CN207066929U - 一种使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备，包括：机架；构造成控制用于向所述液滴微流控芯片供应含液滴流体的流体供应装置的微流控制系统；光电检测系统，具有限定出入射光路的入射光生成装置和限定出荧光光路的荧光检测装置；构造成连接液滴微流控芯片以筛选流经所述液滴微流控芯片的液滴的电筛选系统；以及构造成接收来自所述荧光检测装置的信号并将所述信号与预定阀值相比较并基于比较结果控制所述电筛选系统进行液滴筛选的一个或多个控制器。

Description

一种使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备

技术领域

本实用新型涉及使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备、尤其是单细胞筛选设备。

背景技术

从自然界筛选并在实验室诱变进化一直是发展和创新工业微生物菌种的重要途径，是工业生物技术产业的基础。现在工业上使用的微生物菌株主要是通过诱变筛选得到的。目前微生物菌株的筛选多采用微孔板法(96孔板或384孔板)或平板法，这些方法几乎全部依赖人工操作，对筛选10万株以上突变库需要较长的时间，且需要消耗大量的耗材与试剂，成本难以承受。微生物高通量筛选平台利用先进的现代自动化技术和仪器分析技术实现传统诱变筛选过程，具有自动化、标准化、高通量化等特征，大大突破了人工筛选在速度、效率和标准化等方面的限制。然而已经投入使用的各类高通量筛选设备主要是国外公司开发的价格昂贵、操作复杂的大型装备系统，特别是需要以流式细胞仪为主要部件以完成高通量的要求，例如美国BD公司提供的流式细胞分析仪，其价格昂贵，且需要专人操作，被筛选对象需要表面或内部具有荧光信号，无法对细胞分泌的代谢产物进行检测、筛选，限制了其应用范围。

中国发明专利《一种液滴式样品荧光检测系统和方法》(授权公告号CN104388307A)公开了一种液滴式样品荧光检测系统和方法，仍存在以下问题：(1)缺少液滴筛选单元；(2)系统集成度有待提高，不利于普及。

2013年出版的英国期刊《Nature protocols》公开了文献《Single-cell analysisand sorting using droplet-based microfluidics》(单细胞分析和利用微流控液滴分选)，其仍处于实验室研究阶段，不存在集成的系统解决方案。

本申请人的中国发明专利申请《一种基于液滴微流控芯片的微生物高通量检测系统》(公开号CN104007091A)公开了一种基于液滴微流控芯片的微生物高通量检测系统，但是同样存在类似问题。

本申请人的中国发明专利申请《一种用于液滴荧光检测的显微镜集成光路系统》(公开号CN105300943A)提供了一种用于液滴荧光检测的光路系统，但是也没有提出集成度高的整体液滴筛选解决方案。

对此，希望提供一种集成度高且自动化程度高的基于液滴微流控芯片的高通量筛选解决方案。此外，还希望方案具有改进的液滴检测能力。另外，还希望方案提供改进的液滴给送。

实用新型内容

针对该问题，本实用新型涉及一种集成度高且自动化程度高的基于液滴微流控芯片的单细胞高通量筛选设备，其特别适合用于不同类型细胞的高通量荧光检测、筛选。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备，包括：机架；构造成控制用于向所述液滴微流控芯片供应含液滴流体的流体供应装置的微流控制系统；光电检测系统，具有限定出入射光路的入射光生成装置和限定出荧光光路的荧光检测装置；构造成连接液滴微流控芯片的筛选电极以筛选流经所述液滴微流控芯片的液滴的电筛选系统；以及构造成接收来自所述荧光检测装置的信号并将所述信号与预定阀值相比较并基于比较结果控制所述电筛选系统进行液滴筛选的一个或多个控制器。入射光生成装置优选为激光激发装置

相比于在实验室中根据各种具体情况自行搭建系统且人力密集型的现有技术，根据本实用新型的使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备提供了一种高度自动化的液滴自动给送、检测和分拣的解决方案，并能够简单适用于各种不同液滴的检测，而无需重新搭建或改造设备。

在根据本实用新型的实施例中，所述液滴总体而言可以为可荧光激发的液滴，且在特别优选的实施例中包括包埋细胞的液滴、如包埋单细胞的液滴，细胞例如包括但不限于大肠杆菌、枯草芽孢杆菌或酵母菌。

在本实用新型的实施例中，可以根据需要设定各种各样的、大小不同的筛选阀值。在一个优选的实施例中，预定阀值例如是液滴荧光强度值。在一个优选实施例中，预定阀值的大小范围是基于液滴是否包埋有细胞、优选是基于是否包埋有单细胞设定的。

