微波流式細胞儀及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種利用微波網絡散射參數反演懸液中細胞介電常數的微波流式細 胞儀及利用所述細胞儀測量細胞介電常數的方法，屬于微波測量領域。
【背景技術】
[0002] 流式細胞儀是20世紀70年代初發展起來的先進的對細胞進行自動分析和分選的 檢測儀器。它可以快速測量、存儲、顯示懸浮在液體中的分散細胞的一系列重要的生物物 理、生物化學方面的特征參量，并可以根據預選的參量范圍把指定的細胞亞群從中分選出 來。流式細胞儀主要有四部分組成，它們是：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。流式細胞儀的一般工作原理：流式細胞儀可同時進行 多參數測量，信息主要來自特異性熒光信號及非熒光散射信號。測量是在檢測區進行的， 所謂的檢測區就是照射激光束和噴出孔的液流束垂直相交點。液流中央的單個細胞通過測 量區時，受到激光照射會向立體角為2π的整個空間散射光線，散射光的波長和入射光的 波長相同。散射光的強度及其空間分布與細胞大小、形態、質膜和細胞內部結構密切相關， 因為這些生物學參數又和細胞對光線的反射、折射等光學特性有關。流式細胞術是分析細 胞的一個重要技術，為細胞學研究手段之一，能夠對細胞和細胞器及生物大分子進行高達 每秒上萬個染色體的分析，并可以進行細胞的多參數分析和細胞分選，這種以流動方式測 量細胞的定量分析技術，目前在細胞生物學、醫學等領域得到了廣泛的應用。流式細胞術 集鞘液原理、液流驅動系統、細胞染色、激光技術和計算機技術為一體。其中液流驅動系統 為流式細胞術的核心技術之一，常采用鞘液包裹帶動式。單細胞懸液在細胞流動室里被鞘 液流包繞通過流動室內的一定孔徑的孔，檢測區在該孔的中心，細胞與此激光垂直相交，在 鞘液流約束下細胞成單行排列依次通過激光檢測區，流式細胞儀所測的細胞要求排列成單 列，這種驅動方式下處理細胞懸液，對鞘液流的消耗量很大。流式細胞儀的核心部件流動室 有交叉封閉式、開放式、空氣噴射式、頂端開口式等形狀，這些流動室的結構復雜，制造難度 大。
[0003] 在傳統的流式細胞儀中，往往采用熒光檢測和光散射原理，導致技術復雜而又價 格昂貴、體積龐大，維持費用高，尤其是目前市場上的流式細胞儀基本被歐美發達國家的大 公司所壟斷，難以在普通實驗室推廣和使用。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于：解決傳統流式細胞儀技術復雜、價格昂貴、體積龐大的問題； 從微波測量技術領域入手，通過直接測量微波網絡散射參數，反演細胞介電常數，進而達到 分析細胞結構性質的目的。
[0005] 為實現上述發明目的，本發明提供一種微波流式細胞儀，包括：同步信號源、測試 傳感器、對照傳感器、兩個微波檢波器、差分放大器、A/D轉換器、微處理器，所述同步信號源 連接測試傳感器和對照傳感器的激勵端，所述測試傳感器和對照傳感器均為嵌有兩端寬中 間窄的導體帶的多層介質的共面波導，所述波導上安置U型液體管作為檢測通道，所述兩 個微波檢波器分別與所述兩個共面波導的輸出端相連，將來自兩個傳感器的信號送到差分 放大器，所述差分放大器通過一個A/D轉換器與微處理器相連。
[0006] 導體帶兩端寬中間窄的設計既兼顧了端口阻抗50歐姆的要求，又達到了提高測 量精度的目的。因為中間是測試區，中間窄是為了束縛中間的電磁場更加的集中；
[0007] 作為優選方式，所述多層介質的共面波導包括：底部的接地板、接地板上方的介質 基板、介質基板上方正中的包括兩端寬部和中間窄部的導體帶、所述導體帶兩側的銅板、緊 貼于所述導體帶上方的粘合膜、粘合膜上方的玻璃板，所述導體帶與銅板位于同一平面且 兩者隔有間隙，玻璃板底部設有U型通孔，U型通孔中安置U型液體管，U型通孔中間的彎曲 部分位于中心導體帶中間窄部的上方。
[0008] 作為優選方式，導體帶中間窄部和銅板之間的間隙填充磷酸鹽緩沖液PBS，導體帶 兩端寬部和銅板之間的間隙填充空氣。中間填充高介電材料PBS是因為共面波導結構測量 高介電的材料精度更高，而培養液是低介電的，所以這樣能增加測試區域的總的介電常數， 增加測量準確度。
