流動室堵塞是流式細胞儀使用中常見的問題,可造成檢測誤差或檢測失敗。本文根據流動聚焦原理,分析了流動室堵塞時的壓力變化情況,據此提出了通過檢測樣本流壓力升高判斷流動室堵塞,并利用液體反沖疏通被堵塞流動室的方法,設計并搭建了實驗系統。實驗表明,該方法可以有效解決流動室堵塞問題。
引用本文: 王海軍, 郭陽寬, 祝連慶, 孟曉辰. 流式細胞儀液流自潔系統設計. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(3): 570-574. doi: 10.7507/1001-5515.20160095 復制
引言
流式細胞儀是基于流式細胞術原理對單細胞或微顆粒進行定量分析的儀器,具有檢測速度快、準確性好、精度高等優點[1-3]。流式細胞儀主要由液流系統、光學系統、信號收集與轉換系統、分析系統等組成[4]。其中液流系統的作用是將含有待測細胞或微顆粒的樣本液與不含細胞或微顆粒的緩沖液即鞘液按照一定的壓力比注入到流動室中,利用液流聚焦原理使樣本液中的細胞或微顆粒依次通過流動室檢測區域。 由于樣本液中可能有血液和熒光試劑的反應物,也可能有采血過程中帶入的棉簽絲、皮膚組織及細胞碎片等雜物,容易導致系統流動不暢甚至堵塞,以致于兩種溶液不能進行聚焦作用,無法獲得穩定的樣本液層流,進一步導致散射光及熒光檢測信號都會出現失真,從而產生錯誤的臨床診斷信息,可能出現誤診等醫療事故[5]。
流式細胞液流系統堵塞是目前亟待解決的問題,通用做法是在鞘液回路中增加過濾器和壓力開關進行報警,一旦發生堵塞,需要停機、拆機、人工使用注射器回吸等方式進行排堵[6]。這種方法存在成本高、效率低以及可能會產生二次污染等問題。 本文研究了堵塞問題并提出了解決方案。在流式細胞儀原有的液流系統的基礎上設計了自潔系統液路,通過對管路內的壓力進行實時監測,可判斷堵塞問題并及時報警、自動清洗液路以保證儀器的正常工作,提高了液流系統的可靠性。
1 流式細胞儀堵塞的原理分析
流式細胞儀原理如圖 1所示。利用穩定的液流系統將鞘液和樣本液按照一定的壓力比壓入流動室中,形成穩定的單細胞層流,在檢測區域,用激光垂直照射單細胞層流激發產生熒光信號和散射光信號[7-9]。分別會被90°方向的光電倍增管(photomultiplier,PMT)和激光前方的光電二極管接收,并將光學信號轉換為電信號,對電信號進行處理轉換成數字信號傳輸到計算機進行數據分析和存儲。

其中液流系統包括流動室、泵組、電磁閥、調壓閥、壓力傳感器、過濾器等。由于整個液流系統管路的直徑以及流動室鞘液入口直徑均在1.5~2.5 mm之間,而為了實現“聚焦”形成穩定的單細胞層流,流動室檢測區通徑設計得很小,一般在0.1~0.4 mm[10]。 液流中的雜物在聚焦過程中由于流動室縮徑會引起“渦流”現象,從而在窄小的噴嘴出口處形成堵塞。
2 液流自潔系統設計
2.1 流動室堵塞的壓力檢測原理
流動室由樣本液入口、鞘液入口和噴嘴等組成,通常用石英、光學玻璃、特殊金屬等穩定的材料制作而成。流動室液流聚焦原理如圖 2所示。

