一種粒子排序方法及其裝置和用途與流程

本發明屬于微操控技術領域，具體涉及一種粒子排序方法及其裝置和用途。

背景技術：

流式細胞儀是對細胞進行自動分析和分選的裝置，其主要由如下四部分組成：流動室和液流系統；激光源和光學系統；光電管和檢測系統；計算機和分析系統。流式細胞儀能夠對每個細胞進行多種定量分析，是在血液、骨髓等組織中檢測稀有細胞的有力工具，當細胞懸液進入到流式細胞儀時，細胞在管道內呈三維空間的隨機分布，使細胞逐個穿過激光束，保證數據采集的準確性。流動室由樣品管、鞘液管和噴嘴等組成。

流式細胞儀通過流體動力聚焦技術實現細胞在管道內逐個穿過激光束，即通過鞘液帶動細胞并將其限制在管道的中心位置，建立起單細胞流，具體為，在流動室中，流動室包括樣品管、鞘液管和噴嘴，樣品管用于貯放樣品，單個細胞懸液在液流壓力作用下從樣品管射出，鞘液由鞘液管進入樣品管中，從樣品管內的四周流向噴孔，包圍在樣品外周后從噴嘴射出，通過鞘液帶動細胞并將其限制在中心位置，建立起單細胞流。然而上述還存在如下缺陷：為了保證液流是穩液，一般限制液流速度小于10m/s，對樣品液的流速有很大的限制，不利于大量樣本或者稀有細胞的檢測，而且一旦樣品液流速稍高，很容易引起噴嘴的堵塞，造成細胞偏離激光中心甚至發生淤積，使得細胞的聚焦效果下降，而細胞偏離激光中心越遠，激發光強度變化就越大，CV值也越高，造成檢測精確度和靈敏度的下降，而且使用的鞘液也可能對樣品液引入污染。因此，傳統方法的分析通量和分析精度之間存在著較大的矛盾關系。

技術實現要素：

因此，本發明要解決的技術問題在于克服現有技術中的粒子操控困難，無法進行高通量的分析檢測，致使檢測結果不精確、靈敏度低，從而提供一種粒子排序方法及其裝置和用途，能夠對粒子進行操控，對高通量的樣品液中的粒子進行排序，可以進行高通量分析檢測，且檢測結果精確、靈敏度高。

為此，本發明提供了一種粒子排序方法，包括樣品管和至少一個超聲換能器，所述樣品管內部設置樣品通道，在與樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，所述樣品管上方設置至少一個超聲換能器，待測樣品液進入所述樣品管的所述樣品通道中，在所述超聲換能器作用下，所述樣品液中的粒子排列在所述樣品通道的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序。

所述的粒子排序方法，所述超聲換能器的頻率為1-3MHz。

所述的粒子排序方法，所述樣品管上設置一個主超聲換能器和兩個輔超聲換能器，所述主超聲換能器設置在所述樣品通道的正上方，兩個所述輔超聲換能器分別設置在所述主超聲換能器的兩側，控制所述主超聲換能器的頻率為1-3MHz，所述輔超聲換能器的頻率為2-6MHz。

所述的粒子排序方法，所述樣品液在所述樣品通道內的流速為80-120μL/min。

所述的粒子排序方法，控制所述樣品液中粒子的濃度為小于1×10⁷個/ml。

所述的粒子排序方法，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道的截面為圓形或橢圓形；所述樣品管為棱柱形或圓形。

所述的粒子排序方法，所述樣品管的半徑為1-3mm，所述樣品管為棱柱時，所述樣品管的半徑為所述棱柱的底面半徑即其外接圓半徑；所述樣品通道截面為圓形時，半徑為120-250μm。

所述的粒子排序方法，所述樣品管由透聲材料制成，如TPX、PMMA等材料。

所述的粒子排序方法，所述粒子為細胞、生物大分子或納米藥物。

所述的粒子排序方法，所述樣品通道底部的最低處的寬度為小于2倍的所述待測粒子粒徑。

本發明提供了一種粒子排序裝置，包括樣品管，所述樣品管內部設置樣品通道，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，所述樣品管上方設置至少一個超聲換能器。

