CN111454832A - 一种基于微流控的细胞分选***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微流控的细胞分选***及方法，该***包括：微流控模块、拉曼模块、分选控制模块、光镊模块，光镊模块捕获微流控模块进样通道的细胞，拉曼模块采集细胞的光谱信号得到拉曼信号，与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至分选控制模块；光镊模块根据分选控制模块接收的第一信号或第二信号释放被捕获的细胞，分选控制模块根据第一信号将释放的细胞输入第二输出通道或分选控制模块根据所述第二信号将释放的细胞输入第一输出通道。通过实施本发明，采用光镊模块仅负责细胞的捕获和释放，同时设置分选控制模块实现细胞的移动，降低了现有的细胞分选装置的复杂度，提高了***的稳定性和分选速度。

Description

一种基于微流控的细胞分选***及方法

技术领域

本发明涉及细胞分选技术领域，具体涉及一种基于微流控的细胞分选***及方法。

背景技术

现在常用的细胞分选方法有细胞筛分选法、离心分选法、激光诱导荧光分选法和磁分选法。这些方式是利用不同种类的细胞在尺寸、密度、形状、可变形性及亲和性的特点,通过微流体对细胞施加作用,从而实现分离。例如根据不同种类细胞在尺寸、形状、可变形性的特性进行分选的微结构分选***，其原理、操作都特别简单，但是只能够对细胞尺寸差别明显的细胞进行分选，仍有很大的局限性。因此，亟需一种不受细胞尺寸影响的细胞分选方法。

拉曼光谱法可测量细胞生物化学的光谱指纹图谱，因此能够精准的对细胞进行识别。理论上，通过拉曼光谱可以很好的识别同种尺寸的细胞类型，同时结合计算机分析可对细胞的种类进行判别。然而，实现细胞分选则需要外加物理操作将目标细胞从空间上与原混杂细胞分离。既往的拉曼光谱分选细胞的研究中大多依靠光镊的人工操控，将目标细胞移动到特殊的通道或凹槽中收集。然而基于光镊的细胞移动具有高复杂度，可能会导致分选效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于微流控的细胞分选***及方法，以解决现有技术中采用光镊移动细胞复杂度较高的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种基于微流控的细胞分选***，该***包括：微流控模块、拉曼模块、分选控制模块、光镊模块，所述光镊模块捕获所述微流控模块进样通道的待分选细胞，所述拉曼模块采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至所述分选控制模块；所述光镊模块根据所述分选控制模块接收的第一信号或第二信号释放被捕获的细胞，所述分选控制模块根据所述第一信号将释放的细胞输入第一输出通道或所述分选控制模块根据所述第二信号将释放的细胞输入第二输出通道。

进一步地，所述光镊模块包括：光阱生成模块和分束模块，所述光阱生成模块用于产生捕获细胞的光束，所述分束模块用于将光束分为多个同功率的光束输入至所述微流控模块的多个进样通道。

进一步地，所述光阱生成模块包括：激光器和至少一个透镜，所述激光器产生的激光通过透镜生成用于捕获细胞的光束。

进一步地，基于微流控的细胞分选***还包括：反射镜，用于将多个同功率的光束反射至所述微流控模块的多个进样通道。

进一步地，基于微流控的细胞分选***还包括：分束器，所述分束器用于将捕获细胞的光束透过输入至所述微流控模块进样通道，并将细胞的光谱信号反射至所述拉曼模块。

进一步地，所述微流控模块包括：微流控芯片和细胞进样和收集模块，所述微流控芯片包括多个细胞分选通道，每个所述细胞分选通道包括一个细胞进样通道和两个细胞输出通道；所述细胞进样和收集模块用于将待分选细胞输入至多个细胞进样通道，并分别收集两个细胞输出通道的输出细胞。

进一步地，所述拉曼模块包括：光谱仪和对比模块，所述光谱仪采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将所述拉曼信号输出至所述对比模块；所述对比模块将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至所述分选控制模块。

