[發明專利]基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離系統及方法

在審

• 申請號: 201711328255.0
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108037170A
• 公開（公告）日: 2018-05-15
• 發明（設計）人: 趙桐;高增鋒
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01N27/447
• 分類號: G01N27/447;G01N1/34
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

1.一種基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離系統，其特征在于，包括微流控芯片模塊(1)，微流控芯片模塊(1)頂部設置有顯微攝像系統(2)，顯微攝像系統(2)又與數據處理計算機(3)連接，微流控芯片模塊(1)的輸入端連接有兩臺注射泵(4)，微流控芯片模塊(1)的輸出端與數據采集系統(5)連接，數據采集系統(5)同時還連接至數據處理計算機(3)。

2.根據權利要求1所述的一種基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離系統，其特征在于，所述微流控芯片模塊(1)包括模塊本體(6)，模塊本體(6)內部為微流道，微流道外部依次設置有Ⅰ截面、Ⅱ截面、Ⅲ截面、Ⅳ截面、Ⅴ截面5個截面，5個截面與細胞流動方向水平垂直，其中，Ⅰ截面、Ⅲ截面、Ⅴ截面為測量截面，Ⅱ截面、Ⅳ截面為操控界面，每個截面上均設有多層電極陣列傳感器(7)。

3.基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離方法，其特征在于，利用基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離系統，具體按照以下步驟實施：

步驟1、將存活的酵母菌細胞、死亡的酵母菌細胞和培養液分別稀釋為不同體積分率的懸浮液樣本，然后通過精密注射泵以一定大小的流量注入微流道；

步驟2、利用多層電極陣列傳感器在沿流動方向的5個截面上對球狀酵母菌細胞的體積分率及其分布進行實時測量；將測量結果導入數據處理計算機中進行圖像重構，為獲取截面不同位置處的粒子分布圖像，需結合高速數據處理技術完成存活酵母菌細胞的快速識別及位置標定，并利用三維小波多重解像度分析實現圖像重構；

步驟3、為確定在截面II處施加電場的強度和頻率，需建立多層電極陣列交變電場頻率及強度的數學模型；為此，采用基于離散速度的3維19速的D3Q19模型求解格子玻爾茲曼方程，量化操控目標粒子所需的介電電泳力與粒子位置、局部粒子濃度的數學關系；格子玻爾茲曼方法將流體抽象為大量微觀粒子的集合體，粒子在離散的格子上按一定的規則進行遷移和碰撞，通過建立多層電極陣列交變電場頻率及強度的數學模型，就可控制施加在電極上的電場強度，對酵母菌細胞進行精確地操控，從而實現細胞的測量和分離。

4.根據權利要求3所述的基于慣性遷移與介電電泳的復合式細胞分離方法，其特征在于，所述步驟3具體為：

遷移和碰撞規則由玻爾茲曼動力學方程的BGK近似形式描述：

∂ f ∂ t + ξ · ▿ f + a · ▿ ξ · f = - 1 τ c [ f - f e q ] - - - ( a ) ]]>

式中，f為速度為ξ的粒子在時空(x,t)上的分布函數，a為流體粒子的加速度，τc為流體粒子松弛時間，feq為麥克斯韋局部平均分布函數，定義為：

f e q ( ξ , ρ , u , T ) = ρ ( 2 π R T ) D / 2 · e - ( ξ - u ) 2 2 R T - - - ( b ) ]]>

式中，D為空間維度，R為氣體常數，T為局部溫度，流體的宏觀密度u和速度ξ可由分布函數統計獲得；

通過步驟2所得的細胞重構圖像，即可得到細胞在時空(x,t)上的分布函數f，細胞的松弛時間τc根據經驗值進行設置，

將方程(a)在速度空間離散，得到分布函數的演化方程：

f i ( x + e i δ t , t + δ t ) - f i ( x , t ) = - 1 τ [ f i ( x , t ) - f i e q ( x , t ) ] + δtF i - - - ( c ) ]]>

即為基于單步松弛時間的格子玻爾茲曼方程，其中fi(x,t)為在i方向的流體粒子分布函數；τ為無量綱松弛時間，τ＝τc/δt；

式(c)中的平衡分布函數feq由(b)式的離散形式給出：

f i e q ( x , t ) = w i · ρ · [ 1 + e i · u c s 2 + ( e i · u ) 2 2 c s 4 - | u | 2 2 c s 2 ] - - - ( d ) ]]>

其中，wi表示權重系數，c為格子速度c≡δx/δt，cs為格子聲速；在3維19速模型D3Q19中，離散速度ei表示為：

e 0 - 18 = 0 c - c 0 0 0 0 c - c c - c c - c c - c 0 0 0 0 0 0 0 c - c 0 0 c - c - c c 0 0 0 0 c - c c - c 0 0 0 0 0 c - c 0 0 0 0 c - c - c c c - c - c c - - - ( e ) ]]>

式(c)中的作用力項Fi與流體所受外力F滿足如下關系：

F i = ( 1 - 1 2 τ ) ρw i [ e i - u c s 2 + e i · u c s 4 e i ] · F - - - ( f ) ]]>

為確定作用力項Fi，需知道流體所受的外力F，即懸浮液流動過程中的重力和管道壓力，其中壓力可根據懸浮液的流速換算得到；

在以上各式中，流體密度和速度通過下式求出：

ρ = Σ i f i - - - ( g ) ]]>

ρ u = Σ i e i f i + 1 2 F · δ t - - - ( h ) ]]>

流體的運動粘度v與無量綱松弛時間相關,

v = 1 3 ( τ - 1 2 ) c s 2 δ t - - - ( i ) ]]>

粒子的遷移行為可用牛頓力學方程描述，粒子的平動力學方程為：

m p · d 2 x p dt 2 = F p f + F p e x t - - - ( j ) ]]>

式中，xp和mp分別表示粒子的位置和質量，為粒子受到的流體粘滯力，表示外部場力；

粒子的轉動力學方程為：

I p d 2 θ p dt 2 = T p f + T p e x t - - - ( k ) ]]>

式中，為粒子受到的流體粘滯力矩，表示外部場力矩；

粒子所受的流體粘滯力和粘滯力矩，采用基于LBM反彈格式的運動邊界法計算，首先將流固界面視為無滑移邊界，考慮粒子平動和轉動對流固界面處流速的影響，流固界面處的流速可表示為：

ub＝up+ωp×rp (l)

式中，ub為粒子平動速度，rp為邊界與其質心的距離，可通過下式計算：

rb＝xb-xc (m)

其中，xb為流固邊界位置，xc為粒子質心位置，在流體與粒子發生碰撞過程中，兩者發生動量交換，由動量守恒可得碰撞后的流體分布函數：

f i ‾ ( x b , t + δ t ) = f i ( x b , t ) - 2 w i · ρ 0 u b · e i c s 2 - - - ( n ) ]]>

其中，表示i的反方向，根據動量定理，在界面格子作用于固相粒子上的力可表示為：

f b f ( x b , t + 1 2 δ t ) = 2 [ f i ( x b , t ) - w i ρ 0 u b e i c s 2 ] · δx D δ t e i - - - ( o ) ]]>

通過對流固界面格子的受力和力矩求和，可得粒子受到的總作用力和力矩：

F p f = Σ x b [ 1 - w ( x b ) ] · f b f - - - ( p ) ]]>

T p f = Σ x b [ 1 - w ( x b ) ] · ( r b × f b f ) - - - ( q ) ]]>

式中，w(xb)為與格子狀態相關的二值指示函數，當xb處格子為流體時其值為0，反之為1。