基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法

专利名称：基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111137092.4

专利申请（专利权）人：四川成电医联科技咨询有限公司
权利人地址：四川省成都市天府新区华阳街道华府大道一段1号2栋1单元13楼18号

专利发明（设计）人：郭劲宏,严家圣

专利摘要：本发明涉及流体芯片技术领域，尤其涉及了基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，包括微流控芯片，微流控芯片包括流体通道，流体通道的内部填充有电解质溶液，流体通道的底部等间距对称分布有七个电极，微流控芯片采用双差分结构。该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，集成了双差分结构电极，具有高通量、微样本、免标签、高灵敏度等特点，可以快速精准地对白细胞进行计数和分类，且尺寸小，集成度高，加工后的产品可以做到轻型化方便携带，操作简单耗时短无需专业技能或额外的医疗器械，即使是偏远的医疗条件匮乏的贫困地区也可实现日常诊断中的及时检测，排除人工计数的误差降低人员感染风险。

主权利要求：
1.基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，包括微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片包括流体通道，所述流体通道的内部填充有电解质溶液，所述流体通道的底部等间距依次分布有七个电极，依次为1号电极、2号电极、3号电极、4号电极、5号电极、6号电极和7号电极，所述微流控芯片采用双差分结构；
所述七个电极中，第1和第7号是信号输入电极，第2和第6号电极是浮动电极，第3和第5号电极是参考地电极，第4号电极即中心电极也是信号输入电极，第4号电极接与第1和第7号相位相反的交流信号；
该方法包括以下步骤：
S1：在中心电极上施加特定幅度和频率的交流电压，1号电极和7号电极施加相反相位的电压；
S2：将处理好的白细胞稀释液加入到样本储存器中，打开微泵产生负压将细胞溶液泵入通道，在压力和扩散运动的作用下，细胞在通道内沿着1号电极到7号电极的方向运动，当细胞运动通过不同电极时，会瞬间引起脉冲变化，产生电流信号；
S3：将两路差分输出后的脉冲电流信号送至IV转换器进行相消滤波，之后再经过差分放大来去除通道和IV转换器的内部噪声电流信号；
S4：对输出的脉冲信号以一定的采样速率进行采样并将数字化的信号传送到计算机进行进一步的信号处理，最终产生脉冲示意图；
S5：当细胞经过参考地电极与中心电极时，先产生一个反向的脉冲，这个反向峰幅度相比于先前的浮动电极峰幅度要大得多，因而可以在此区域依据脉冲幅度对细胞进行计数分类。 说明书 : 基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法技术领域[0001] 本发明涉及流体芯片技术领域，具体为基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法。背景技术[0002] 白细胞在人体血细胞中承担着重要的角色，它能够产生抗体抵御外界病毒的入侵，治愈人体机能的损伤，微流控芯片是一种尺度在几十到几百微米的通道中操控尺度为几微米甚至是纳米级别的目标物，使其规则有序运动的系统。[0003] 目前白细胞的计数分类方法主要有手工显微镜法、激光散射法以及电阻抗法，手工显微镜法是专业人员将一定量的血液进行溶血稀释，溶解掉血液中的红细胞，排出对白细胞的干扰，再将溶解后的液体滴入特制的细胞计数板的计数池内，在显微镜下对特定区域内的细胞进行人工计数，最后换算成每升血液中白细胞的含量；激光散射法是光线传播的原理实现细胞分类，不同物体被照射后光散射的特性不同，光线在均匀截止中是按照直线传播的，但是党当器通过非均匀介质时，例如细胞悬浮液体，一部分光会透过和吸收，剩余一部分光会偏离其原来的方向发生散射，被散射的光的角度和分布包含了细胞的大小、折射率、对称性等特征信息，因此可以利用激光散射来确定细胞大小形态实现分类计数。[0004] 然而手工显微镜方法需要训练有素的专业的计数人员来完成，对技术要求较高，因为需要人工完成，所以耗时较长且会有难以避免的人工计数的较大误差，同时人员长时间暴露，接触样本还存在病毒感染的风险，因此不适宜大规模推广，应用场景受限；激光探测器探测的是一定角度范围内累积散射光，对于宽带或双峰大小分布的细胞群来说，会出现产生同意累积散射光但是细胞形态大小、折射率等并不相同的情况，因此会产生计数误差而失去作为细胞分类的有用信息，同时，激光散射计数不可货缺的器件就是激光源和探测器，这会给产品带来成本增高、尺寸无法小型化、重量增加等无法避免的缺点。