所述的粒子排序裝置，所述樣品管上設置一個主超聲換能器和兩個輔超聲換能器，所述主超聲換能器設置在所述樣品通道的正上方，兩個所述輔超聲換能器分別設置在所述主超聲換能器的兩側。

所述的粒子排序裝置，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道的截面為圓形或橢圓形；所述樣品管為棱柱形或圓形。所述樣品管為棱柱形時，優選的為正六棱柱形。

所述的粒子排序裝置，所述樣品管的半徑為1-3mm；所述樣品通道為圓形時，所述樣品通道的半徑為120-250μm。

所述的粒子排序裝置，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道設置在所述樣品管的中間。

所述的粒子排序裝置，所述樣品通道為圓形時，所述樣品通道與所述樣品管同心設置。

所述的粒子排序裝置，所述樣品管包括導入段和延伸段，所述導入段為設置在所述樣品管的進液端，所述導入段設置導入口，所述導入口的半徑沿著樣品流動方向遞減。

本發明提供了一種如上述的粒子排序方法或上述的粒子排序裝置在微顆粒操控領域中的應用。

本發明還提供了一種流式細胞儀，包括流動室、液流系統、激光源、光學系統、光電管、檢測系統、計算機和分析系統，其中，所述流動室包括樣品管和噴嘴，所述樣品管采用上述的粒子排序裝置。

本發明技術方案，具有如下優點：

(1)本發明所述的粒子排序方法，包括樣品管和至少一個超聲換能器，所述樣品管內部設置樣品通道，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，所述樣品管上方設置至少一個超聲換能器，待測樣品液進入所述樣品管的所述樣品通道中，在所述超聲換能器作用下，所述樣品液中的粒子排列在所述樣品通道的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序；通過在所述樣品管上方設置超聲換能器可以產生聲輻射力，所述聲輻射力作用于所述樣品通道內的待測樣品液中的粒子，粒子向所述樣品通道底部運動，又由于所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，最終所述樣品液中的粒子只能在所述樣品通道的底部的最低處排列形成單粒子流，所述單粒子流在樣品液本身的流動力場下向所述樣品管的出口方向移動，在所述樣品管的出口附近可以對粒子如細胞進行計數檢測篩選等，解決了現有技術中對于微粒的操控困難，無法對粒子進行排序，所述粒子難以形成單粒子流，無法進行分析，檢測結果不精確、靈敏度低的問題，同時還避免引入鞘液造成可能對樣品液污染的問題。

(2)本發明所述的粒子排序方法，所述樣品管上設置一個主超聲換能器和兩個輔超聲換能器，所述主超聲換能器設置在所述樣品通道的正上方，兩個所述輔超聲換能器分別設置在所述主超聲換能器的兩側，控制所述主超聲換能器的頻率為1-3MHz，所述輔超聲換能器的頻率為2-6MHz；通過主超聲換能器和輔超聲換能器的復合聲輻射力的作用，所述樣品液中的粒子更容易排列在所述樣品通道底部形成單粒子流，避免粒子淤積在所述樣品通道的底部。

(3)本發明所述的粒子排序方法，通過控制所述樣品液在所述樣品通道內的流速為80-120μL/min，可以實現高通量的樣品液進行排序，形成單粒子流，進行分析。

(4)本發明所述的粒子排序裝置，包括樣品管，所述樣品管內部設置樣品通道，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，所述樣品管上方設置至少一個超聲換能器；通過在所述樣品管上方設置超聲換能器可以產生聲輻射力，所述聲輻射力作用于所述樣品通道內的待測樣品液中的粒子，粒子向所述樣品通道底部運動，又由于所述樣品通道底部的寬度沿豎直方向向下遞減，最終所述樣品液中的粒子只能在所述樣品通道的底部的最低處排列形成單粒子流，所述單粒子流在樣品液本身的流動力場下向所述樣品管的出口方向移動，在所述樣品管的出口附近可以對粒子如細胞序列進行計數檢測篩選等，解決了現有技術中對于微粒的操控困難，無法對粒子進行排序，所述粒子難以形成單粒子流，無法進行分析，檢測結果不精確、靈敏度低的問題，同時還避免引入鞘液造成可能對樣品液污染的問題。

