基于Comsol Multiphysics的微溝道式細胞分選儀研究

鄭陳+張仁杰

摘 要：細胞分選儀可以分析患者的病情，準確而快速的分析能夠使患者得到及時治療。目前常用的細胞分選儀以流式細胞分選儀為主。隨著醫學界對細胞篩選、分離等能力要求的不斷提高，其對細胞分選儀的精確度和運行速度提出了較高要求，并向小型化、集成化方向發展。因此，微溝道式細胞分選儀的理論研究備受矚目。微溝道式細胞分選儀在提取細胞的基礎上，把細胞按照需要篩選到不同試管內，以方便進一步分析與鑒定；通過Comsol Multiphysics軟件的仿真環境，對微溝道式細胞分選儀的分選過程作必要的理論分析，并對細胞分選過程作模擬和定性分析。

關鍵詞：細胞分選；細胞篩選；小型化；微溝道；Comsol Multiphysics

DOIDOI：10.11907/rjdk.172236

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0128-03

0 引言

目前細胞分選儀主要向小型化、集成化、模塊化發展，具體來說就是性能變得更加可靠，機身小巧，方便運輸。尤其在機器運行操作方面有了很大改進，主要向簡化操作、易于控制等方面發展。即使是初學者，也可以在很短時間內掌握操作方法，從而大大提高可操作性，為醫院節約成本作出了巨大的貢獻。在系統信息采集方面，由于傳感器等電子行業的快速發展，系統采集信息的能力大幅提高，同時整體的靈敏度和分辨率提升[1]。機器從裝配、控制、信息采集、獲取到分析的過程都可以輕松掌控。

總的來說，細胞分選儀主要包含3個模塊：流體控制、光學檢測和分選模塊。作為用于臨床診斷和生物醫學研究的重要設備，流式細胞儀在醫學界不可或缺。在血液細胞計數、熒光蛋白的篩選等領域有著重要的應用。從本質上說，當細胞流過毛細管時，細胞被控制一個接一個通過導管，此時流式細胞儀通過對細胞散射和發出的熒光識別不同標記的細胞，經常選擇模塊進入不同試管中（見圖1）。

具體來說，流體控制系統就是當懸浮液細胞進入導管單元時，細胞以近似勻速的速度一個接著一個流過流動室。流動室是流體控制系統的核心部分，是由樣品管、鞘液管和噴孔等3個部分組成，流動室通常是由光學玻璃或石英等透明且穩定的材料精密制成[2]。而樣品管的主要作用是存儲細胞樣品，細胞懸液在流室內的壓力作用下進入樣品管，經鞘液管向噴孔流去。因為要控制流體的流動速度，以方便準確測量，所以在通常情況下，懸浮液流速需要控制在適當的范圍內。經過多年努力，人們已經能夠快速、 準確處理細胞樣本，而規模、復雜性和成本也在優化與減少，使得流式細胞儀變得越來越成熟。

由于技術的不夠成熟，目前細胞分選儀設備比較大，因此，隨著科技的進步，科學家們把目光投向了微電子行業，進一步實現元器件集成化、小型化。從而使流式細胞儀在分析速度上可以達到每秒檢測5 000～10 000個細胞，且能區分僅有5%差別的細胞。多參數的檢測與可調，從而使得流式細胞分選技術能應用到更多的臨床實踐中。而微溝道式細胞分選儀的另一個重要組成部分即為光學檢測系統，光學檢測系統是由一個或多個激光器的不同波長探測器、高靈敏度的光電倍增管（PMT）與非常復雜昂貴的光學器件等組成，這些光學器件精度非常高。大多數情況下，光學檢測系統通過對細胞的光散射和熒光檢測收集信號，經信號處理確定細胞的位置。光學檢測系統可以同時多渠道收集細胞，允許多種顏色測定，為用戶提供了更具選擇性的檢測能力[3]。

