用于样本处理仪的透明管组件和流式池及样本处理仪的制作方法

1.本实用新型涉及用于诸如流式细胞分选仪/分析仪之类的样本处理仪的流式池及透明管组件，本实用新型还涉及相应的样本处理仪。


背景技术：

2.本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，其不一定构成现有技术。
3.样本处理仪常常用于对诸如微粒体或细胞的样本进行分析和/或分选。流式细胞分选仪/分析仪是基于流式细胞术对快速直线流动状态中的单列细胞或其他生物粒子进行逐个、多参数、快速的定性/定量分析和/或分选的仪器，其通常包括流式池(flow cell)及流体系统、光源及光学系统、样本分析和/或分选系统等，其中流式池包含样本检测区域，比如带有样本检测通道的透明管(cuvette)。将待测细胞或其他粒子荧光染色后制成样本悬液，样本悬液的液滴在鞘液的包裹下依次通过流式池的样本检测区域，在样本检测区域中受光源(通常为激光光源)照射并产生反映样本信息的侧向散射光和荧光信号，这些光学信号由光学系统收集，之后经转换放大并由信号处理装置进行信号处理与分析。样本分选系统例如可根据信号处理分析的结果而将从流式池流出的样本液滴充以正负不同的电荷而使样本液滴在高压电场的作用下偏转并落入不同的收集容器中，从而实现对样本的分选。
4.细胞或其他生物粒子在流式池的样本检测区域中受激光照射后发出的侧向散射光和荧光信号比较微弱，难以收集。因此，期望设计一种能够提高散射光和荧光收集效率的透明管组件及相应的流式池。


技术实现要素：

5.在本部分中提供本公开的总概要，而不是本公开完全范围或本公开所有特征的全面公开。
6.本实用新型的一个目的在于提供一种用于样本处理仪的具有高的散射光和荧光收集效率的透明管组件。
7.本实用新型的另一目的在于提供一种用于样本处理仪的流式池，其能够提高样本处理仪的光学检测性能，尤其是提高散射光和荧光收集效率。
8.本实用新型的又一目的在于提供一种具有改善的光学检测性能的样本处理仪。
9.根据本公开的一个方面，提供了一种用于样本处理仪的透明管组件，该透明管组件包括透明管本体和反射镜。透明管本体呈长方体形并且包括竖向贯穿该透明管本体的样本检测通道。透明管本体在水平截面上具有长边和短边。反射镜具有贴附于透明管本体的沿长边中的一个长边延伸的第一侧面上的平坦表面和与该平坦表面相反的下半部分截短的球面。其中，反射镜定位成与透明管本体的下表面齐平并且其球面的球心落入样本检测通道中，反射镜沿着长边延伸超过短边。
10.反射镜的下半球面被部分截短有利于后续对样本进行分选等处理，使反射镜的长度大于透明管本体的长度扩大了反射镜能够接收侧向散射光和荧光的面积，从而显著改善
了对侧向散射光和荧光的收集效率。
11.在根据本公开的一些示例中，透明管组件还可以包括聚焦整形透镜，该聚焦整形透镜贴附于透明管本体的沿短边中的一个短边延伸的第二侧面上，并且该聚焦整形透镜将入射光聚焦到反射镜的球面的球心处。
12.在根据本公开的一些示例中，透明管组件还可以包括非球面透镜，该非球面透镜贴附于透明管本体的与第一侧面相对的第三侧面上，该非球面透镜对由反射镜反射形成的聚焦光斑进行整形并将该聚焦光斑聚焦到用于检测光信号的信号检测装置中。
13.在根据本公开的一些示例中，非球面透镜包括用于进行整形的整形部分和围绕整形部分的外框架，整形部分的中央部分比周缘部分厚。
14.在根据本公开的一些示例中，样本检测通道具有方形横截面。
15.根据本公开的另一方面，提供了一种用于样本处理仪的流式池，该流式池包括框架、流式池主体和喷嘴组件。流式池主体固定至框架，并且流式池主体包括基部和根据上述方面的透明管组件。透明管组件位于基部的下方。来自样本管路的样本和来自流体管路的流体在基部中汇聚并流入透明管组件的样本检测通道。喷嘴组件具有位于样本检测通道的出口处并以预定模式喷射样本检测通道内的样本的喷嘴。
16.在根据本公开的一些示例中，基部可以包括竖向的通道，该通道具有光滑的内表面并且包括平滑过渡的圆柱形部段和锥形部段，样本和流体在该通道中汇聚，锥形通道与样本检测通道同心地对准。
17.在根据本公开的一些示例中，基部还可以包括与流体管路及通道连通的对称布置的流体端口，流体端口高于样本管路的出口。
