微波流式细胞仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用微波网络散射参数反演悬液中细胞介电常数的微波流式细 胞仪及利用所述细胞仪测量细胞介电常数的方法，属于微波测量领域。
【背景技术】
[0002] 流式细胞仪是20世纪70年代初发展起来的先进的对细胞进行自动分析和分选的 检测仪器。它可以快速测量、存储、显示悬浮在液体中的分散细胞的一系列重要的生物物 理、生物化学方面的特征参量，并可以根据预选的参量范围把指定的细胞亚群从中分选出 来。流式细胞仪主要有四部分组成，它们是：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。流式细胞仪的一般工作原理：流式细胞仪可同时进行 多参数测量，信息主要来自特异性荧光信号及非荧光散射信号。测量是在检测区进行的， 所谓的检测区就是照射激光束和喷出孔的液流束垂直相交点。液流中央的单个细胞通过测 量区时，受到激光照射会向立体角为2π的整个空间散射光线，散射光的波长和入射光的 波长相同。散射光的强度及其空间分布与细胞大小、形态、质膜和细胞内部结构密切相关， 因为这些生物学参数又和细胞对光线的反射、折射等光学特性有关。流式细胞术是分析细 胞的一个重要技术，为细胞学研究手段之一，能够对细胞和细胞器及生物大分子进行高达 每秒上万个染色体的分析，并可以进行细胞的多参数分析和细胞分选，这种以流动方式测 量细胞的定量分析技术，目前在细胞生物学、医学等领域得到了广泛的应用。流式细胞术 集鞘液原理、液流驱动系统、细胞染色、激光技术和计算机技术为一体。其中液流驱动系统 为流式细胞术的核心技术之一，常采用鞘液包裹带动式。单细胞悬液在细胞流动室里被鞘 液流包绕通过流动室内的一定孔径的孔，检测区在该孔的中心，细胞与此激光垂直相交，在 鞘液流约束下细胞成单行排列依次通过激光检测区，流式细胞仪所测的细胞要求排列成单 列，这种驱动方式下处理细胞悬液，对鞘液流的消耗量很大。流式细胞仪的核心部件流动室 有交叉封闭式、开放式、空气喷射式、顶端开口式等形状，这些流动室的结构复杂，制造难度 大。
[0003] 在传统的流式细胞仪中，往往采用荧光检测和光散射原理，导致技术复杂而又价 格昂贵、体积庞大，维持费用高，尤其是目前市场上的流式细胞仪基本被欧美发达国家的大 公司所垄断，难以在普通实验室推广和使用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：解决传统流式细胞仪技术复杂、价格昂贵、体积庞大的问题； 从微波测量技术领域入手，通过直接测量微波网络散射参数，反演细胞介电常数，进而达到 分析细胞结构性质的目的。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明提供一种微波流式细胞仪，包括：同步信号源、测试 传感器、对照传感器、两个微波检波器、差分放大器、A/D转换器、微处理器，所述同步信号源 连接测试传感器和对照传感器的激励端，所述测试传感器和对照传感器均为嵌有两端宽中 间窄的导体带的多层介质的共面波导，所述波导上安置U型液体管作为检测通道，所述两 个微波检波器分别与所述两个共面波导的输出端相连，将来自两个传感器的信号送到差分 放大器，所述差分放大器通过一个A/D转换器与微处理器相连。
[0006] 导体带两端宽中间窄的设计既兼顾了端口阻抗50欧姆的要求，又达到了提高测 量精度的目的。因为中间是测试区，中间窄是为了束缚中间的电磁场更加的集中；
[0007] 作为优选方式，所述多层介质的共面波导包括：底部的接地板、接地板上方的介质 基板、介质基板上方正中的包括两端宽部和中间窄部的导体带、所述导体带两侧的铜板、紧 贴于所述导体带上方的粘合膜、粘合膜上方的玻璃板，所述导体带与铜板位于同一平面且 两者隔有间隙，玻璃板底部设有U型通孔，U型通孔中安置U型液体管，U型通孔中间的弯曲 部分位于中心导体带中间窄部的上方。
[0008] 作为优选方式，导体带中间窄部和铜板之间的间隙填充磷酸盐缓冲液PBS，导体带 两端宽部和铜板之间的间隙填充空气。中间填充高介电材料PBS是因为共面波导结构测量 高介电的材料精度更高，而培养液是低介电的，所以这样能增加测试区域的总的介电常数， 增加测量准确度。