进一步地，所述分选控制模块包括：压力控制器，所述压力控制器预先设置所述第一信号和第一输出通道的对应关系及所述第二信号和第二输出通道的对应关系；当所述压力控制器接收到第一信号时，将释放的细胞移动到第一输出通道；当所述压力控制器接收到第二信号时，将释放的细胞移动到第二输出通道。

本发明实施例第二方面提供一种基于微流控的细胞分选方法，该方法包括如下步骤：将待分选细胞输入微流控模块的进样通道；根据光镊模块产生的光阱捕获进样通道中的待分选细胞；采集待分选细胞的光谱信号得到拉曼信号；将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，判断所述拉曼信号与预设拉曼信号是否相同；当所述拉曼信号与预设拉曼信号相同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第一输出通道。

进一步地，基于微流控的细胞分选方法还包括：当所述拉曼信号与预设拉曼信号不同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第二输出通道。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***及方法，采用光镊技术实现对细胞的捕获和释放功能，结合拉曼技术对待分选细胞进行识别，同时在分选控制模块中预先确定所需细胞的对应通道，当采用拉曼技术确定光镊模块捕获的细胞为所需细胞时，分选控制模块将控制待分选细胞进入所需细胞的对应通道。

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***及方法，光镊模块仅负责待分选细胞的捕获和释放，同时设置分选控制模块实现细胞的移动，降低了现有的细胞分选装置的复杂度，提高了***的稳定性和分选速度。此外，本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***及方法，结合光镊技术和拉曼技术，可以实现对任意尺寸细胞的分选，扩展了该细胞分选***的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于微流控的细胞分选***的结构框图；

图2为本发明实施例中基于微流控的细胞分选***的结构原理图；

图3为本发明实施例中基于微流控的细胞分选***的微流控芯片的结构原理图；

图4为本发明实施例中基于微流控的细胞分选方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种基于微流控的细胞分选***，如图1所示，该细胞分选***包括：微流控模块10、拉曼模块20、分选控制模块30、光镊模块40，光镊模块40捕获微流控模块10进样通道的待分选细胞，拉曼模块20采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至分选控制模块30；光镊模块40根据分选控制模块30接收的第一信号或第二信号释放被捕获的细胞，分选控制模块30根据第一信号将释放的细胞输入第一输出通道或分选控制模块30根据第二信号将释放的细胞输入第二输出通道。

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***，采用光镊技术实现对细胞的捕获和释放功能，结合拉曼技术对待分选细胞进行识别，同时在分选控制模块中预先确定所需细胞的对应通道，当采用拉曼技术确定光镊模块捕获的细胞为所需细胞时，分选控制模块将控制待分选细胞进入所需细胞的对应通道。

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***，光镊模块仅负责待分选细胞的捕获和释放，同时设置分选控制模块实现细胞的移动，降低了现有的细胞分选装置的复杂度，提高了***的稳定性和分选速度。此外，本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选***，结合光镊技术和拉曼技术，可以实现对任意尺寸细胞的分选，扩展了该细胞分选***的应用场景。

在一实施例中，如图1所示，光镊模块40包括：光阱生成模块41和分束模块42，光阱生成模块41用于产生捕获细胞的光束，分束模块42用于将光束分为多个同功率的光束输入至微流控模块10的多个进样通道，其中，多个光束可以是一字型平行等距的光束。可选地，光阱生成模块41包括：激光器和至少一个透镜，激光器产生的激光通过透镜生成用于捕获细胞的光束。如图2所示，光阱生成模块41可以包括激光器401和第一透镜402、第二透镜403及第三透镜407。

具体地，光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。因此，光阱生成模块41可以通过光束会聚产生捕获待分选细胞的光学势阱。此外，当有多个进样通道时，则可以设置分束模块42将光阱生成模块41输出的光束分为多个光束分别在多个进样通道中形成光阱捕获待分选细胞。可选地，分束模块42中可以包括将一束光分为多束光的结构，如图2所示，例如可以是分束装置404，还可以是液晶空间光调制器或者数字微镜阵列等具有分束功能的装置。