(5)本發明所述的粒子排序裝置，所述樣品管上設置一個主超聲換能器和兩個輔超聲換能器，所述主超聲換能器設置在所述樣品通道的正上方，兩個所述輔超聲換能器分別設置在所述主超聲換能器的兩側；通過主超聲換能器和輔超聲換能器的復合聲輻射力的作用，所述樣品液中的粒子更容易排列在所述樣品通道底部形成單粒子流，避免粒子淤積在所述樣品通道的底部。

(6)本發明所述的流式細胞儀，包括流動室、液流系統、激光源、光學系統、光電管、檢測系統、計算機和分析系統，所述流動室包括樣品管和噴嘴，其中所述的樣品管采用所述的粒子排序裝置；通過將流式細胞儀中的樣品管替換為本發明所述的粒子排序裝置，當采用上述流式細胞儀分析時，待測樣品液中的細胞等粒子可以在所述粒子排序裝置中的樣品管排列成單細胞流或單粒子流，形成的單細胞流或單粒子流經過噴嘴噴出，在所述樣品管的出口附近可以對粒子如細胞序列進行計數檢測篩選等，檢測結果精確、靈敏度高，且避免使用鞘液管，使得操作更簡單，同時避免使用鞘液造成可能對樣品液污染的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的實施例1-3中所述的粒子排序裝置剖視圖；

圖2為本發明的實施例2中所述的粒子排序裝置延伸段的結構示意圖；

圖3為本發明的實施例2中所述的粒子排序裝置延伸段的截面圖；

圖4為本發明的實施例3中所述的粒子排序裝置的結構示意圖；

圖5為本發明的實施例3中所述的粒子排序裝置的截面圖。

附圖標記說明：

1-樣品管，2-樣品通道，3-超聲換能器，4-主超聲換能器，5-輔超聲換能器，6-導入段，7-延伸段，8-導入口。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。

實施例1

本實施例提供了一種粒子排序裝置，如圖1所示，所述樣品管1為圓形，半徑為1mm，所述樣品管1內部設置樣品通道2，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2底部的寬度沿豎直方向向下遞減，在本實施例中，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2的截面為圓形，所述樣品通道2與所述樣品管同心設置，所述樣品通道2設置在所述樣品管1的中間，所述樣品通道2的半徑為120-250μm，在本實施例中所述樣品通道2的半徑為250μm，所述樣品管1上方設置一個超聲換能器3。所述樣品管為透聲材料制成，在本實施例中所述樣品管選擇TPX材料制成的。在本實施例中，所述超聲換能器3為壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片可以與外設的控制電路連接，所述壓電陶瓷片的功率和頻率可以通過調節外設的控制電路的輸入的功率和頻率獲得。所述壓電陶瓷片為采用PZT4或PZT8壓電陶瓷(由美國CTS公司提供)制成。

進一步的，所述樣品管包括導入段6和延伸段7，所述導入段6為設置在所述樣品管1的進液端，所述導入段6設置導入口8，所述導入口8的半徑沿著樣品流動方向遞減，所述超聲換能器3設置在所述樣品管1的延伸段7。所述導入段6部分的所述樣品通道2半徑大于所述延伸段7部分的所述樣品通道2的半徑，所述延伸段7部分的所述樣品通道2的半徑為250μm。

通過在所述樣品管1的上方設置超聲換能器3，利用所述超聲換能器3產生的聲輻射力作用于所述樣品通道2內部的待測樣品液，推動所述樣品液中的粒子如細胞向所述樣品通道2底部運動，又由于在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2底部的寬度沿豎直方向向下遞減，如將所述樣品通道2截面設置為圓形，控制圓形的半徑為250μm，所述圓形的最低處只能容納單個粒子如細胞，使得所述樣品液中的粒子并成單排排列，在所述樣品通道2的底部形成單粒子流如單細胞流，避免粒子如細胞淤積在所述樣品通道2的底部，并且減少所述樣品通道2的側壁對粒子如細胞前進的阻力，使得在所述樣品液的流動力場作用，帶動已經排列在所述樣品通道2底部的單粒子流如單細胞流向所述樣品管1的出口方向移動，在所述樣品管1的出口附近可以對粒子如細胞進行計數檢測篩選等。

