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原文传递基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置与方法

专利名称：	基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置与方法
摘要：	本发明公开了基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置与方法，该测量方法包括根据各个细胞在超声驻波声场力开始时刻的Y方向初始位置，利用细胞的Y方向运动控制方程结合驻波声场场强参数计算出理想运动轨迹曲线，通过最小二乘法将细胞实际运动轨迹曲线与其理想运动轨迹曲线相拟合，再结合驻波声场场强参数计算出细胞的整体弹性模量；由于采用了微流道芯片，结合压电陶瓷在其微流通道中产生的超声驻波声场使细胞受非接触力运动，并通过测量细胞的运动轨迹，经换算获得细胞整体弹性模量，有效避免了接触式测量方法引起的局部变形量大和测量不准确的问题，也避免了对细胞造成接触损伤，有效保证了细胞的活力，且实现了连续测量，检测通量较高。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	广东;44
申请人：	中山大学
发明人：	付琪镔;刘洋
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-15T00:00:00+0800
申请号：	CN201910668918.6
公开号：	CN110333286A
代理机构：	广州市深研专利事务所
代理人：	姜若天
分类号：	G01N29/02(2006.01);G;G01;G01N;G01N29
申请人地址：	510275 广东省广州市海珠区新港西路135号
主权项：	1.一种基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于：其核心部分由微流道芯片和压电陶瓷组成；所述微流道芯片上设置有微流通道，所述压电陶瓷与微流道芯片的底面相接触，且该压电陶瓷位于所述微流通道的下方，用于在微流通道中产生超声驻波声场，使所述细胞随其所处溶液一同流动时受力汇集向驻波节点线附近运动；该测量装置还包括显微镜、摄像头和运动轨迹分析系统；所述摄像头用于通过显微镜记录观测视场内的实际细胞运动轨迹图像，并发送给运动轨迹分析系统进行处理；所述运动轨迹分析系统根据各个细胞在超声驻波声场力开始时刻的Y方向初始位置，利用细胞的Y方向运动控制方程结合驻波声场场强参数计算出理想运动轨迹曲线，并提取所述摄像头记录的细胞实际运动轨迹曲线；所述运动轨迹分析系统还用于通过最小二乘法将细胞理想运动轨迹曲线与细胞实际运动轨迹相拟合，并结合驻波声场场强参数计算出细胞的整体弹性模量。 2.根据权利要求1所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于，所述细胞的Y方向运动控制方程如下：（公式3）；其中，mcell代表细胞的质量，dt代表时间变量，dy代表细胞在dt时间段沿Y方向的位移变量，Rcell代表细胞的半径，n代表超声驻波的波数，Eac代表驻波声场强度，y代表t时刻细胞的Y方向位置，μ代表溶液(即介质)的动力粘度，φcell代表声波比例因子，且：（公式4）；其中，ρcell代表细胞的密度，ρbuffer代表溶液(即介质)的密度，kcell代表细胞的压缩系数，kbuffer代表溶液(即介质)的压缩系数。 3.根据权利要求1所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于：所述微流通道的进液端设置有进液口，并经由入口微流软管与注射器相连接，所述微流通道的出液端设置有出液口，并经由出口微流软管与液体收集试管相连接。 4.根据权利要求1所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于：所述微流通道呈直线型，且其横截面呈矩形或梯形。 5.根据权利要求1所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于：所述微流道芯片由流道基座和玻璃盖板组成，所述流道基座采用硅基、氧化硅或硬质合金制作成片状，并采用等离子刻蚀工艺，在该流道基座上表面制作出横截面呈矩形或梯形的沟槽作为微流通道；所述玻璃盖板采用耐热玻璃材料制作成片状，并通过热键合的方式与流道基座紧密键合。 