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CN103897985B - 活体单细胞分选电子控制系统 - Google Patents

活体单细胞分选电子控制系统 Download PDF

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马波
徐健
黄巍
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Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology of CAS
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Abstract

“活体单细胞分选电子控制系统”是针对目前分选单细胞出现的时间和精度上偏差、效率低下、不能多通道同时分选的问题，同时解决现有的细胞分选设备价格昂贵，结构复杂，体积庞大，不易普及的现象，提出一种活体单细胞分选电子控制系统。活体单细胞分选电子控制系统的主要模块包括：供电电源、工控板、存储介质、显示屏、通道控制模块、分选模块、电磁阀以及软件系统。其特点是(1)多通道可插拔分选控制模块。(2)实时活体单细胞分选。(3)智能化软件系统。

Description

活体单细胞分选电子控制系统
技术领域
本发明专利涉及一种可多通道同时对活体单细胞进行分选的软硬件结合的电子控制系统，尤其适合应用于微流控芯片中进行活体单细胞细胞分选。
背景技术
单细胞分析对重大疾病早期诊断、治疗、药物筛选和细胞生理、病理过程的研究有重要意义，目前已成为研究的热点之一。由于细胞极小，直径一般为5-500μm，体积在fL-nL，组分含量少(fmol-zmol)、种类繁多，使得操纵和分析难度很大。因此，要开展单细胞水平的研究，细胞分选成为必要的前提条件。
细胞分选是从复杂环境中获取性质均一的目标细胞的必要手段，微流控芯片系统在单细胞分选方面具有以下几个独特的优势：
(1)微流控芯片微米尺寸的通道与典型单个生物细胞尺寸相匹配，适于单细胞的引入和操纵；
(2)微制造技术的发展，使微流控芯片将通道与微泵、微阀、微电极等多种操纵、检测器集成化；
(3)微流控芯片分析速度快、分离效率高、样品和试剂的消耗量少，可实现细胞的高通量分析。
因此，在微流控芯片上进行细胞分选越来越受到人们的重视。其中，为对芯片上的液体流动进行自动化控制，基于光刻技术的微加工技术将宏观体系中的泵、阀等元件引入微芯片系统，即微泵微阀。它们是样本驱动控制单元的核心部件，微泵通常用来驱动流体，微阀通常用来控制流体流动的方向。因此采用微泵微阀进行细胞分选和单细胞组分分析可以实现很高程度的自动化和集成化。
然而，在一方面，随着微流控芯片复杂度的提高，典型专利有US2007/0071638，US7718127，EP2191895等，导致微泵微阀数量也随之增多，由于多组微泵微阀控制比较繁琐，操作也相对复杂，在进行细胞分选过程中很容易产生偏差，从而在实际应用中有所不便。目前国内还没有专门服务于多组微泵微阀的控制仪器。在另外一方面，现阶段商品化的细胞分选仪器是流式细胞仪(US8290625)，已经在医院、科研院所得到应用，但该设备明显缺点是价格昂贵，结构复杂，体积庞大，不易普及。
因此，目前已有的细胞分选系统，都无法实现模块化、小型化、智能化、多通道同时分选的目的。
发明内容
为了实现多通道、高效率的分选细胞及简化微泵微阀控制系统，同时解决现有的流式细胞仪价格昂贵，结构复杂，体积庞大，不易普及的问题，本发明根据微流控芯片及微泵微阀工作原理和实际要求的特点，研发出了一款活体单细胞分选电子控制系统仪器，该仪器模块化结构设计，采用集成度高的器件，同时开发了智能化的软件系统，可以实现自动实时活体单细胞分选。
本发明采用的技术方案是采用可插拔模块化结构设计以及构筑于其上的高效、统一的软件平台(图1)。其特点是(1)多通道可插拔分选控制模块，电压可调。(2)实时活体细胞分选功能(3)智能化软件系统。
(1)多通道可插拔分选控制模块
该硬件系统采用模块化结构设计，共设计有9个分选控制模块，结合分选模块，最多可同时进行144通道细胞分选。其中每个通道都可以实现开关、延时等基本分选控制操作。9个分选控制模块可以插拔，可根据需要来增加或拔除分选控制模块。