18.在根据本公开的一些示例中，基部还可以包括除气泡通道，该除气泡通道的一端与通道连通并且另一端与除气泡装置附接。
19.在根据本公开的一些示例中，除气泡通道高于流体端口。
20.在根据本公开的一些示例中，除气泡通道设置在通道的顶部处。
21.在根据本公开的一些示例中，用于限定所述通道的顶面是倾斜的以便引导气泡排出。
22.在根据本公开的一些示例中，流式池主体还可以包括覆盖件，该覆盖件位于基部的上方并且使样本管路与通道同心地对准。
23.在根据本公开的一些示例中，喷嘴组件以可独立拆卸的方式安装在流式池中。
24.在根据本公开的一些示例中，在基部的顶部处设置有用于布置压电元件的腔。
25.在根据本公开的一些示例中，用于布置压电元件的腔是围绕样本管路的环形腔。
26.在根据本公开的一些示例中，样本管路的末端包括刚性的长形构件。
27.在根据本公开的一些示例中，样本管路延伸到通道的锥形部段中。
28.在根据本公开的一些示例中，样本管路的出口是渐缩的。
29.根据本公开的又一方面，提供了一种样本处理仪，该样本处理仪包括根据上述方面的透明管组件和/或流式池。
30.在根据本公开的一些示例中，此类样本处理仪是样本分选仪。
附图说明
31.通过以下参照附图的描述，本公开的一个或多个实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
32.图1示出了根据本公开实施方式的样本处理仪的立体示意图；
33.图2a示出了沿图1中的剖切线a
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a截取的样本处理仪的剖切立体图；
34.图2b示出了沿图1中的剖切线b
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b截取的样本处理仪的剖切立体图；
35.图3示出了与图2a所示的剖切立体图相对应的局部放大图；
36.图4a与图4b示出了根据本公开实施方式的透明管组件的不同角度的立体图；
37.图4c示出了透明管组件的俯视图；
38.图4d示出了沿图4c中的剖切线c
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c截取的透明管组件的剖面图；
39.图5a和图5b分别示出了从透明管组件上方和侧面观察到的收集侧向散射光和荧光的示意性光路图。
具体实施方式
40.下面将参照附图通过示例性实施方式对本公开进行详细描述。在若干附图中，类似的附图标记表示类似的部件和组件。对本公开的以下详细描述仅仅是出于说明目的，而绝不是对本公开及其应用或用途的限制。本说明书中所述的实施方式并非穷举，仅仅是多个可能的实施方式中的一些。示例性实施方式可以以许多不同的形式实施，并且也不应当理解为限制本公开的范围。在一些示例性实施方式中，可能不会对公知的过程、公知的装置结构和公知的技术进行详细描述。
41.图1是根据本公开实施方式的用于样本处理仪的流式池1的立体示意图，图2a是沿图1中的剖切线a
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a截取的流式池1的剖切立体图，图2b是沿图1中的剖切线b
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b截取的流式池1的剖切立体图。下面将参照图1至图2b对流式池1的总体结构进行描述。
42.如图1至图2b所示，流式池1包括流式池主体10、定位件20、支承件30、框架40和喷嘴组件50。框架40作为流式池1的固定部件并用于支承和安装其他部件。流式池主体10、定位件20和支承件30均直接或间接地固定至框架40。
43.图1至图2b中所示的流式池1的各个部件组装到位并处于工作状态。在流式池1运行时，流式池主体10接收来自样本管路sl的样本以及来自流体管路fl的诸如鞘液的流体。样本与鞘液在流式池主体10中汇聚，然后经由喷嘴组件50喷出。在样本流经流式池主体10时对样本进行检测和分析，然后基于检测和分析结果对从喷嘴组件50喷出的样本进行分选。