在一实施例中，如图2所示，基于微流控的细胞分选***还包括：反射镜405，用于将多个同功率的光束反射至微流控模块10的多个进样通道。具体地，反射镜405的设置可以使得光路发生转折，当需要将细胞分选***中的元件集中放置时，则可以在***中设置反射镜405，改变光束传输的光路。

在一实施例中，如图2所示，基于微流控的细胞分选***还包括：分束器406，分束器406用于将捕获细胞的光束透过输入至微流控模块10进样通道，并将细胞的光谱信号反射至拉曼模块20。

在一实施例中，如图2所示，微流控模块10包括：微流控芯片101及细胞进样和收集模块102，微流控芯片101包括多个细胞分选通道，每个细胞分选通道包括一个细胞进样通道和两个细胞输出通道；细胞进样和收集模块102用于将待分选细胞输入至多个细胞进样通道，并将细胞输出通道的输出细胞分别收集。

具体地，如图3所示，微流控芯片101中可以设置五个细胞分选通道，其中，在进样通道中，可以包括光阱区域111和控制区域112，光阱生成模块41产生的光阱可以处于光阱区域111，待分选细胞流动到光阱区域111时可以被光阱捕获；分选控制模块30产生的力可以处于控制区域112，当被光阱释放的细胞移动到控制区域112时可以在分选控制模块30产生的力的作用下进入相应的细胞输出通道。

在一实施例中，如图2所示，拉曼模块20包括：光谱仪201和对比模块202，光谱仪201采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将拉曼信号输出至对比模块202；对比模块202将拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至分选控制模块30。

具体地，当待分选细胞移动到光阱区域111时被光阱捕获，该细胞会在激光器401产生的光束的作用下反射出相应的光束，该光束可以被分束器406反射到光谱仪201中。光谱仪201可以获取该光束的光谱信号得到其中的拉曼信号并输出至对比模块202中。在对比模块202中可以预先存储多种细胞的拉曼信号，当需要对某种细胞进行分选时，对比模块202可以将获取的拉曼信号与该种细胞对应的拉曼信号进行对比，当两者相同时，则说明被捕获的待分选细胞是所需细胞，此时，对比模块202可以生成第一信号输出至分选控制模块30；当两者不同时，则说明待分选的细胞不是所需细胞，此时，对比模块202生成第二信号输出至分选控制模块30。此外，当分选控制模块30接收到第一信号或第二信号时，可以通过控制激光器401关闭，使得在进样通道中光阱区域产生的光阱消失，被光阱捕获的细胞继续在进样通道中移动。其中，第一信号和第二信号可以分别是1或0，即高电平和低电平。对比模块202可以是微处理器等。

在一实施例中，分选控制模块30包括：压力控制器，压力控制器预先设置第一信号和第一输出通道的对应关系及第二信号和第二输出通道的对应关系；当压力控制器接收到第一信号时，将释放到控制区域的细胞移动到第一输出通道；当压力控制器接收到第二信号时，将释放到控制区域的细胞移动到第二输出通道。

具体地，可以预先确定第一输出通道和第二输出通道的输出细胞类型，例如，确定第一输出通道为所需细胞的输出通道，第二输出通道为其他细胞的输出通道。同时由于第一信号代表待分选细胞为所需细胞，因此，当压力控制器接收到第一信号时，可以给予待分选细胞流向第一输出通道的力，例如，第一输出通道位于第二输出通道的左边，则可以给予待分选细胞左方向的力，从而使得待分选细胞流向第一输出通道。