1 Comsol Multiphysics簡介

Comsol Multiphyscis主要用于模擬多個物理場的疊加模擬效果。它提供了諸多完善的物理場，是一款大型的高級數值仿真軟件，被應用于各學科的研究及工程計算中，模擬科學、工程領域的各個物理過程。

Comsol Multiphysics最初起源于MATLAB的一個工具箱（Toolbox），后改名為Femlab1.0，這個名稱一直延續到Femlab3.1版。從3.2版本開始，正式更名為Comsol Multiphysics，一直更新到目前常用的4.4版本。本文所用的版本正是4.4版。Comsol Multiphysics軟件可以仿真零維，一維、一維軸對稱，二維、二維軸對稱，三維。Comsol Multiphysics軟件發展至今，已經具備了許多常用的專業模塊：AC/DC模塊（AC/DC Module）、熱傳模塊（Heat Transfer Module）、化學反應工程模塊（Chemical Reaction Engineering Module）、結構力學模塊（Structural Mechanics Module）、微流模塊（Microfluidics Module）、多孔介質流模塊（Subsurface Flow Module）、聲學模塊（Acoustics Module）、管道流模塊（Pipe Flow Module）、材料庫（Material Library）等。

2 模型創建

在建立之前要在腦海中大致有個輪廓，由于微溝道式細胞分選儀在理論上應該是2～3個分選通道、一個主通道，稱為inlet1，用來釋放需要篩選的細胞[4]；在主通道的旁邊有一個與之垂直的分通道，此通道是可控的壓力通道，稱為inlet2。Inlet2通道的主要作用是用來改變下落細胞的軌跡，從而使得細胞按照預設想進入需要收集的試管中，因此，在主通道的下方有3個分通道，從左往右分別為outlet1、outlet2、outlet3。具體操作：繪圖區域Graphics，所要繪制圖形是一個倒樹狀圖，要預設好各個通道的相關參數，將主通道（inlet1）的高度設置為200um，寬度為100um；副通道（inlet2）寬度為80um，高度為40um；3個出口（outlet）的寬度都為30.216 95um，左右兩邊通道分別傾斜3/4π、π/3。經繪制可以得到圖2。endprint

Practical Tracing是Comsol Multiphysics的粒子示蹤功能，它可以用來模擬細胞在主通道內的運動情況，并可以根據制作者的要求顯示出不同效果。圖3是在主通道速度（inlet1）設為0.000 001m3/s、副通道（inlet2）速度為零時粒子的軌跡。

當在副通道加上速度或者壓力時（inlet2），粒子的軌道將與所給速度或壓力的方向有關，當給inlet2一個很小的速度時，可以觀察到粒子在軌道變化。可以根據需要變化不同的物理量來研究粒子在軌道內的下落軌跡[5-7]，研究各物理量之間的關系。

3 模擬結果

在細胞分選時，人為控制細胞從何時開始進入哪個管中，需研究各個量對細胞運行軌跡的影響。首先，當主管道inlet1流速一定時，隨著inlet2壓力的改變，用流速代替研究粒子在管道中運動的情況。先給粒子一個固定且適當的起始位置以及初速度，得到粒子的運動軌跡如圖4。

以（0，0）點為起點，縱坐標設置為inlet2與inlet1的速度之比，橫坐標設為粒子相對于中心位置（23.5，0）的偏移量，得到數據如圖5所示。

X=33.3和X=66.7分別是粒子左和右管道的分界線。粒子落在左通道，隨著通道inlet2的速度不斷減小，粒子相對于中心位置的偏移量也在不斷減小，且當inlet2有一個很小的增量時，粒子偏移量就會有一個顯著的變化。粒子落在中心通道，當粒子位置在（33.3，50）之間時，粒子的位置隨著inlet2速度的改變，位移量有較小的變化；在X=50時，inlet2的速度向相反方向增大；當粒子處在（50，66.7）時，inlet2的速度有一個很小的變化，粒子位移量都會有顯著的變化。當粒子落在右邊的通道時，這種顯著變化依然存在。當inlet1的速度大小是inlet2反向速度大小的2倍時，粒子將打到inlet2管壁口。因此inlet2的反方向速度在選取時要精確控制，對于速度之比的分辨率要求非常高。