[0009] 作為優選方式，所述多層介質的共面波導長25. 4mm、寬12. 7mm，所述導體帶兩端 的寬部分別長15mm、寬1. 92mm，中間窄部長5mm、寬0. 4mm，寬部和窄部由直線相連。
[0010] 作為優選方式，導體帶兩端寬部和銅板之間的間隙為〇. 15_，導體帶中間窄部和 銅板之間的間隙為〇. 〇6mm。
[0011] 上述尺寸是經過反復優化仿真最終確定的，測量精度最高。
[0012] 本發明還提供一種利用上述微波流式細胞儀測量細胞介電常數的方法，包括如下 步驟：
[0013] (1)校準：首次使用該微波流式細胞儀時，啟動所述同步信號源，輸出正弦波信 號，所述兩個傳感器將反饋信號發送給微波檢波器，所述微波檢波器將檢波信號發送給差 分放大器，所述差分放大器對兩個檢波信號差值的幅度進行調制并放大，并發送給A/D轉 換器，所述A/D轉換器將接收到的信號轉成數字信號后發送給微處理器，所述微處理器將 接收到的信號通過相應程序計算得到校準數據并存儲于內部寄存器中，關閉同步信號源；
[0014] (2)準備：開始在所述測試傳感器的U型液體管中注入待檢測的含有細胞的懸液， 在對照傳感器的U型液體管中注入純凈的培養液，調節至液體流速一致，保證同步對照測 量；
[0015] (3)測試：打開同步信號源，給兩個傳感器的激勵端口發送正弦波信號，所述兩個 微波檢波器檢測到相應傳感器輸出端的反饋信號，并將檢波信號發送給差分放大器，所述 差分放大器對兩個檢波信號差值的幅度進行調制并放大，并發送給A/D轉換器，所述A/D轉 換器將接收到的信號轉成數字信號后發送給微處理器；
[0016] (4)計算：所述微處理器中內嵌相應程序，將接收到的數字信號進行反演計算，得 到細胞介電常數，最后通過相應軟件分析細胞結構性質。
[0017] 共面波導裝置中散射參數與傳播常數和介電常數的關系式如下：
[0018] U)
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中：Sn為激勵端反射系數，S22為輸出端反射系數，S12為輸出端到激勵端的傳輸 系數，S21為激勵端到輸出端的傳輸系數，γ為傳播常數，L為共面波導裝置的長度，ε為介 電常數，c為光速，f為工作頻率。
[0023] 利用界面極化理論計算細胞介電常數的關系式如下：
[0024]
[0025] 其中：Φ為細胞體積積分，η為形狀因素，εsaiiplf；為待測細胞懸液的介電常數， erall為細胞介電常數，εfluid為培養液的介電常數。
[0026] 本發明的有益效果：
[0027] (1)測試傳感器與對照傳感器的檢測通道分別注入細胞懸液和純凈的培養液，同 步測量實時校準介電常數，減小了培養液介電常數變化帶來的誤差。
[0028](2)采用散射參數測量和差分放大原理，散射參數本質上是入射、反射和傳輸能量 的比率，因為這些比率即使在微波頻率也有很高的精度，并且由于差分放大器有高共模抑 制比，可以有效地衰減干擾信號，因此本發明擁有很高的分辨率。
[0029] (3)避免了矢量網絡分析儀等昂貴設備的使用，傳感器體積小巧，電路芯片尺寸屬 于毫米級，且市場上均有銷售，成本低廉。
[0030] (4)采用模塊化設計理念，各模塊功能清晰，易于后期維護檢修工作。
【附圖說明】
[0031] 圖1為所述微波流式細胞儀結構示意圖
[0032] 圖2為所述多層介質的共面波導立體圖
[0033] 圖3為所述多層介質的共面波導主視剖面圖
[0034] 圖4為所述多層介質的共面波導俯視剖面圖
[0035] 圖5為所述微波流式細胞儀用于檢測時的示意圖
[0036] 其中，1-同步信號源，2-測試傳感器，3-對照傳感器，4-微波檢波器，5-差分放大 器，6-A/D轉換器，7-微處理器，8-多層介質的共面波導，9-玻璃板，10-粘合膜，11-U型液 體管，12-導體帶，13-介質基板，14-接地板，15-磷酸鹽緩沖液PBS，16-間隙，17-銅板。
【具體實施方式】
[0037] 以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書 所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發明的精神下進行各種修飾或改變。
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