流動室內的樣本管和鞘液管呈共軸圓柱環式布局結構[10],對樣本液由質量守恒定律可得:
${{V}_{2}}{{D}_{2}}={{V}_{c}}d\] |
式中:V2為樣本液平均流速,Vc為聚焦后樣本液平均流速,D2為樣本管內直徑,d為樣本液聚焦穩定后的直徑。
根據質量守恒定律可知聚焦后混合流體的平均流速:
$V=\frac{{{\rho }_{1}}{{V}_{1}}\left( {{D}_{1}}-{{D}_{2}} \right)+{{\rho }_{2}}{{V}_{2}}{{D}_{2}}}{\rho {{D}_{3}}}\] |
式中:ρ1、ρ2分別為鞘液和樣本液密度,ρ為聚焦后流體的平均密度,D1為鞘液管內徑,V1為鞘液平均流速。
由于聚焦后的樣本液與管路同軸且直徑遠小于管路直徑,可認為聚焦后樣本液平均流速與管路軸中心流速相等,根據拋物面性質[11],可得:
${{V}_{c}}=1.5V\] |
由式(1)、(2)、(3) 可得樣本液聚焦后直徑為:
$d=\frac{{{D}_{2}}\times \rho {{D}_{3}}}{1.5\left| {{\rho }_{1}}\frac{{{V}_{1}}}{{{V}_{2}}}\left( {{D}_{1}}-{{D}_{2}} \right)+{{\rho }_{2}}{{D}_{2}} \right|}\] |
由液體流動的Bernoulli方程可知,流體中的任一點流速V和該點的壓力(實指壓強,下同)P、該點相對于參考點高度差H之間的關系為:
$\frac{P}{\rho g}+H+\frac{{{v}^{2}}}{2g}=C\left( C為常數 \right)\] |
樣本液聚焦后直徑太小或太大將不能形成穩定的單細胞層流[12]。由式(4) 、(5) 可知,在不考慮高度變化情況的條件下,保持恒定的壓力能夠得到恒定的鞘液和樣本液流速比,聚焦后的直徑d也就保持恒定,可以得到穩定的單細胞層流。但是,當流動室中液流流動不暢或堵塞時,樣本液的速度V2會發生變化,對應的壓力P也隨之變化,流速比發生改變,單細胞層流將變得不穩定。因此可以通過實時監測液路中的壓力值來判斷單細胞層流的穩定性。
2.2 流動室阻塞判定方法
流動室內部狹小通道的堵塞會造成液流系統壓力變化,通過分析流動室內部壓力變化程度可實現對其內部流動不暢及堵塞的判定。流動室阻塞判定及反沖原理如圖 3所示,壓力傳感器對流動室內壓力進行監測,并將壓力數據轉換成電壓信號;信號調理模塊對電壓信號進行濾波、幅值調理等操作;調理后的電壓信號經ADC等處理后送至主控模塊;主控模塊根據壓力值范圍判斷流動室是否發生阻塞,并控制相應的液流系統進行排堵。

大量實驗結果表明,流動室正常工作時壓力傳感器輸出電壓值為1~1.5 V,完全阻塞時為2.6 V;當流動室通道阻塞達到直徑的20%時,層流穩定性受到影響,其對應的壓力值為2.2 V。基于以上分析,本文將判定流動室發生堵塞的閾值設定為2.2 V。 即,當壓力傳感器輸出電壓值超過2.2 V時,則認為流動室內部通道堵塞超過噴嘴出口直徑的20%,需要執行反沖操作進行排堵。
2.3 反沖
反沖排堵是通過控制排堵液路的壓力,利用正壓對流動室進行反向沖洗。如圖 3所示,當主控模塊根據傳感器輸出結果判定流動室發生堵塞時,通過控制排堵液路和清洗液路的沖洗時間對流動室進行間歇反沖疏通,并將廢液通過流動室側面的管路排出,防止二次阻塞。利用反向流對流動室進行反沖的過程中,傳感器對流動室內壓力進行實時監控,從而避免在反沖過程中由于反向流流速過大對流動室造成損害。
2.4 技術實現
液流系統中壓力傳感器、電磁閥等器件較多,為了減少液路的復雜性,利用液流系統的動力源,對流動室的液流自潔系統進行設計,原理圖如圖 4所示。