发明内容[0005] 本发明的目的在于提供基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，以解决上述背景技术中提出的问题。[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括流体通道，流体通道的内部填充有电解质溶液，所述流体通道的底部等间距依次分布有七个电极，依次为1号电极、2号电极、3号电极、4号电极、5号电极、6号电极和7号电极，所述微流控芯片采用双差分结构；[0007] 优选的，所述七个电极中，第1和第7号是信号输入电极，第2和第6号电极是浮动电极，第3和第5号电极是参考地电极，第4号电极即中心电极也是信号输入电极，第4号电极接与第1和第7号相位相反的交流信号。[0008] 该方法包括以下步骤：[0009] S1：在中心电极上施加特定幅度和频率的交流电压，1号电极和7号电极施加相反相位的电压；[0010] S2：将处理好的白细胞稀释液加入到样本储存器中，打开微泵产生负压将细胞溶液泵入通道，在压力和扩散运动的作用下，细胞在通道内沿着1号电极到7号电极的方向运动，当细胞运动通过不同电极时，会瞬间引起脉冲变化，产生电流信号；[0011] S3：将两路差分输出后的脉冲电流信号送至IV转换器进行相消滤波，之后再经过差分放大来去除通道和IV转换器的内部噪声电流信号；[0012] S4：对输出的脉冲信号以一定的采样速率进行采样并将数字化的信号传送到计算机进行进一步的信号处理，最终产生脉冲示意图；[0013] S5：当细胞经过参考地电极与中心电极时，先产生一个反向的脉冲，这个反向峰幅度相比于先前的浮动电极峰幅度要大得多，因而可以在此区域依据脉冲幅度对细胞进行计数分类。[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0015] 1.该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，集成了双差分结构电极，具有高通量、微样本、免标签、高灵敏度等特点，快速精准地对白细胞进行计数和分类。[0016] 2.该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，尺寸小，集成度高，加工后的产品可以做到轻型化方便携带，排除人工计数的误差降低人员感染风险。[0017] 3.该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，操作简单耗时短无需专业技能或额外的医疗器械，即使是偏远的医疗条件匮乏的贫困地区也可实现日常诊断中的及时检测。附图说明[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0019] 图1为本发明的微流控芯片结构示意图；[0020] 图2为本发明的双差分结构示意图；[0021] 图3为本发明的检测信号示意图；[0022] 图4为本发明的原始检测信号分布图；[0023] 图5为本发明的校准后的检测信号分布图。具体实施方式[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0025] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0026] 请参阅图1‑图5，本发明提供一种技术方案：基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，包括微流控芯片，微流控芯片包括流体通道，流体通道的内部填充有电解质溶液，电解质溶液具有良好的导电性能，使通道中形成电流回路，流体通道的底部等间距依次分布有七个电极，依次为1号电极、2号电极、3号电极、4号电极、5号电极、6号电极和7号电极，七个电极中，第1和第7号是信号输入电极时用来接外部交流电源，第2和第6号电极是用来进行细胞校准的浮动电极，第3和第5号电极是参考地电极，中心电极也是信号输入电极接与第1、7号电极相位相反的交流信号，微流控芯片采用双差分结构。[0027] 芯片中的双差分结构中第一个差分阶段为：将1号对参考地电极的信号与中心电极与参考地电极信号分别引出，经过一个差分放大器；同样的，将芯片右侧7号和中心电极相对于参考地电极的信号引出，经过差分放大器输出供后续的信号处理；第二差分阶段：将两路对地差分输出信号送至IV转换器后再经一个差分放大器；如图2所示：对1、7号以及中心电极施加相位相反的交流电压，由于通道中充满了电解质溶液，因此可以从下基板上的电极中测得微弱的电信号，因为差分结构的存在，当没有细胞通过微流体通道时，两路信号之和接近于零；当有细胞流过通道时，便会打破通道中的平衡条件，在中心电极和两侧电极形成不一样的脉冲信号，再经过差分电路后将这一产生的脉冲信号增强并输出，实现对细胞的检测计数，同时，不同细胞经过通道时产生的脉冲信号大小不同，从而实现对细胞的分类。