44.流式池主体10可以包括基部100和分别位于基部100上下两侧的覆盖件200和透明管组件300。基部100与覆盖件200配合以使样本与鞘液汇聚并流入透明管组件300，在透明管组件300中对样本进行检测。
45.在基部100中设置有竖向的通道110以及与流体管路fl连通的对称布置的流体端口120a和120b，鞘液经由流体端口120a和120b流入通道110。通道110具有光滑的内表面并且包括平滑过渡的大致圆柱形部段和锥形部段，锥形部段限定有出口130。在覆盖件200的中心处设置有通孔以及围绕该通孔竖向向下延伸以插入通道110的大致圆柱形部段中的环形突出部210，环形突出部210的内表面限定了用于使样本管路sl插入通道110内并使样本
管路sl相对于通道110同心地定位的样本端口。样本管路sl的末端通常包括刚性的长形构件，比如样本针，以便于插入通道110内且相对于通道110同心地定位。样本管路sl的出口通常延伸到通道110的锥形部段中以便于样本和鞘液汇聚形成均匀稳定的样本流。优选地，样本管路sl的出口设计成渐缩形的尖端，以便于减少样本针对于鞘液层流稳定性的影响。样本管路sl经由覆盖件200上的螺钉锁紧。基部100与覆盖件200通过螺钉固定，并且在基部100与覆盖件200之间围绕环形突出部210设置有o形密封圈910以进行密封。
46.来自样本管路sl的样本以及来自流体管路fl的鞘液在通道110内汇聚。通道110的光滑内表面和简单结构能够促进样本流与鞘液流汇聚并形成均匀而稳定的层流，避免产生对流体的扰动或流动死区，并减少气泡积聚和附着的机会。通道110相比于市面上现有的流式细胞仪减小了通道的体积和表面积，从而最大程度地减少了气泡附着在通道110的内表面上的机会。此外，通道110的较小体积提高了流体的流动速度，从而有助于气泡的排除。
47.流体端口120a和120b设置成相对于样本管路sl的出口足够高，以保证鞘液在到达样本管路sl的出口处时已经充分发展为层流，从而使得样本与鞘液汇聚时形成均匀、紧密且稳定的样本流。此外，流体端口120a和120b的对称布置使得鞘液可以对称地注入以增强流体的稳定性。
48.基部100还可以包括除气泡通道140。除气泡通道140的一端与通道110连通，另一端可以附接有除气泡装置，比如真空泵，以用于将通道110中的气泡充分排出。除气泡通道140设置在通道110的顶部处并且设置成高于流体端口120a和120b，以便从流体端口120a和120b的上方排除气泡，这样可以使排除气泡的过程对流体稳定性的影响最小化。在除气泡通道140与通道110的连接处，覆盖件200的环形突出部210的端部可以设置成斜面212以引导气泡排出，防止气泡积聚在通道110顶部的流动死区内。除了排除气泡之外，除气泡通道140及除气泡装置还可以起到清理堵塞物的作用。
49.在基部100的顶部设置有围绕样本管路sl的环形腔150，以用于布置环形的压电元件60。压电元件60可以粘接在环形腔150内。
50.应理解的是，上述基部100及覆盖件200的结构可以根据需要而变化，并不局限于图1至图2b中所示的具体示例。在其他实施方式中，覆盖件200甚至可以省略。
51.透明管组件300是允许透光以便对样本进行光学检测的部件，其固定在通道110的锥形部段的出口130下方。透明管组件300包括透光的透明管本体310，其中设置有样本检测通道320。样本检测通道320的上端与锥形部段的出口130对准，下端连接至喷嘴组件50并与喷嘴组件50中的喷嘴510对准。
52.图3示出了组装状态下的透明管组件300的放大图。如图3所示，透明管组件300通过粘接或其他不影响透明管组件300的光学性能的连接方式牢固地固定在大致呈板状的定位件20上。在安装时，通过高精度的装配工具保证样本检测通道320与上游的通道110的出口130同心地对准。围绕样本检测通道320的上开口设置有锥形过渡段322，以引导来自通道110的锥形部段的液流。定位件20设置有接纳并引导喷嘴510以使喷嘴510与样本检测通道320自动对准的限位结构。优选地，喷嘴510是能够在不影响其外围部件的情况下独立拆卸的，从而可以在不移动透明管组件300的情况下对喷嘴510及透明管组件300进行方便的清洁，无需在反复拆装透明管组件300后使检测光路重新对准。在本实施方式中，喷嘴组件50还包括承载喷嘴510以便于独立拆卸喷嘴510的载体520。围绕样本检测通道320与通道110