同时，本系统设计了电压调节模块，可根据实际需要调节电压大小，电压可调范围是0-24V。同时可以实现不同模块供电电压不同的效果。
(2)实时活体单细胞分选功能
细胞分选功能是由分选控制模块、分选模块、微流控芯片来实现的。根据分选模块提供的声光电等信号，通过相应逻辑判断实时与分选控制模块进行通信，从而控制细胞流动的通道，达到对流过微流控芯片中单细胞进行分选的目的。
(3)智能化软件系统
该软件系统采用人性化的界面设计和良好的程序框架构建，使用户比较方便的控制仪器(图2)。仪器启动后软件系统会自动判断插入分选控制模块数量，根据模块数量调整界面及相关设置参数。然后根据需要设置分选控制模块开关、延时和电压大小，并实时与分选模块通信，获取分选模块提供的分选信号，根据信号来对控制相应通道的细胞流向。
因此本软件平台依赖于活体单细胞分选电子控制系统硬件平台，只有相互配合才能够发挥高性能单细胞分选的功能。
本发明的有益效果是，活体单细胞分选电子控制软件系统与电子控制系统硬件平台相配合，克服了分选单细胞出现的时间和精度上偏差及效率低下的瓶颈，而且有效的实现了控制系统的集成化和小型化，易于普及市场。本发明的应用将会加快分选单细胞朝着小型化、集成化、智能化方向发展，进而提速单细胞分析的研究。
附图说明
图1、活体单细胞分选电子控制系统的硬件架构。其主要部分是：第一，Mini-ITX主板，采用了超低功耗设计，同时具有超强性能和扩展能力。第二，分选控制模块，设计了9个控制模块，并可根据需要来增加或拔除控制模块，提高了仪器的实用性。第三，分选模块，本模块是于声、光、电信号的信号检测，并根据检测结果向软件系统发送消息。第四，电压可调模块。可以根据实际需要调节输出电压大小，电压范围为0-24V，从而增加仪器的应用范围。
图2、活体单细胞分选电子控制系统软件工作流程。其流程主要步骤是：首先，仪器初始化。仪器启动后软件系统自动判断插入分选控制模块数量，根据插入模块数量调整显示界面及相关设置参数。其次，设置相关工作参数。根据分选控制模块上所连接的设备需要来设置输出电压大小，并对通道工作状态进行参数设置。最后开始进行细胞分选。根据实际需要开始供电或定时供电，根据分选模块提供的声光电等不同分选信号和相应逻辑判断对电磁阀进行控制，从而对微泵微阀进行控制，达到分选细胞的目的，实验结束后断电关机。
具体实施方式
在图1中，活体单细胞分选电子控制系统硬件基本配置是：包含PCI总线和USB端口的工控板，内存至少1GB以上，硬盘至少50G以上。
在图2中，活体单细胞分选电子控制系统的软件平台基本配置是：Windows XP操作系统，预装活体单细胞分选电子控制软件系统，软件系统配有电子版使用说明。
参考文献
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4.Charles S.Bay，Jeffrey W.Degeal et al.Flow cytometer sorter.美国专利号：US，8290625.

Claims (3)

1.一种软硬件结合的活体单细胞分选电子控制系统，其特征是：包含活体单细胞分选电子控制硬件和活体单细胞分选电子控制软件，其中所述的活体单细胞分选电子控制硬件包括供电电源、电源控制模块、分选模块、多通道分选控制模块、工控板，可按需求来控制多通道分选控制模块数量及调整电源输出电压，根据声光电不同分选信号和相应逻辑判断实时与多通道分选控制模块进行通信，控制细胞流动的通道，对流过微流控芯片中的单细胞进行分选。
2.根据权利要求1所述的活体单细胞分选电子控制系统，其特征是：所述的活体单细胞分选电子控制硬件还包括存储介质、显示屏、通道控制模块和电磁阀，所述的多通道分选控制模块可以进行插拔，根据需要来增加或拔除。
3.根据权利要求2所述的活体单细胞分选电子控制系统，其特征是：所述的活体单细胞分选电子控制软件可以自动判断插入多通道分选控制模块数量，根据分选控制模块数量调整显示屏界面及相关参数设置，然后根据需要设置多通道分选控制模块开关、延时和电源电压大小，并实时与分选模块通信，获取分选模块提供的分选信号，根据信号来控制相应通道的细胞流向。
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