1:正壓泵;2:電氣比例閥;3:二位二通電磁閥;4:壓力傳感器;5:過濾器;6:二位三通電磁閥;7:流動室;8:緩沖裝置;9:試管;10:試管提升裝置
Figure4. Flow cytometry fluid self-cleaning system1: positive pressure pump; 2: electrical proportional valve; 3: two two-way solenoid valve; 4: pressure sensor; 5: filter; 6: two three-way solenoid; 7: flow cell; 8: buffer device; 9: tube; 10: tubes lifting device
電氣比例閥RG1~RG4作為調壓閥,為清洗液、鞘液、樣本液和排堵調節合適正壓力,壓力傳感器U1~U4分別監測四條支路的壓力值,U5檢測流動室壓力。
(1) 正常工作液流回路:電磁閥1YA、2YA、3YA通電后變成通路狀態,壓力分別進入清洗液桶、鞘液桶和樣本液試管中,電磁閥6YA和8YA均通電動作,此時鞘液和樣本液按照一定的流速比在流動中聚焦后由電磁閥8YA流入到廢液桶中構成整個工作回路。當樣本檢測完成后3YA斷電變成常閉狀態,同時5YA由通電動作對流動室及其管路進行清洗,構成了清洗回路。
(2) 液流自潔回路:電氣比例閥RG4、電磁閥4YA、7YA、9YA構成液流自潔系統回路,壓力傳感器U3、U5實時監測樣本液和流動室的壓力,當流動室堵塞時可立即啟動排堵回路,利用正壓反向沖洗流動室。其工作流程圖如圖 5所示。

3 液流自潔系統搭建及數據分析
3.1 液流自潔系統搭建
設計并搭建流式細胞儀液流自潔系統如圖 6所示。采用直徑0.3 mm標準塑料微球模擬流動室堵塞現象。

3.2 數據分析
流動室主要結構參數D1=4.5 mm,D2=0.25 mm,D3=0.28 mm。由式(4) 可知V1/V2=4時d=0.025 mm,V1/V2=2時 d=0.045 mm。當d>0.045 mm時層流寬度已不能滿足測量要求,其對應的壓力傳感器輸出電壓值設置為閾值。在正常工作時,壓力傳感器U5實時檢測管路中的壓力,壓力對應的電壓值如圖 7(a)所示。當發生流動室堵塞時,壓力傳感器檢測管路的壓力會發生變化,壓力對應的電壓值如圖 7(b)所示。

(a)正常工作時壓力傳感器輸出;(b)發生堵塞壓力傳感器輸出
Figure7. Pressure sensor output of flow cell working(a) normal operating pressure sensor output; (b) clogging operating pressure sensor output
如圖 7所示,流動室處于正常的工作狀態時傳感器U5輸出電壓為1 V左右,當壓力傳感器檢測的電壓值上升到2.6 V左右時,流動室處于完全堵塞狀態。當壓力傳感器檢測到的電壓值高于閾值(2.2 V)時,系統會自動啟動反沖程序。反沖時序過程如圖 8所示。

(1) 正常數據采集時電磁閥1YA、2YA、3YA、6YA、8YA上電動作;
(2) 堵塞時0~1 s,電磁閥3YA和6YA立即關閉,同時5YA、9YA、10YA動作,利用清洗液清洗流動室和加樣針。
(3) 1~5 s關閉電磁閥5YA,打開電磁閥4YA,在正壓力的作用下從流動室廢液出口對其進行氣體反沖排堵;
(4) 5~15 s與步驟(2) 的功能一樣,關閉電磁閥4YA,電磁閥5YA動作清洗液流入流動室的鞘液管中并通過電磁閥7YA流入廢液桶,清洗鞘液管;
(5) 15~20 s間歇清洗流動室和用正壓對其進行排堵,清洗時利用電磁閥8YA將清洗液排出;
(6) 最后打開電磁閥6YA,將鞘液壓入流動室進行沖洗,并讓其充滿鞘液。
通過上面的排堵時序,壓力傳感器檢測的壓力會回到初始正常的壓力值,如圖 9所示,壓力傳感器輸出電壓從2.6 V下降回到正常工作時的電壓1 V左右。

