐射力的作用下，向所述样品通道2底部运动，所述样品液中的粒子如细胞排列在所述样品通道2的底部，形成单粒子流，实现所述粒子的排序。

实施例8

本实施例提供了一种流式细胞仪，包括流动室、液流系统、激光源、光学系统、光电管、检测系统、计算机和分析系统，其中所述流动室包括样品管和喷嘴，其中所述的样品管采用实施例1中所述的粒子排序装置。本实施例中所采用的所述样品液浓度为2×10⁶个/ml，细胞为CHO Cells(中国仓鼠卵巢细胞)，所述样品液购自中国科学院细胞库，所述流式细胞仪为美国贝克曼库尔特MoFlo XDP型流式细胞仪，将其中的样品管替换为实施例1中的样品管，然后采用所述流式细胞仪对上述的样品液进行检测，检测的CV值为<1.5％，相比采用上述未替换样品管的流式细胞仪检测上述样品液的CV值为2％，说明采用本实用新型的流式细胞仪进行高通量细胞筛查检测精度和灵敏度显著提高，检测效率大大提高。

实施例9

本实施例提供了一种流式细胞仪，包括流动室、液流系统、激光源、光学系统、光电管、检测系统、计算机和分析系统，其中所述流动室包括样品管和喷嘴，其中所述的样品管采用实施例2中所述的粒子排序装置。本实施例中所采用的所述样品液浓度为2×10⁶个/ml，细胞为CHO Cells(中国仓鼠卵巢细胞)，所述样品液购自中国科学院细胞库，所述流式细胞仪为美国贝克曼库尔特MoFlo XDP型流式细胞仪，将其中的样品管替换为实施例2中的样品管，然后采用所述流式细胞仪对上述的样品液进行检测，检测的CV值为<1％，相比采用上述未替换样品管的流式细胞仪检测上述样品液的CV值为2％，说明采用本实用新型的流式细胞仪进行高通量细胞筛查检测精度和灵敏度显著提高，检测效率大大提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。