實施例2

本實施例提供了一種粒子排序裝置，如圖1-3所示，所述樣品管1為圓形，半徑為2mm，所述樣品管1內部設置樣品通道2，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2底部的寬度沿豎直方向向下遞減如圖3所示，在本實施例中，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2的截面為圓形，所述樣品通道2與所述樣品管同心設置，所述樣品通道2的半徑為120-250μm，在本實施例中所述樣品通道2的半徑為120μm，所述樣品管1上方設置3個超聲換能器3，包括一個主超聲換能器4和兩個輔超聲換能器5，所述主超聲換能器4設置在所述樣品通道2的正上方，兩個所述輔超聲換能器5對稱設置在所述主超聲換能器4的兩側。所述樣品管為透聲材料制成，在實施例中所述樣品管選擇PMMA材料制成的。進一步的，所述樣品管包括導入段6和延伸段7，所述導入段6為設置在所述樣品管1的進液端，所述導入段6設置導入口8，所述導入口8的半徑沿著樣品流動方向遞減，所述超聲換能器3設置在所述樣品管1的延伸段7，所述導入段6部分的所述樣品通道2半徑大于所述延伸段7部分的所述樣品通道2的半徑，所述延伸段7部分的所述樣品通道2的半徑為120μm。本實施例中，所述超聲換能器3為壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片可以與外設的控制電路連接，所述壓電陶瓷片的功率和頻率可以通過調節外設的控制電路的輸入的功率和頻率獲得。所述壓電陶瓷片為采用PZT4或PZT8壓電陶瓷(由美國CTS公司提供)制成。

實施例3

本實施例提供了一種粒子排序裝置，如圖4-5所示，所述樣品管1為正六棱柱形，所述正六棱柱形的底面半徑為3mm，所述樣品管1內部設置樣品通道2，在與所述樣品流動方向垂直的方向上，所述樣品通道2底部的寬度沿豎直方向向下遞減如圖5所示，在本實施例中，所述樣品通道2的截面為橢圓形，所述橢圓形的兩個焦點在豎直方向，且兩個焦點的連線通過所述六棱柱形的底面的中心，所述橢圓形的兩端分別朝上和朝下，所述樣品通道2最低處的寬度小于2倍的待測粒子的粒徑，所述樣品管1上方設置三個超聲換能器3，其中包括一個主超聲換能器4和兩個輔超聲換能器5，所述主超聲換能器4設置在所述樣品通道2的正上方，即所述主超聲換能器4固定設置在所述六棱柱形上方的一個水平棱柱側面，所述水平棱柱側面與水平方向平行，兩個所述輔超聲換能器5分別設置在所述主超聲換能器4的兩側，即輔超聲換能器5固定設置在所述六棱柱形上方的與所述水平棱柱側面相鄰的側部棱柱側面。所述樣品管為透聲材料制成，在實施例中所述樣品管選擇PMMA材料制成的。本實施例中，所述超聲換器為壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片可以與外設的控制電路連接，所述壓電陶瓷片的功率和頻率可以通過調節外設的控制電路的輸入的功率和頻率獲得。所述壓電陶瓷片為采用PZT4或PZT8壓電陶瓷(由美國CTS公司提供)制成。

通過在所述樣品管1的上方設置3個超聲換能器3，在所述樣品通道2的正上方設置主超聲換能器4，用于產生高強度超聲輻射力推動所述樣品液中的粒子如細胞向所述樣品通道2底部運動，在所述主超聲換能器4的兩側設置所述輔超聲換能器5，使粒子如細胞向所述樣品通道2底部運動的同時，通過輔超聲換能器5和主超聲換能器4復合聲輻射力場指向所述樣品通道2的底部，使粒子如細胞在上述復合的聲輻射力場的作用下成單列排列在所述樣品通道2底部。所述樣品通道2設置為橢圓形，是為了使得粒子如細胞更容易呈單列排列，并減小所述樣品通道2的側壁對粒子如細胞向前運動的阻力，從而能夠實現高通量條件下的粒子如細胞排序計數檢測。