[0009] 作为优选方式，所述多层介质的共面波导长25. 4mm、宽12. 7mm，所述导体带两端 的宽部分别长15mm、宽1. 92mm，中间窄部长5mm、宽0. 4mm，宽部和窄部由直线相连。
[0010] 作为优选方式，导体带两端宽部和铜板之间的间隙为〇. 15_，导体带中间窄部和 铜板之间的间隙为〇. 〇6mm。
[0011] 上述尺寸是经过反复优化仿真最终确定的，测量精度最高。
[0012] 本发明还提供一种利用上述微波流式细胞仪测量细胞介电常数的方法，包括如下 步骤：
[0013] (1)校准：首次使用该微波流式细胞仪时，启动所述同步信号源，输出正弦波信 号，所述两个传感器将反馈信号发送给微波检波器，所述微波检波器将检波信号发送给差 分放大器，所述差分放大器对两个检波信号差值的幅度进行调制并放大，并发送给A/D转 换器，所述A/D转换器将接收到的信号转成数字信号后发送给微处理器，所述微处理器将 接收到的信号通过相应程序计算得到校准数据并存储于内部寄存器中，关闭同步信号源；
[0014] (2)准备：开始在所述测试传感器的U型液体管中注入待检测的含有细胞的悬液， 在对照传感器的U型液体管中注入纯净的培养液，调节至液体流速一致，保证同步对照测 量；
[0015] (3)测试：打开同步信号源，给两个传感器的激励端口发送正弦波信号，所述两个 微波检波器检测到相应传感器输出端的反馈信号，并将检波信号发送给差分放大器，所述 差分放大器对两个检波信号差值的幅度进行调制并放大，并发送给A/D转换器，所述A/D转 换器将接收到的信号转成数字信号后发送给微处理器；
[0016] (4)计算：所述微处理器中内嵌相应程序，将接收到的数字信号进行反演计算，得 到细胞介电常数，最后通过相应软件分析细胞结构性质。
[0017] 共面波导装置中散射参数与传播常数和介电常数的关系式如下：
[0018] U)
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中：Sn为激励端反射系数，S22为输出端反射系数，S12为输出端到激励端的传输 系数，S21为激励端到输出端的传输系数，γ为传播常数，L为共面波导装置的长度，ε为介 电常数，c为光速，f为工作频率。
[0023] 利用界面极化理论计算细胞介电常数的关系式如下：
[0024]
[0025] 其中：Φ为细胞体积积分，η为形状因素，εsaiiplf；为待测细胞悬液的介电常数， erall为细胞介电常数，εfluid为培养液的介电常数。
[0026] 本发明的有益效果：
[0027] (1)测试传感器与对照传感器的检测通道分别注入细胞悬液和纯净的培养液，同 步测量实时校准介电常数，减小了培养液介电常数变化带来的误差。
[0028](2)采用散射参数测量和差分放大原理，散射参数本质上是入射、反射和传输能量 的比率，因为这些比率即使在微波频率也有很高的精度，并且由于差分放大器有高共模抑 制比，可以有效地衰减干扰信号，因此本发明拥有很高的分辨率。
[0029] (3)避免了矢量网络分析仪等昂贵设备的使用，传感器体积小巧，电路芯片尺寸属 于毫米级，且市场上均有销售，成本低廉。
[0030] (4)采用模块化设计理念，各模块功能清晰，易于后期维护检修工作。
【附图说明】
[0031] 图1为所述微波流式细胞仪结构示意图
[0032] 图2为所述多层介质的共面波导立体图
[0033] 图3为所述多层介质的共面波导主视剖面图
[0034] 图4为所述多层介质的共面波导俯视剖面图
[0035] 图5为所述微波流式细胞仪用于检测时的示意图
[0036] 其中，1-同步信号源，2-测试传感器，3-对照传感器，4-微波检波器，5-差分放大 器，6-A/D转换器，7-微处理器，8-多层介质的共面波导，9-玻璃板，10-粘合膜，11-U型液 体管，12-导体带，13-介质基板，14-接地板，15-磷酸盐缓冲液PBS，16-间隙，17-铜板。
【具体实施方式】
[0037] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[003