當粒子位置固定，inlet2與inlet1速度為定值時，改變通道inlet2到分叉口的距離如圖6所示。

對圖6進行數據采集，把采集到的數據用Excel繪制成橫坐標為inlet2到分叉口處的距離，縱坐標為粒子相對于橫坐標（23.5，0）偏移量的散點圖（見圖7）。

從圖7可以看出，隨著inlet2位置的改變，粒子位移量幾乎不變。可以取3個點來說明為什么粒子位移量變化很小，或者幾乎不變。首先，取inlet2管道位于最上側，當粒子從入口inlet1剛進入時，在現實應用中，粒子做的是自由落體運動，而inlet2所提供的速度數量級在1E-10，相對于自由落體獲得的速度要遠遠小得多，粒子會以極快速度通過inlet2的加速區域，因此粒子所獲得的橫向速度很小，可以說幾乎為零。因此粒子的偏移量很小。其次，當inlet2位于中間或者下側時，由于自由落體，使得粒子自身的速度成指數倍增長。因此，改變inlet2的位置獲得粒子位置的改變并不是最理想的方法；移動的inlet2不能保證與主通道之間的密閉性，對于像細胞分選儀這樣高精度的儀器來說是不允許的。而且在儀器制造時，生產工藝復雜，成本高。因此，不提倡以這樣的方法獲得粒子的偏移量。

將inlet1與inlet2速度之比、inlet2的位置都設為定值。改變粒子在中心位置到交叉處的距離，統計數據，以粒子到分叉口處的距離為橫坐標，以粒子相對于中心位置偏移量為縱坐標。由Excel繪制散點圖如圖8所示。

從圖8可以看出，當粒子遠離分叉口時，粒子的偏移量在不斷增加。當粒子遠離分叉口120um左右時，粒子的偏移量趨向一個定值[8-9]。

假定細胞在管道中不是以自由落體的形式下落，忽略了細胞或者粒子自身的因素，如粘著度、大小、形狀等。在給定粒子一定下落速度的前提下，分別對粒子的位置、副通道口inlet2的位置以及inlet1與inlet2兩個通道的速度之比等條件進行了考察。經過試驗分析可知，當細胞或者粒子位置一定時，側通道（inlet2）所給速度的大小將影響細胞或者粒子的分選方向。側通道（inlet2）所給速度越大，粒子或者細胞就會落入左下方通道，但與此同時，速度不能超過一定的值，否則細胞或者粒子將打到主通道壁上，以至于影響細胞或粒子的收集速度與數量[10]。

此外，要注意左右通道與中間通道的臨界點，對于左通道，因為粒子隨著側通道（inlet2）所給速度的增加，粒子的偏移量適中，即分辨率可調性更強，因此，操作時盡量讓粒子或細胞落在左通道的中間位置。對于中間通道門，可以讓粒子或細胞自由落下，不予以人工干預就可以達到收集目的。對于右邊的通道，靈敏度比較小，可調性比較低，很小的速度變化就會使得細胞或粒子有極大的偏移量。通過此次試驗，可以看到，在微溝道式細胞分選儀還不是很普及的今天，要想獲得精度較高的細胞分選儀，一方面要從細胞的預處理方面下工夫，另一方面要加強對儀器的小型化、集成化研究[11]。一門學科的發展離不開其它學科的支持，尤其是電子、材料、光學等方面的突破，都會為微溝道式細胞分選的進步與發展提供強有力的支持，因此，只有與其它學科相互推進，才能更好地發展。

參考文獻：

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[10] 林秉承，秦建華.微流控芯片實驗室[M].北京：科學出版社，2006.

[11] 林秉承，秦建華.圖解微流控芯片實驗室[M].北京：科學出版社，2008.endprint