[0028] 基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数方法，包括以下步骤：[0029] S1：在中心电极上施加特定幅度和频率的交流电压，两端边电极(1号电极和7号电极)施加相反相位的电压；[0030] S2：将处理好的白细胞稀释液加入到样本储存器中，打开微泵产生负压将细胞溶液泵入通道，在压力和扩散运动的作用下，细胞在通道内沿着1号电极到7号电极的方向运动，当细胞运动通过不同电极时，会瞬间引起脉冲变化，产生电流信号，由于采用了差分结构，这一变化会变得更加明显；[0031] S3：为了后续的信号处理，将两路差分输出后的脉冲电流信号送至IV转换器进行相消滤波，之后再经过差分放大来去除通道和IV转换器的内部噪声电流信号；[0032] S4：对输出的脉冲信号以一定的采样速率进行采样并将数字化的信号传送到计算机进行进一步的信号处理，最终产生脉冲示意图，如图3所示，产生双峰脉冲的原因是浮动电极造成了电场分布的不均匀，同时细胞通过通道时的运动的不同位置会影响双峰间的波谷高度，此处的运动位置是指细胞靠近通道顶部、中部、底部运动；[0033] S5：当细胞经过参考地电极与中心电极时，先产生一个反向的脉冲，这个反向峰幅度相比于先前的浮动电极峰幅度要大得多，因而可以在此区域依据脉冲幅度对细胞进行计数分类。[0034] 细胞在流体通道中运动的位置会影响到脉冲信号的大小，当同一细胞以不同的垂直高度通过通道时产生的电流幅度不同，同时尺寸较大的细胞往往在偏高的位置流动，尺寸较小的细胞往往在较低的位置运动，因此单独以中心电极附近产生的脉冲大小作为参照还不足以对细胞进行精准的尺寸测量和分类，因而有必要对细胞运动位置带来的误差做修正来保证细胞样本测量的准确性，浮动电极的存在则是为了这一目的。[0035] 该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类方法只需微量样本便可实现白细胞的快速计数分类，不同于医院血常规检测时需采集大量血液样本进行检测，不同于激光散射检测需要昂贵的激光光源，也不同于荧光检测需要对样本做标签处理。[0036] 将两侧浮动电极区域定义为PF：[0037][0038] 其中的P是p分别是双峰的波峰和波谷，PF是介于0和1之间的一个确定数，用来对细胞做校正。[0039] 将图3中间区域定义为原始信号尺寸RES区域，区域中产生的信号幅度定义为A：[0040][0041] 其中的G是几何参数，其值由通道尺寸决定。[0042] 以PF为参考对原始RES进行归一化处理，处理后的结果定义为NES：[0043][0044] 其中的RES参数前文已经做介绍，BeadSize是用来做校准的标准细胞尺寸。[0045] 如图4所示，图中上半部分为某一类标准尺寸的白细胞稀释液通过微流控芯片时所测得计数直方图，下半部分是以该标准细胞对应PF为纵轴、RES为横轴的散点图分布，该直方图未进行归一化处理，以细胞的原始信号RES出现的次数进行计数，出现不同分布的原因是该类细胞在通道中运动的垂直位置差异，从散点图中可以看出粒子分布大致呈现一条直线，对该分布建立二维NES＝c1×PF+c2模型，利用线性拟合算法求解出校正参数和，因为线性拟合参数c1、c2是在归一化的尺寸NES基础上求解的，因而对同意检测环境检测的其他尺寸大小的细胞也适用，只需一次校准就可以供后续任意细胞的尺寸检测。[0046] 将原始信号尺寸RES除以校准参数、得到校准后的尺寸表达式CES：[0047][0048] 图5展示了校准后的细胞尺寸，可以看出经过校准后原先双峰形状的分布图变为近似标准正态的单峰分布，均值近似为细胞实际尺寸大小。[0049] 总的来说，该基于位置补偿的电阻抗法的白细胞分类计数微流控芯片集成了双差分结构电极，具有高通量、微样本、免标签、高灵敏度等特点，快速精准地对白细胞进行计数和分类，不仅如此，该微流控芯片尺寸小，集成度高，加工后的产品可以做到轻型化方便携带，同时操作简单耗时短无需专业技能或额外的医疗器械，即使是偏远的医疗条件匮乏的贫困地区也可实现日常诊断中的及时检测。[0050] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专利地区：四川

专利申请日期：2021-09-27

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113866074B