根据一个优选实施例，所述荧光检测装置包括一个或多个成像透镜、带孔挡板和光电倍增器。借助于带孔挡板，根据本实用新型实施例的荧光检测装置能够简单有效地滤除检测区外相邻细胞发射的荧光信号，提高了系统分选通量。

根据一个特别优选实施例，所述带孔挡板的孔设置在荧光光路中的焦点上游，优选间隔20μm-100μm，更优选间隔30μm-70μm，更优选间隔50μm左右。借助于该带孔挡板的“前置”设置，令人惊奇地发现，根据本实用新型优选实施例的荧光检测装置能够地获得了更好的液滴信号检测，特别是液滴深度方向上的信号检测。如在一个优选实施例中，当液滴为均一发光球体时，系统探测信号强度提高了约32倍。此外，带有“前置”带孔挡板的荧光检测装置的实施例也未受到焦外杂光的显著影响。

优选地，所述带孔挡板的孔偏置于所述荧光光路的光轴设置。该偏置的孔有助于进一步改善荧光检测，例如进一步减少焦外杂光的影响。

根据一个优选实施例，在带孔挡板和光电倍增器之间还可设置附加的凸透镜。这能够进一步增强系统探测信号，并降低焦外杂光的影响，并且改善光电倍增器的信号接收。

根据一个优选实施例，所述光电检测系统包括由所述入射光生成装置和所述荧光检测装置共用的荧光显微镜主体。优选地，所述显微镜主体包括用于入射光路的激发光滤光片、用于荧光光路的发射光滤光片、二向色滤光片或第一分光片和邻近所述液滴微流控芯片设置的物镜。借此，本实用新型的优选实施例的设备可以借助于成熟的、集成度高、体积小的倒置荧光显微镜主体进行改造，有利于降低制造成本，适于大规模制造。

根据一个优选实施例，所述荧光检测装置包括荧光检测模块，所述荧光检测模块包括屏蔽罩和容纳在屏蔽罩中的所述带孔挡板和光电倍增器，优选地所述荧光检测模块还包括容纳在所述屏蔽罩中的设置在所述带孔挡板上游的第二分光片和/或连接所述光电倍增器的数模转换器。优选地，所述屏蔽罩具有连接至所述显微镜主体的第一接口和可选地用于连接摄像机或图像传感器的第二接口。优选地，所述第一接口与所述第二接口相对置且所述第二分光片设置在所述第一接口和第二接口之间。

所述的荧光检测模块能够有利于模块化设计，特别适合于上述的倒置荧光显微镜的改造，而且能够有效避免外界干扰，从而提高系统的信噪比。

根据一个优选实施例，所述入射光生成装置包括连接至所述显微镜主体的激光器。优选地，所述激光器平行于荧光检测模块，以便节省空间且有利于入射光路和荧光光路的部分同轴设计。

根据一个优选实施例，所述流体供应装置包括一个或多个注射器，优选地所述流体供应装置包括用于容纳含液滴流体的第一注射器和用于容纳流控介质的第二注射器。优选地，所述微流控制系统包括用于分别驱动所述一个或多个注射器的一个或多个执行器和控制所述一个或多个执行器的微流控制器。优选地，所述微流控制系统构造成微流注射泵。

相比于压力泵形式的现有技术，配合注射供应装置使用的本实用新型实施例的微流控制系统、如注射泵结构特别有利于液滴的重注入，因此提供了简单的液滴供应。这还可以实现液滴制备和供应相分离，避免了现有技术中需要现场制备液滴的复杂结构，并且还有利于节约液滴样本。而且，根据本实用新型的该实施例的结构还可以通过例如容纳在另外的注射器中的油作为液滴的流控介质，从而以非常简单的手段实现液滴给送的精确控制。例如在一个实施例中，根据本实用新型实施例的设备构造成通过一个或多个控制器或者由操作人员在荧光检测装置检测或观察到多于一个液滴的信号时，提高流控介质的流量或流速。

根据一个优选实施例，所述高通量筛选设备还包括用于支承所述一个或多个注射器的一个或多个承座。优选地，所述承座构造成使得所述注射器头朝上地被竖直或倾斜支承，优选以45°-90°、更优选地以60°-90°、更优选以70°-90°倾斜。优选地，所述一个或多个承座还具有用于夹紧所述注射器的夹具。根据本实用新型的竖直且优选接近于竖直地倾斜支承注射器特别有利于液滴的平稳、可控地供应。