本发明实施例还提供一种基于微流控的细胞分选方法，如图4所示，该细胞分选方法包括如下步骤：

步骤S101：将待分选细胞输入微流控模块的进样通道。

在一实施例中，微流控模块可以包括微流控芯片及细胞进样和收集模块，微流控芯片包括多个细胞分选通道，每个细胞分选通道包括一个细胞进样通道和两个细胞输出通道；细胞进样和收集模块用于将待分选细胞输入至多个细胞进样通道，并将细胞输出通道的输出细胞分别收集。

步骤S102：根据光镊模块产生的光阱捕获进样通道中的待分选细胞。

在一实施例中，光镊模块包括：光阱生成模块和分束模块，光阱生成模块用于产生捕获细胞的光束，分束模块用于将光束分为多个同功率的光束输入至微流控模块的多个进样通道，其中，多个光束可以是一字型平行等距的光束。可选地，光阱生成模块包括：激光器和至少一个透镜，激光器产生的激光通过透镜生成用于捕获细胞的光束。

具体地，光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。因此，光阱生成模块可以通过光束会聚产生捕获待分选细胞的光学势阱。此外，当有多个进样通道时，则可以设置分束模块将光阱生成模块输出的光束分为多个光束分别在多个进样通道中形成光阱捕获待分选细胞。可选地，分束模块中可以包括将一束光分为多束光的结构，例如可以是分束装置，还可以是液晶空间光调制器或者数字微镜阵列等具有分束功能的装置。

在一实施例，微流控芯片中可以设置五个细胞分选通道，其中，在进样通道中，可以包括光阱区域，光阱生成模块产生的光阱可以处于光阱区域，待分选细胞流动到光阱区域时可以被光阱捕获。

步骤S103：采集待分选细胞的光谱信号得到拉曼信号，具体地，当待分选细胞被捕获后，待分选细胞会在激光器产生的光束的作用下反射出相应的光束，该光束可以被分束器反射到光谱仪中。光谱仪可以获取该光束的光谱信号得到其中的拉曼信号并输出至对比模块中。

步骤S104：将拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，判断拉曼信号与预设拉曼信号是否相同；具体地，在对比模块中可以预先存储多种细胞的拉曼信号，当需要对某种细胞进行分选时，对比模块可以将获取的拉曼信号与该种细胞对应的拉曼信号进行对比。

步骤S105：当拉曼信号与预设拉曼信号相同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第一输出通道。其中，在进样通道中，还可以包括控制区域，分选控制模块产生的力可以处于控制区域，当被光阱释放的细胞移动到控制区域时可以在分选控制模块产生的力的作用下进入相应的细胞输出通道。具体地，当拉曼信号与预设拉曼信号相同时，则说明被捕获的待分选细胞是所需细胞，对比模块可以生成第一信号输出至分选控制模块，此时，可以通过控制控制激光器关闭，使得在进样通道中光阱区域产生的光阱消失，被光阱捕获的细胞继续在进样通道中移动。

在一实施例中，分选控制模块包括：压力控制器，压力控制器预先设置第一信号和第一输出通道的对应关系及第二信号和第二输出通道的对应关系；当压力控制器接收到第一信号时，将释放到控制区域的细胞移动到第一输出通道。其中，可以预先确定第一输出通道和第二输出通道的输出细胞类型，例如，确定第一输出通道为所需细胞的输出通道，第二输出通道为其他细胞的输出通道。同时由于第一信号代表待分选细胞为所需细胞，因此，当压力控制器接收到第一信号时，可以给予待分选细胞流向第一输出通道的力，例如，第一输出通道位于第二输出通道的左边，则可以给予待分选细胞左方向的力，从而使得待分选细胞流向第一输出通道。

步骤S106：当拉曼信号与预设拉曼信号不同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第二输出通道。具体地，当拉曼信号与预设拉曼信号不同时，则说明待分选的细胞不是所需细胞，此时，对比模块生成第二信号输出至分选控制模块。分选控制模块可以在收到第二信号时，可以给予待分选细胞右方向的力，从而使得待分选细胞流向第而输出通道。其中，第一信号和第二信号可以分别是1或0，即高电平和低电平。