6.根据权利要求1所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置，其特征在于：所述压电陶瓷采用在厚度方向Z施加电压并在厚度方向Z产生振动的压电陶瓷片，将该压电陶瓷上与厚度方向垂直的两平面作为电极面，均镀上金属银涂层作为驱动电极，且其中一个面用胶水粘合在微流道芯片的底面上；所述压电陶瓷与函数信号发生器电性连接，由函数信号发生器产生正弦变化的交变电压信号作为驱动信号，再经功率放大装置驱动压电陶瓷工作。 7.一种基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的方法，实施在权利要求1至6中任一项所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的装置上，其特征在于，该方法包括以下步骤： B、将含有多个细胞的溶液通过注射器注入微流通道，并通过调整注射器的注射量或注射速度，使得溶液在微流道芯片中以层流形式沿X方向匀速流动； C、当多个细胞进入显微镜和摄像头可观测的视场时，利用函数信号发生器给压电陶瓷施加1MHz的工作频率，在微流通道的1/2驻波节点线处产生超声驻波声场；各个细胞在超声驻波声场力的作用下，随着流体的流动向中线运动，并最终汇聚在1/2驻波节点线的位置运动； D、摄像头利用显微镜记录各个细胞在超声驻波声场的作用下从其初始位置移动到1/2驻波节点线处的实际运动轨迹图像，并发送给运动轨迹分析系统进行处理； E、所述运动轨迹分析系统根据各个细胞在超声驻波声场力开始时刻的Y方向初始位置，利用细胞的Y方向运动控制方程结合驻波声场场强参数计算并绘制出多个细胞的理想运动轨迹曲线； F、所述运动轨迹分析系统提取摄像头记录的多个细胞的实际运动轨迹曲线，通过最小二乘法将多个细胞的理想运动轨迹曲线与多个细胞的实际运动轨迹相拟合，并结合驻波声场场强参数计算出细胞的整体弹性模量。 8.根据权利要求7所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤E中，细胞的Y方向运动控制方程如下：（公式3）；其中，mcell代表细胞的质量，dt代表时间变量，dy代表细胞在dt时间段沿Y方向的位移变量，Rcell代表细胞的半径，n代表超声驻波的波数，Eac代表驻波声场强度，y代表t时刻细胞的Y方向位置，μ代表溶液的动力粘度，φcell代表声波比例因子，且：（公式4）；其中，ρcell代表细胞的密度，ρbuffer代表溶液的密度，kcell代表细胞的压缩系数，kbuffer代表溶液的压缩系数。 9.根据权利要求7所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的方法，其特征在于，在所述步骤B之前还包括步骤A、利用标准粒子对微流道芯片的驻波声场场强参数进行标定的步骤，该步骤A具体包括： A1、以聚苯乙烯微球作为标准粒子，将含有多个标准粒子的溶液通过注射器注入微流通道，并通过调整注射器的注射量或注射速度，使得溶液在微流道芯片中以层流形式沿X方向匀速流动； A2、当多个标准粒子进入显微镜和摄像头可观测的视场时，利用函数信号发生器给压电陶瓷施加1MHz的工作频率，在微流通道的1/2驻波节点线处产生超声驻波声场；各个标准粒子随着流体的流动向中线运动，并最终汇聚在1/2驻波节点线的位置运动； A3、摄像头利用显微镜记录各个标准粒子在超声驻波声场的作用下从其初始位置移动到1/2驻波节点线处的运动轨迹图像，并发送给运动轨迹分析系统进行处理； A4、所述运动轨迹分析系统提取摄像头记录的多个标准粒子的实际运动轨迹曲线，根据各个标准粒子在超声驻波声场力开始时刻的Y方向初始位置，利用标准粒子的Y方向运动控制方程结合标准粒子的压缩系数计算出该微流道芯片的驻波声场场强参数。 10.根据权利要求9所述的基于超声驻波声场测量细胞整体弹性模量的方法，其特征在于，所述步骤A4中，标准粒子的Y方向运动控制方程如下：（公式5）；其中，msp代表标准粒子的质量，dt代表时间变量，dy代表标准粒子在dt时间段沿Y方向的位移变量，Rsp代表标准粒子的半径，n代表超声驻波的波数，Eac代表驻波声场强度，y代表t时刻标准粒子的Y方向位置，μ代表溶液的动力粘度，φsp代表声波比例因子，且：（公式6）；其中，ρsp代表标准粒子的密度，ρbuffer代表溶液的密度，ksp代表标准粒子的压缩系数，kbuffer代表溶液的压缩系数。
所属类别：	发明专利