實施例4

本實施例所述的一種粒子排序方法，利用實施例1所述的樣品管對所述待測樣品液中的粒子進行排序，所述樣品液中粒子的濃度為1×10⁷個/ml，待測樣品液通過所述樣品管1的導入段6進入所述樣品管1的所述樣品通道2中，控制所述樣品液在所述樣品通道內的流速為80μL/min，控制所述超聲換能器3的頻率為2.5MHz，所述樣品液在所述超聲輻射力的作用下，向所述樣品通道2底部運動，最終所述樣品液中的粒子如細胞排列在所述樣品通道2的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序。

實施例5

本實施例所述的一種粒子排序方法，利用實施例2所述的樣品管對所述待測樣品液中的粒子進行排序，所述樣品液中粒子的濃度為2×10⁶個/ml，待測樣品液通過所述樣品管1的進液端進入所述樣品管1的所述樣品通道2中，控制所述樣品液在所述樣品通道內的流速為120μL/min，控制所述主超聲換能器4的頻率為1MHz，所述輔超聲換能器5的頻率為6MHz，所述樣品液在所述復合超聲輻射力的作用下，向所述樣品通道2底部運動，所述樣品液中的粒子如細胞排列在所述樣品通道2的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序。

實施例6

本實施例所述的一種粒子排序方法，利用實施例2所述的樣品管對所述待測樣品液中的粒子進行排序，所述樣品液中粒子的濃度為5×10⁶個/ml，待測樣品液通過所述樣品管1的進液端進入所述樣品管1的所述樣品通道2中，控制所述樣品液在所述樣品通道內的流速為100μL/min，控制所述主超聲換能器4的頻率為2MHz，所述輔超聲換能器5的頻率為4MHz，所述樣品液在所述復合超聲輻射力的作用下，向所述樣品通道2底部運動，所述樣品液中的粒子如細胞排列在所述樣品通道2的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序。

實施例7

本實施例所述的一種粒子排序方法，利用實施例3所述的樣品管對所述待測樣品液中的粒子進行排序，所述樣品液中粒子的濃度為8×10⁶個/ml，待測樣品液通過所述樣品管1的進液端進入所述樣品管1的所述樣品通道2中，控制所述樣品液在所述樣品通道內的流速為110μL/min，控制所述主超聲換能器4的頻率為3MHz，所述輔超聲換能器5的頻率為2MHz，所述樣品液在所述復合超聲輻射力的作用下，向所述樣品通道2底部運動，所述樣品液中的粒子如細胞排列在所述樣品通道2的底部，形成單粒子流，實現所述粒子的排序。

實施例8

本實施例提供了一種流式細胞儀，包括流動室、液流系統、激光源、光學系統、光電管、檢測系統、計算機和分析系統，其中所述流動室包括樣品管和噴嘴，其中所述的樣品管采用實施例1中所述的粒子排序裝置。本實施例中所采用的所述樣品液濃度為2×10⁶個/ml，細胞為CHO Cells(中國倉鼠卵巢細胞)，所述樣品液購自中國科學院細胞庫，所述流式細胞儀為美國貝克曼庫爾特MoFlo XDP型流式細胞儀，將其中的樣品管替換為實施例1中的樣品管，然后采用所述流式細胞儀對上述的樣品液進行檢測，檢測的CV值為<1.5％，相比采用上述未替換樣品管的流式細胞儀檢測上述樣品液的CV值為2％，說明采用本發明的流式細胞儀進行高通量細胞篩查檢測精度和靈敏度顯著提高，檢測效率大大提高。

實施例9

本實施例提供了一種流式細胞儀，包括流動室、液流系統、激光源、光學系統、光電管、檢測系統、計算機和分析系統，其中所述流動室包括樣品管和噴嘴，其中所述的樣品管采用實施例2中所述的粒子排序裝置。本實施例中所采用的所述樣品液濃度為2×10⁶個/ml，細胞為CHO Cells(中國倉鼠卵巢細胞)，所述樣品液購自中國科學院細胞庫，所述流式細胞儀為美國貝克曼庫爾特MoFlo XDP型流式細胞儀，將其中的樣品管替換為實施例2中的樣品管，然后采用所述流式細胞儀對上述的樣品液進行檢測，檢測的CV值為<1％，相比采用上述未替換樣品管的流式細胞儀檢測上述樣品液的CV值為2％，說明采用本發明的流式細胞儀進行高通量細胞篩查檢測精度和靈敏度顯著提高，檢測效率大大提高。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。