[发明专利]基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离系统及方法

权利要求书

1.一种基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离系统，其特征在于，包括微流控芯片模块(1)，微流控芯片模块(1)顶部设置有显微摄像系统(2)，显微摄像系统(2)又与数据处理计算机(3)连接，微流控芯片模块(1)的输入端连接有两台注射泵(4)，微流控芯片模块(1)的输出端与数据采集系统(5)连接，数据采集系统(5)同时还连接至数据处理计算机(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离系统，其特征在于，所述微流控芯片模块(1)包括模块本体(6)，模块本体(6)内部为微流道，微流道外部依次设置有Ⅰ截面、Ⅱ截面、Ⅲ截面、Ⅳ截面、Ⅴ截面5个截面，5个截面与细胞流动方向水平垂直，其中，Ⅰ截面、Ⅲ截面、Ⅴ截面为测量截面，Ⅱ截面、Ⅳ截面为操控界面，每个截面上均设有多层电极阵列传感器(7)。

3.基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离方法，其特征在于，利用基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离系统，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将存活的酵母菌细胞、死亡的酵母菌细胞和培养液分别稀释为不同体积分率的悬浮液样本，然后通过精密注射泵以一定大小的流量注入微流道；

步骤2、利用多层电极阵列传感器在沿流动方向的5个截面上对球状酵母菌细胞的体积分率及其分布进行实时测量；将测量结果导入数据处理计算机中进行图像重构，为获取截面不同位置处的粒子分布图像，需结合高速数据处理技术完成存活酵母菌细胞的快速识别及位置标定，并利用三维小波多重解像度分析实现图像重构；

步骤3、为确定在截面II处施加电场的强度和频率，需建立多层电极阵列交变电场频率及强度的数学模型；为此，采用基于离散速度的3维19速的D3Q19模型求解格子玻尔兹曼方程，量化操控目标粒子所需的介电电泳力与粒子位置、局部粒子浓度的数学关系；格子玻尔兹曼方法将流体抽象为大量微观粒子的集合体，粒子在离散的格子上按一定的规则进行迁移和碰撞，通过建立多层电极阵列交变电场频率及强度的数学模型，就可控制施加在电极上的电场强度，对酵母菌细胞进行精确地操控，从而实现细胞的测量和分离。

4.根据权利要求3所述的基于惯性迁移与介电电泳的复合式细胞分离方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

迁移和碰撞规则由玻尔兹曼动力学方程的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为速度为ξ的粒子在时空(x,t)上的分布函数，a为流体粒子的加速度，τc为流体粒子松弛时间，feq为麦克斯韦局部平均分布函数，定义为：

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为空间维度，R为气体常数，T为局部温度，流体的宏观密度u和速度ξ可由分布函数统计获得；

通过步骤2所得的细胞重构图像，即可得到细胞在时空(x,t)上的分布函数f，细胞的松弛时间τc根据经验值进行设置，

将方程(a)在速度空间离散，得到分布函数的演化方程：

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 ) ]]>

即为基于单步松弛时间的格子玻尔兹曼方程，其中fi(x,t)为在i方向的流体粒子分布函数；τ为无量纲松弛时间，τ＝τc/δt；

式(c)中的平衡分布函数feq由(b)式的离散形式给出：

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表示权重系数，c为格子速度c≡δx/δt，cs为格子声速；在3维19速模型D3Q19中，离散速度ei表示为：

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)中的作用力项Fi与流体所受外力F满足如下关系：

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

为确定作用力项Fi，需知道流体所受的外力F，即悬浮液流动过程中的重力和管道压力，其中压力可根据悬浮液的流速换算得到；

在以上各式中，流体密度和速度通过下式求出：

ρ = Σ i f i - - - ( g ) ]]>

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

流体的运动粘度v与无量纲松弛时间相关,

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

粒子的迁移行为可用牛顿力学方程描述，粒子的平动力学方程为：

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

式中，xp和mp分别表示粒子的位置和质量，为粒子受到的流体粘滞力，表示外部场力；

粒子的转动力学方程为：

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

式中，为粒子受到的流体粘滞力矩，表示外部场力矩；

粒子所受的流体粘滞力和粘滞力矩，采用基于LBM反弹格式的运动边界法计算，首先将流固界面视为无滑移边界，考虑粒子平动和转动对流固界面处流速的影响，流固界面处的流速可表示为：

ub＝up+ωp×rp (l)

式中，ub为粒子平动速度，rp为边界与其质心的距离，可通过下式计算：

rb＝xb-xc (m)

其中，xb为流固边界位置，xc为粒子质心位置，在流体与粒子发生碰撞过程中，两者发生动量交换，由动量守恒可得碰撞后的流体分布函数：

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，根据动量定理，在界面格子作用于固相粒子上的力可表示为：

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 ) ]]>

通过对流固界面格子的受力和力矩求和，可得粒子受到的总作用力和力矩：

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)为与格子状态相关的二值指示函数，当xb处格子为流体时其值为0，反之为1。