的出口130的联接部以及样本检测通道320与喷嘴510的联接部，分别设置有o形密封圈920、930以进行密封。透明管组件300的顶部被螺母940压紧以确保定位。
53.在对样本进行光学检测时，样本在压力作用下经由细长的样本管路sl流入通道110并立刻被鞘液包裹，然后随着鞘液沿着通道110的锥形部段流入透明管组件300。样本例如为经荧光标记的单细胞悬液。包裹样本的鞘液通过透明管本体310中的样本检测通道320并经由喷嘴510喷出。压电元件60在电信号作用下高频振动使得从喷嘴510喷出的包裹着样本液滴的鞘液流均匀地断裂从而形成离散的液滴，以便进行后续的样本分选。在样本检测通道320中，包裹有鞘液的样本液滴受激光或其他光源照射并发出反映样本信息的散射光和荧光信号，样本处理仪的光学系统收集这些光学信号，之后这些光学信号被处理和分析以对样本进行检测和分析。随后，样本分选系统基于检测和分析结果对从喷嘴510喷出的样本进行分选。
54.接下来将详细描述透明管组件300的具体结构、操作原理及有益效果。
55.图4a与图4b示出了透明管组件300的不同角度的立体图，图4c示出了透明管组件300的俯视图，图4d是沿图4c中的剖切线c
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c截取的剖面图。
56.如图4a至图4d所示，透明管组件300中的透明管本体310是大致长方体形的部件，其可以由熔融石英玻璃或其他合适的透光材料制成。为便于描述，定义透明管本体310在水平截面上的长边和短边。在本实施方式中，透明管本体310的长度约为8.2mm，宽度约为5.2mm，高度约为10mm。样本检测通道320沿透明管本体310的高度方向(图4a至图4d中的z方向)竖向贯穿透明管本体310。如图4c中所示，样本检测通道320具有方形横截面。
57.透明管组件300还包括设置在透明管本体310的沿其长边中的一个长边延伸的一个侧面(下文中称为第一侧面)上的反射镜330，其用于反射并聚焦由样本液滴发出的侧向散射光和荧光。反射镜330的下表面与透明管本体310的下表面齐平，以便于透明管组件300安装在大致呈板状的定位件20上。反射镜330是球面镜的一部分，具体而言包括贴附于透明管本体310的第一侧面上的平坦表面和与该平坦表面相反的下半部分截短的球面，球面上镀有反射膜。反射镜330沿着透明管本体310的长边延伸超过透明管本体310的短边，即反射镜330的平坦表面略长于透明管本体310的第一侧面。在本实施方式中，反射镜330略微超出透明管本体310的沿其短边延伸的前侧面(下文中称为第二侧面)，且与透明管本体310的后侧面齐平。在本实施方式中，反射镜330的长度约为8.6mm，最大高度约为5.4mm。
58.透明管组件300还可以包括用于对入射光进行整形并将入射光聚焦到样本检测通道320内的聚焦整形透镜340。聚焦整形透镜340可以贴附于透明管本体310的第二侧面上并抵接略微超出该第二侧面的反射镜330，以使透明管组件300的结构更加紧凑并且减少光损失。
59.透明管组件300还可以包括与反射镜330相对设置的非球面透镜350，以用于将由反射镜330反射形成的散射光和荧光的聚焦光斑整形并聚焦到用于检测光信号的信号检测装置中。非球面透镜350可以贴附于透明管本体310的与第一侧面相对的第三侧面上，以使透明管组件300的结构更加紧凑并且减少光损失。非球面透镜350包括用于进行整形的整形部分352和围绕整形部分352的外框架354。整形部分352的周缘大致呈圆形，整形部分352的圆心附近的中央部分比周缘部分厚。
60.类似于反射镜330，聚焦整形透镜340和非球面透镜350的下表面均与透明管本体
310的下表面齐平，以便于透明管组件300的安装。