將該系統用于所研制的流式細胞儀表明,系統能保證正常工作,沒有再發生液流不暢甚至堵塞現象。
4 結論
本文對流式細胞儀核心部件流動室的液流聚焦原理進行了分析,確定了根據流動室液流壓力判斷流動室是否發生堵塞的思路,并設計了液流自潔系統,采用壓力傳感器對管路中的壓力進行實時檢測。實驗表明:設計的液流系統能及時檢測出堵塞發生并對其成功排堵,使樣本液在流動室形成穩定的樣本液單細胞層流,避免散射光及熒光檢測信號失真所導致的誤診等醫療事故。
引言
流式細胞儀是基于流式細胞術原理對單細胞或微顆粒進行定量分析的儀器,具有檢測速度快、準確性好、精度高等優點[1-3]。流式細胞儀主要由液流系統、光學系統、信號收集與轉換系統、分析系統等組成[4]。其中液流系統的作用是將含有待測細胞或微顆粒的樣本液與不含細胞或微顆粒的緩沖液即鞘液按照一定的壓力比注入到流動室中,利用液流聚焦原理使樣本液中的細胞或微顆粒依次通過流動室檢測區域。 由于樣本液中可能有血液和熒光試劑的反應物,也可能有采血過程中帶入的棉簽絲、皮膚組織及細胞碎片等雜物,容易導致系統流動不暢甚至堵塞,以致于兩種溶液不能進行聚焦作用,無法獲得穩定的樣本液層流,進一步導致散射光及熒光檢測信號都會出現失真,從而產生錯誤的臨床診斷信息,可能出現誤診等醫療事故[5]。
流式細胞液流系統堵塞是目前亟待解決的問題,通用做法是在鞘液回路中增加過濾器和壓力開關進行報警,一旦發生堵塞,需要停機、拆機、人工使用注射器回吸等方式進行排堵[6]。這種方法存在成本高、效率低以及可能會產生二次污染等問題。 本文研究了堵塞問題并提出了解決方案。在流式細胞儀原有的液流系統的基礎上設計了自潔系統液路,通過對管路內的壓力進行實時監測,可判斷堵塞問題并及時報警、自動清洗液路以保證儀器的正常工作,提高了液流系統的可靠性。
1 流式細胞儀堵塞的原理分析
流式細胞儀原理如圖 1所示。利用穩定的液流系統將鞘液和樣本液按照一定的壓力比壓入流動室中,形成穩定的單細胞層流,在檢測區域,用激光垂直照射單細胞層流激發產生熒光信號和散射光信號[7-9]。分別會被90°方向的光電倍增管(photomultiplier,PMT)和激光前方的光電二極管接收,并將光學信號轉換為電信號,對電信號進行處理轉換成數字信號傳輸到計算機進行數據分析和存儲。

其中液流系統包括流動室、泵組、電磁閥、調壓閥、壓力傳感器、過濾器等。由于整個液流系統管路的直徑以及流動室鞘液入口直徑均在1.5~2.5 mm之間,而為了實現“聚焦”形成穩定的單細胞層流,流動室檢測區通徑設計得很小,一般在0.1~0.4 mm[10]。 液流中的雜物在聚焦過程中由于流動室縮徑會引起“渦流”現象,從而在窄小的噴嘴出口處形成堵塞。
2 液流自潔系統設計
2.1 流動室堵塞的壓力檢測原理
流動室由樣本液入口、鞘液入口和噴嘴等組成,通常用石英、光學玻璃、特殊金屬等穩定的材料制作而成。流動室液流聚焦原理如圖 2所示。