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选方法，采用光镊技术实现对细胞的捕获和释放功能，结合拉曼技术对待分选细胞进行识别，同时在分选控制模块中预先确定所需细胞的对应通道，当采用拉曼技术确定光镊模块捕获的细胞为所需细胞时，分选控制模块将控制待分选细胞进入所需细胞的对应通道。

本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选方法，光镊模块仅负责待分选细胞的捕获和释放，同时设置分选控制模块实现细胞的移动，降低了现有的细胞分选装置的复杂度，提高了***的稳定性和分选速度。此外，本发明实施例提供的基于微流控的细胞分选方法，结合光镊技术和拉曼技术，可以实现对任意尺寸细胞的分选，扩展了该细胞分选方法的应用场景。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于微流控的细胞分选***，其特征在于，包括：微流控模块、拉曼模块、分选控制模块、光镊模块，

所述光镊模块捕获所述微流控模块进样通道的待分选细胞，所述拉曼模块采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至所述分选控制模块；

所述光镊模块根据所述分选控制模块接收的第一信号或第二信号释放被捕获的细胞，所述分选控制模块根据所述第一信号将释放的细胞输入第一输出通道或所述分选控制模块根据所述第二信号将释放的细胞输入第二输出通道。

2.根据权利要求1所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，所述光镊模块包括：光阱生成模块和分束模块，

所述光阱生成模块用于产生捕获细胞的光束，所述分束模块用于将光束分为多个同功率的光束输入至所述微流控模块的多个进样通道。

3.根据权利要求2所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，所述光阱生成模块包括：激光器和至少一个透镜，所述激光器产生的激光通过透镜生成用于捕获细胞的光束。

4.根据权利要求2所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，还包括：反射镜，用于将多个同功率的光束反射至所述微流控模块的多个进样通道。

5.根据权利要求1所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，还包括：分束器，所述分束器用于将捕获细胞的光束透过输入至所述微流控模块进样通道，并将细胞的光谱信号反射至所述拉曼模块。

6.根据权利要求1所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，所述微流控模块包括：微流控芯片及细胞进样和收集模块，

所述微流控芯片包括多个细胞分选通道，每个所述细胞分选通道包括一个细胞进样通道和两个细胞输出通道；

所述细胞进样和收集模块用于将待分选细胞输入至多个细胞进样通道，并分别收集两个细胞输出通道的输出细胞。

7.根据权利要求1所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，所述拉曼模块包括：光谱仪和对比模块，

所述光谱仪采集被捕获细胞的光谱信号得到拉曼信号，将所述拉曼信号输出至所述对比模块；

所述对比模块将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，根据对比结果生成第一信号或第二信号并输出至所述分选控制模块。

8.根据权利要求1所述的基于微流控的细胞分选***，其特征在于，所述分选控制模块包括：压力控制器，所述压力控制器预先设置所述第一信号和第一输出通道的对应关系及所述第二信号和第二输出通道的对应关系；当所述压力控制器接收到第一信号时，将释放的细胞移动到第一输出通道；当所述压力控制器接收到第二信号时，将释放的细胞移动到第二输出通道。

9.一种基于微流控的细胞分选方法，其特征在于，包括如下步骤：

将待分选细胞输入微流控模块的进样通道；

根据光镊模块产生的光阱捕获进样通道中的待分选细胞；

采集待分选细胞的光谱信号得到拉曼信号；

将所述拉曼信号与预设拉曼信号进行对比，判断所述拉曼信号与预设拉曼信号是否相同；

当所述拉曼信号与预设拉曼信号相同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第一输出通道。

10.根据权利要求9所述的基于微流控的细胞分选方法，其特征在于，还包括：

当所述拉曼信号与预设拉曼信号不同时，待分选细胞在分选控制模块的作用下进入第二输出通道。

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