阅读说明：本技术 多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置及制备方法 (Multi-mode accurately-focused electrical impedance flow cytometry detection device and preparation method thereof ) 是由 杨雯皓 韩煜 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置及制备方法,包括不导电主体,所述主体内从流体入口到出口方向依次设置有流体动力学聚焦流道、超声波聚焦流道、电阻抗检测流道和出口流道,所述流体动力学聚焦流道包括中间的样本流通道和包裹在样本流通道外的鞘液流通道,所述样本流通道连通样本入口,鞘液流通道通过鞘液流入口流道连通鞘液入口,所述超声波聚焦流道外侧设置有压电元件,所述电阻抗检测流道的两端均设置有电阻抗检测电极,制备方法采用双喷头3D打印。本发明解决样本微粒阻塞点淤塞的问题,实现聚焦速度快且聚焦位置精准的目标,对细胞进行快速精准的有效聚焦,降低信号处理的难度。(The invention discloses a multimode accurate focusing electrical impedance flow cytometry detection device and a preparation method thereof, wherein the device comprises a non-conducting main body, a fluid dynamics focusing flow channel, an ultrasonic focusing flow channel, an electrical impedance detection flow channel and an outlet flow channel are sequentially arranged in the main body from a fluid inlet to the outlet direction, the fluid dynamics focusing flow channel comprises a middle sample flow channel and a sheath flow channel wrapped outside the sample flow channel, the sample flow channel is communicated with the sample inlet, the sheath flow channel is communicated with the sheath flow inlet through the sheath flow inlet flow channel, a piezoelectric element is arranged on the outer side of the ultrasonic focusing flow channel, electrical impedance detection electrodes are arranged at two ends of the electrical impedance detection flow channel, and the preparation method adopts double-nozzle 3D printing. The invention solves the problem of silting of a sample particle blocking point, realizes the aims of high focusing speed and accurate focusing position, effectively focuses cells quickly and accurately, and reduces the difficulty of signal processing.)

多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置及制备方法

技术领域

本发明涉及微流控检测装置，具体涉及一种多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置及制备方法。

背景技术

微流控装置通常也被称作微流控芯片，主要应用于化学分析、生物医学、环境监测等领域。结合流式细胞术，其常常被用于检测细胞、遗传物质、蛋白质等微粒。在进行检测时，微流道内的样本微粒应该被稳定地聚焦在中心位置，以提高检测的精确度。聚焦的方式主要包括流体动力学聚焦、声学聚焦等方法，检测的方式则主要包括电阻抗检测、荧光检测、光散射、显微成像等方法。

流体动力学聚焦方式对细胞施加的聚焦力大，聚焦速度快，但聚焦位置不精准。此种聚焦方法的关键在于微流道的结构，如果采用单向聚焦则只能使样本流变成一行或者一列，无法达到聚焦的最终目的，而从微流道截面的横向和纵向同时聚焦虽然效果较好，但一定程度上也增加了微流道结构的复杂性。声学聚焦的方式要达到更好的聚焦效果需要更大的声场能量，更大的声场能量则会导致更大的能量密度，产生超声空化作用进而可能会潜在地破坏脆弱的生物微粒。为避免此种情况的发生，则必须加长声学聚焦流道，这将会使装置整体尺寸变大，不便于加工和使用。电阻抗检测方式通常都是通过压入或是粘合来将其和装置主体相连，这种方式不仅提高了装置制造的复杂程度，还破坏了装置的一体性，对装置的性能产生不利的影响。

微流道的制作已有成熟的光刻、刻蚀等技术的支持，当前主要利用软光刻技术进行整体的制造，但这种工艺步骤复杂，不仅需要大量的专业的人工操作，还需要无尘操作环境以及专业的设备，这将导致装置整体成本高昂，制造周期增长，难以批量生产，大大地限制了微流控装置的应用范围。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种解决现有检测模式单一，聚焦位置不精准和样本微粒阻塞点淤塞的问题的多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置及制备方法。

技术方案：本发明所述的多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置，包括不导电主体，所述主体内从流体入口到出口方向依次设置有流体动力学聚焦流道，超声波聚焦流道、电阻抗检测流道和出口流道，所述流体动力学聚焦流道包括中间的样本流通道和包裹在样本流通道外的鞘液流通道，所述样本流通道连通样本入口，鞘液流通道通过鞘液流入口流道连通鞘液入口，所述超声波聚焦流道外侧设置有压电元件，所述电阻抗检测流道的两端均设置有电阻抗检测电极。

为便于压电元件的安装与供电，所述主体内对应于超声波聚焦流道的位置设置有空腔，所述空腔内设置有超声波聚焦体，所述超声波聚焦流道设置在超声波聚焦体内，所述压电元件设置在所述超声波聚焦体外。所述压电元件与所述超声波聚焦体的外壁适配，所述超声波聚焦体的外壁截面为矩形或圆形。

为能够很好地与信号输入和输出装置相连，有效降低实际操作难度，所述电阻抗检测电极包括圆柱主体，圆柱主体一端通过半圆环部与所述电阻抗检测流道的两端流道连通，另一端伸出不导电主体外。

为确保流体动力学聚焦的效果，并提高信噪比，有利于信号的处理，所述样本流通道的样本出口内径和电阻抗检测流道内径相等，且样本出口的内径是所述超声波聚焦流道内径的一半。

本发明所述的多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置的制备方法采用双喷头3D打印机，使用导电性和非导电性材料一次性打印出所述电阻抗检测电极和其他部分。