61.在对样本进行光学检测时，激光沿透明管本体310的长度方向(图4a至图4d中的x方向)通过聚焦整形透镜340入射，聚焦整形透镜340将入射的激光整形并聚焦于样本检测通道320内，该聚焦点被称为激光询问点p(在图4d中示出)。被鞘液包裹的样本液滴(比如经荧光标记的细胞)在通过样本检测通道320中的激光询问点p时受激光照射而发出散射光和荧光。在本实施方式中，样本检测通道320中的激光询问点p设定在反射镜330的球面的球心处，以使得反射镜330能够在最大范围内反射并聚焦散射光和荧光。
62.图5a和图5b分别示出了从透明管组件300上方和侧面观察到的收集侧向散射光和荧光的示意性光路图。如图5a和图5b所示，从激光询问点p向各个方向发散的散射光和荧光被反射镜330反射并聚焦，然后被非球面透镜350整形并聚焦于信号检测装置的光纤of处。不同激光激发样本发出的散射光和荧光在经过反射、整形和聚焦后将会聚于不同的焦点处，例如，图5b示出了可以区分由4个不同激光激发而产生的不同的散射光或荧光信号。
63.根据本实用新型的反射镜330不是完整的球面镜，而是下半球面被部分截短的球面镜。这使得反射镜330的球面的球心——即激光询问点p——更加靠近喷嘴510，由此可以缩短液滴从激光询问点p到达喷嘴510的延迟时间，从而获得改善的分选性能。另一方面，由于反射镜330的平坦表面的面积大小影响到反射镜330可覆盖的范围，进而影响到反射镜330可接收的光的角度范围，因此截短反射镜将影响收集侧向散射光和荧光的效率。为了补偿截短反射镜造成的光收集效率损失，本实用新型中的反射镜330的平坦表面构造成略长于透明管本体310的第一侧面，由此扩大了反射镜330接收侧向散射光和荧光的面积。光学系统中常用数值孔径na来衡量该系统能够收集的光的角度范围。常规的采用透镜方式的侧向散射光及荧光收集系统的数值孔径在0.6左右，而本实用新型中的反射镜330可接收散射光及荧光信号的数值孔径能够达到1.25。因此，根据本实用新型的透明管组件300在改进样本处理仪的分选性能的同时大幅提升了对侧向散射光和荧光的收集效率，具有更高的分辨率与灵敏度。
64.样本检测通道320的横截面的形状及面积是影响激光询问点p处的样本液滴速度的重要因素。样本液滴经过激光询问点p处时的速度越高，分选性能越好，但速度提高会相应地增大光学检测的难度，削弱光学性能。如图4c中所示，在本实施方式中，样本检测通道320的横截面是方形的。样本检测通道320的尺寸基于样本检测通道320的形状、样本液滴的尺寸、样本和鞘液的流速以及期望样本液滴在经过激光询问点p处时所具有的速度等因素而确定。在本实施方式中，样本检测通道320构造为具有尺寸约为200μm
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200μm的方形横截面。根据本实用新型的样本检测通道320的形状与尺寸设计使得激光询问点p处的样本液滴速度相比于市面上现有的流式细胞仪略有提高，从而在不过度降低光学性能的情况下提高了分选性能。
65.从图4c中可以更清楚地看出，样本检测通道320在透明管本体310的长度方向上大致居中，以使反射镜330能够在最大范围内捕捉并反射散射光和荧光。但是，样本检测通道320在透明管本体310的宽度方向(图中的y方向)上是非对称设置的，即样本检测通道320与非球面透镜350之间的距离与样本检测通道320与反射镜330之间的距离不相等。示例性地，在本实施方式中，样本检测通道320的中心到反射镜330的距离为2mm，到非球面透镜350的距离为3.2mm。这种非对称设计使得透明管本体310较厚，扩展了透明管本体310与其上下游
部件抵接的面积，从而可以对高压流体进行更严密的密封。
66.应当理解的是，尽管反射镜330及样本检测通道320的特殊设计使得根据本公开的透明管组件300及流式池1更适用于带有分选功能的样本分选仪，但是此类透明管组件及流式池也同样可以应用于不带分选功能的样本分析仪或其他样本处理仪。
67.虽然已经参照示例性实施方式对本公开进行了描述，但是应当理解，本公开并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式。在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对示例性实施方式做出各种改变。在不矛盾的情况下，各个实施方式中的特征可以相互结合。或者，实施方式中的某个特征也可以省去。