流動室內的樣本管和鞘液管呈共軸圓柱環式布局結構[10],對樣本液由質量守恒定律可得:
${{V}_{2}}{{D}_{2}}={{V}_{c}}d\] |
式中:V2為樣本液平均流速,Vc為聚焦后樣本液平均流速,D2為樣本管內直徑,d為樣本液聚焦穩定后的直徑。
根據質量守恒定律可知聚焦后混合流體的平均流速:
$V=\frac{{{\rho }_{1}}{{V}_{1}}\left( {{D}_{1}}-{{D}_{2}} \right)+{{\rho }_{2}}{{V}_{2}}{{D}_{2}}}{\rho {{D}_{3}}}\] |
式中:ρ1、ρ2分別為鞘液和樣本液密度,ρ為聚焦后流體的平均密度,D1為鞘液管內徑,V1為鞘液平均流速。
由于聚焦后的樣本液與管路同軸且直徑遠小于管路直徑,可認為聚焦后樣本液平均流速與管路軸中心流速相等,根據拋物面性質[11],可得:
${{V}_{c}}=1.5V\] |
由式(1)、(2)、(3) 可得樣本液聚焦后直徑為:
$d=\frac{{{D}_{2}}\times \rho {{D}_{3}}}{1.5\left| {{\rho }_{1}}\frac{{{V}_{1}}}{{{V}_{2}}}\left( {{D}_{1}}-{{D}_{2}} \right)+{{\rho }_{2}}{{D}_{2}} \right|}\] |
由液體流動的Bernoulli方程可知,流體中的任一點流速V和該點的壓力(實指壓強,下同)P、該點相對于參考點高度差H之間的關系為:
$\frac{P}{\rho g}+H+\frac{{{v}^{2}}}{2g}=C\left( C為常數 \right)\] |
樣本液聚焦后直徑太小或太大將不能形成穩定的單細胞層流[12]。由式(4) 、(5) 可知,在不考慮高度變化情況的條件下,保持恒定的壓力能夠得到恒定的鞘液和樣本液流速比,聚焦后的直徑d也就保持恒定,可以得到穩定的單細胞層流。但是,當流動室中液流流動不暢或堵塞時,樣本液的速度V2會發生變化,對應的壓力P也隨之變化,流速比發生改變,單細胞層流將變得不穩定。因此可以通過實時監測液路中的壓力值來判斷單細胞層流的穩定性。
2.2 流動室阻塞判定方法
流動室內部狹小通道的堵塞會造成液流系統壓力變化,通過分析流動室內部壓力變化程度可實現對其內部流動不暢及堵塞的判定。流動室阻塞判定及反沖原理如圖 3所示,壓力傳感器對流動室內壓力進行監測,并將壓力數據轉換成電壓信號;信號調理模塊對電壓信號進行濾波、幅值調理等操作;調理后的電壓信號經ADC等處理后送至主控模塊;主控模塊根據壓力值范圍判斷流動室是否發生阻塞,并控制相應的液流系統進行排堵。

大量實驗結果表明,流動室正常工作時壓力傳感器輸出電壓值為1~1.5 V,完全阻塞時為2.6 V;當流動室通道阻塞達到直徑的20%時,層流穩定性受到影響,其對應的壓力值為2.2 V。基于以上分析,本文將判定流動室發生堵塞的閾值設定為2.2 V。 即,當壓力傳感器輸出電壓值超過2.2 V時,則認為流動室內部通道堵塞超過噴嘴出口直徑的20%,需要執行反沖操作進行排堵。
2.3 反沖
反沖排堵是通過控制排堵液路的壓力,利用正壓對流動室進行反向沖洗。如圖 3所示,當主控模塊根據傳感器輸出結果判定流動室發生堵塞時,通過控制排堵液路和清洗液路的沖洗時間對流動室進行間歇反沖疏通,并將廢液通過流動室側面的管路排出,防止二次阻塞。利用反向流對流動室進行反沖的過程中,傳感器對流動室內壓力進行實時監控,從而避免在反沖過程中由于反向流流速過大對流動室造成損害。
2.4 技術實現
液流系統中壓力傳感器、電磁閥等器件較多,為了減少液路的復雜性,利用液流系統的動力源,對流動室的液流自潔系統進行設計,原理圖如圖 4所示。