有益效果：本发明在聚焦方式上采用流体动力学聚焦和超声波聚焦相结合的多模式精准聚焦的方法，有效地改善了在流体动力学聚焦当中由于样本会偏离中心位置，而很容易在阻塞点淤塞，使检测精度显著降低以及超声波聚焦对脆弱生物微粒的潜在破坏性的问题，流体动力学聚焦主要被用来提供聚焦的能量，用单股鞘液流聚焦的方式，相比一般的流体动力学聚焦方法，有效地节约了鞘液流的使用，降低了微流道结构的复杂程度并缩小了装置的整体体积；超声波聚焦主要被用来解决样本微粒阻塞点淤塞的问题，从而避免使用高能量的超声波，保护脆弱的细胞样本。二者相辅相成，发挥流体动力学聚焦对细胞施加的聚焦力大，聚焦速度快和超声波聚焦位置精准的优势，弱化流体动力学聚焦时聚焦不准确和超声波聚焦时聚焦力小的问题，实现聚焦速度快且聚焦位置精准的目标，对细胞进行快速精准的有效聚焦，降低信号处理的难度。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明采用环形压电元件的结构示意图；

图3是本发明分区示意图；

图4是流体动力学聚焦区结构示意图；

图5是使用方形压电元件的超声波聚焦区结构示意图；

图6是使用环形压电元件的超声波聚焦区结构示意图；

图7是电阻抗检测区结构示意图；

图8是出口区结构示意图；

图9是电阻抗检测电极结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1-9所示，多模式精准聚焦的电阻抗流式细胞检测装置，包括不导电主体，主体内从流体入口到出口方向依次设置有流体动力学聚焦流道13，超声波聚焦流道14，电阻抗检测流道15和出口流道16，流体动力学聚焦流道13包括中间的样本流通道11和包裹在样本流通道外的鞘液流通道，鞘液流入口流道12与流体动力学聚焦流道13的夹角为90°，样本流通道11连通样本入口41，鞘液流通道通过鞘液流入口流道12连通鞘液入口42，主体内对应于超声波聚焦流道的位置设置有空腔，空腔内设置有超声波聚焦体，超声波聚焦流道设置在超声波聚焦体17内，在超声波聚焦体17外壁粘贴有压电元件，超声波聚焦流道14的外壁截面形状可以是矩形也可以是圆形，对应分别使用四片长方体形压电元件51和一片环形压电元件61，电阻抗检测流道15入口与超声波聚焦流道14的出口连通，其内径小于超声波聚焦流道14的内径，电阻抗检测流道15分别与超声波聚焦流道14和出口流道连接的两端均设置有电阻抗检测电极71，电阻抗检测电极71包括圆柱主体，圆柱主体一端通过半圆环部与电阻抗检测流道15的两端流道连通，另一端伸出不导电主体外，出口流道的内径与超声波聚焦流道14的内径相同，其入口与电阻抗检测流道15的出口连通，另一侧与外界连通，本发明的超声波聚焦体设置在主体空腔内，其外壁截面尺寸显著小于主体宽和高，便于压电元件的安装与供电，空腔的四角采用的四个四分之一圆柱连接主体，可以保证本发明整体的强度，保护超声波聚焦部分，适当扩大入口与出口内径可以便于微流道与外部装置的连接，伸出装置长方体区域的两电阻抗检测电极，能够很好地与信号输入和输出装置相连，有效降低实际操作难度。样本流通道11的样本出口43的内径和电阻抗检测流道15的内径相等，且样本出口43的内径是所述超声波聚焦流道14内径的一半，这样的设置可以确保流体动力学聚焦的效果，并提高信噪比，有利于信号的处理，

本发明利用3D打印的方法一次成型制作，采用不导电的树脂作为主体的材料，导电的复合树脂作为电阻抗检测电极的材料，利用CAD完成结构的绘制后使用双喷头3D打印机完成制作。

使用本发明时，用压力泵将所需液体通过导管泵入芯片的微流道内，导管分别***样本入口41和鞘液入口42中，出口流道81也插有导管，导管另一侧与废液收集装置相连。令已经过预处理的样本溶液通过导管和样本入口41流入样本流通道11；令配置好的保护液通过导管和鞘液入口42进入鞘液流入口流道12，给每个压电元件都输入一个频率和幅值均相同且恒定的简谐信号，两个电阻抗检测电极一个接入包括信号放大器和计算机等器件的信号处理装置，另一个则接入信号发生器。

当样本流流至样本出口43时，鞘液流会通过流体动力学聚焦流道13从四周挤压样本流，使样本微粒初步地聚焦在微流道中心位置，二者汇聚并进入超声波聚焦流道14，在这里，压电元件产生的声阻力使偏离中心的样本微粒聚焦于微流道的中心位置，并避免样本微粒淤积现象的产生。

经过精准聚焦的聚焦流流至电阻抗检测流道入口72并进入电阻抗检测流道15后，由于样本细胞微粒可以看作是不导电的微粒，其会使两个电阻抗检测电极间的电阻随细胞排出这一空间内的液体成比例地增大，从而使输入的单位脉冲信号的幅值产生脉冲式的下降，由于已经经过了精准的预聚焦，我们可以认为细胞是一个接着一个地依次地通过电阻抗检测流道，此时每一个脉冲都代表着一个样本细胞微粒的通过，该信号将会被放大电路放大然后被记录在计算机中，流过电阻抗检测流道的聚焦流会通过出口流道入口73进入出口流道16，并最终通过出口流道出口81和导管被排入废液收集装置。

可以通过调节两压力泵的压力进而改变鞘液流和聚焦流的流速之比，或者通过改变输入压电材料简谐信号的频率与幅值，最终改变聚焦的效果以及检测的精确度，直至得到能够符合处理要求的输出信号。