1:正壓泵;2:電氣比例閥;3:二位二通電磁閥;4:壓力傳感器;5:過濾器;6:二位三通電磁閥;7:流動室;8:緩沖裝置;9:試管;10:試管提升裝置
Figure4. Flow cytometry fluid self-cleaning system1: positive pressure pump; 2: electrical proportional valve; 3: two two-way solenoid valve; 4: pressure sensor; 5: filter; 6: two three-way solenoid; 7: flow cell; 8: buffer device; 9: tube; 10: tubes lifting device
電氣比例閥RG1~RG4作為調壓閥,為清洗液、鞘液、樣本液和排堵調節合適正壓力,壓力傳感器U1~U4分別監測四條支路的壓力值,U5檢測流動室壓力。
(1) 正常工作液流回路:電磁閥1YA、2YA、3YA通電后變成通路狀態,壓力分別進入清洗液桶、鞘液桶和樣本液試管中,電磁閥6YA和8YA均通電動作,此時鞘液和樣本液按照一定的流速比在流動中聚焦后由電磁閥8YA流入到廢液桶中構成整個工作回路。當樣本檢測完成后3YA斷電變成常閉狀態,同時5YA由通電動作對流動室及其管路進行清洗,構成了清洗回路。
(2) 液流自潔回路:電氣比例閥RG4、電磁閥4YA、7YA、9YA構成液流自潔系統回路,壓力傳感器U3、U5實時監測樣本液和流動室的壓力,當流動室堵塞時可立即啟動排堵回路,利用正壓反向沖洗流動室。其工作流程圖如圖 5所示。

3 液流自潔系統搭建及數據分析
3.1 液流自潔系統搭建
設計并搭建流式細胞儀液流自潔系統如圖 6所示。采用直徑0.3 mm標準塑料微球模擬流動室堵塞現象。

3.2 數據分析
流動室主要結構參數D1=4.5 mm,D2=0.25 mm,D3=0.28 mm。由式(4) 可知V1/V2=4時d=0.025 mm,V1/V2=2時 d=0.045 mm。當d>0.045 mm時層流寬度已不能滿足測量要求,其對應的壓力傳感器輸出電壓值設置為閾值。在正常工作時,壓力傳感器U5實時檢測管路中的壓力,壓力對應的電壓值如圖 7(a)所示。當發生流動室堵塞時,壓力傳感器檢測管路的壓力會發生變化,壓力對應的電壓值如圖 7(b)所示。

(a)正常工作時壓力傳感器輸出;(b)發生堵塞壓力傳感器輸出
Figure7. Pressure sensor output of flow cell working(a) normal operating pressure sensor output; (b) clogging operating pressure sensor output
如圖 7所示,流動室處于正常的工作狀態時傳感器U5輸出電壓為1 V左右,當壓力傳感器檢測的電壓值上升到2.6 V左右時,流動室處于完全堵塞狀態。當壓力傳感器檢測到的電壓值高于閾值(2.2 V)時,系統會自動啟動反沖程序。反沖時序過程如圖 8所示。

(1) 正常數據采集時電磁閥1YA、2YA、3YA、6YA、8YA上電動作;
(2) 堵塞時0~1 s,電磁閥3YA和6YA立即關閉,同時5YA、9YA、10YA動作,利用清洗液清洗流動室和加樣針。
(3) 1~5 s關閉電磁閥5YA,打開電磁閥4YA,在正壓力的作用下從流動室廢液出口對其進行氣體反沖排堵;
(4) 5~15 s與步驟(2) 的功能一樣,關閉電磁閥4YA,電磁閥5YA動作清洗液流入流動室的鞘液管中并通過電磁閥7YA流入廢液桶,清洗鞘液管;
(5) 15~20 s間歇清洗流動室和用正壓對其進行排堵,清洗時利用電磁閥8YA將清洗液排出;
(6) 最后打開電磁閥6YA,將鞘液壓入流動室進行沖洗,并讓其充滿鞘液。
通過上面的排堵時序,壓力傳感器檢測的壓力會回到初始正常的壓力值,如圖 9所示,壓力傳感器輸出電壓從2.6 V下降回到正常工作時的電壓1 V左右。

將該系統用于所研制的流式細胞儀表明,系統能保證正常工作,沒有再發生液流不暢甚至堵塞現象。
4 結論
本文對流式細胞儀核心部件流動室的液流聚焦原理進行了分析,確定了根據流動室液流壓力判斷流動室是否發生堵塞的思路,并設計了液流自潔系統,采用壓力傳感器對管路中的壓力進行實時檢測。實驗表明:設計的液流系統能及時檢測出堵塞發生并對其成功排堵,使樣本液在流動室形成穩定的樣本液單細胞層流,避免散射光及熒光檢測信號失真所導致的誤診等醫療事故。