根据一个优选实施例，用于所述高通量筛选设备的所述液滴微流控芯片具有至少一个流体入口、两个或更多个流体出口、连通所述流体入口和流体出口的流道以及连接至电筛选系统的筛选电极，其中所述流道包括主流路和连接所述主流路和所述两个或更多个流体出口的两个或更多个分支流路。用于根据本实用新型的设备的该实施例的液滴微流控芯片可以采用现有技术采用的类似方法制造，并不会增加成本。用于根据本实用新型的设备的该实施例的液滴微流控芯片集成了筛选电极，提供了简单的筛选。

优选地，流体入口构造成具有竖直的流入段，这有利于液滴的给送。优选地，所述主流路在与分支流路连接的部位具有缩窄部。

优选地，所述筛选电极具有正极和负极。优选地，筛选电极正极和负极的端部邻近所述主流路与分支流路的连接部位设置。更优选地，借助于该筛选电极的正负极，筛选电压可以邻近于液滴施加，例如产生筛选电场，并实现液滴的可靠筛选。

优选地，所述液滴微流控芯片在所述筛选电极正极和负极的端部附近在上游设置有用于对准入射光路的标记。借助于该标记的设置，能够实现入射光路精准对准所需要检测的液滴，从而能够实现液滴信号的精确检测，并能够精准控制并筛选要被筛选的液滴。优选，该标记相对于正负极端部的位置可以与预定的液滴输送协调一致，从而进一步提高对待筛选液滴的精确控制。

优选地，所述标记和所述筛选电极分别设在所述主流道的两侧。

根据一个优选实施例，所述电筛选系统优选为介电电泳筛选系统且包括高压放大器，从而提供更可靠的筛选电压，从而例如提供充足的介电电泳力。优选地，所述高压放大器包括电源开关、与所述一个或多个控制装置相连接的信号输入端、高压输出端和接地端。优选地，所述高压输出端和接地端构造成连接至液滴微流控芯片的筛选电极，优选地，所述高压输出端连接至液滴微流控芯片的筛选电极的正极，所述接地端连接至液滴微流控芯片的筛选电极的负极。

根据一个优选实施例，所述一个或多个控制装置包括信号采集分析系统和控制箱。优选地，所述信号采集分析系统接收来自所述荧光检测装置的信号并将所述信号与预定阀值相比较。优选地，所述控制箱具有入射光生成装置开关和/或控制模块，荧光检测装置开关和/或控制模块，以及/或者电筛选系统控制模块。优选地，所述电筛选系统控制模块用于控制电筛选系统的筛选电压。这些实施例提供了结构简单且易于实现的控制装置实施方案。

在一个替代的实施例中，所述一个或多个控制装置包括总控制器，优选为带PC或带显示器的总控制器。

根据一个优选实施例，所述机架为两层式机架。优选地，所述微流控制系统放置在上层，所述光电检测系统和电筛选系统放置在下层。优选地，所述光电检测系统是倒置设置的并具有用于支承所述液滴微流控芯片的顶部承载部以使得所述微流控制系统高于所述顶部承载部。该实施例提供了高度集成且结构紧凑的设备。

优选地，该设备还可包括用于包围设备各组成部件的壳体，所述壳体可以包括用于覆盖流体供应装置区域的第一可枢转盖和/或用于放置液滴微流控芯片区域的第二可枢转盖。

根据本实用新型的一个方面，还提供液滴筛选方法，尤其是使用根据本实用新型实施例的设备的液滴筛选方法。

根据本实用新型的又一方面，还提供例如用于根据本实用新型实施例的设备的光电检测系统、荧光检测装置和/或荧光检测模块。

根据本实用新型的再一方面，还提供根据本实用新型改造的倒置荧光显微镜以及改造该倒置荧光显微镜的方法。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型提供一种基于液滴微流控芯片的可荧光激发液滴、尤其是单细胞筛选设备，芯片设计灵活、更换简单，加工制作成本低；模块化设计，便于调整，检测范围更广；自动化控制，节省人力成本；在线检测，节约时间；操作简单，成本低，方便推广。由此，本实用新型的设备具有很高的自动化程度和集成度，并且能够利用该设备可应用于不同类型细胞的高通量荧光检测和筛选，而无需重新搭建平台。

(2)本实用新型的优选实施例的设备能改进对液滴的检测效果，尤其是通过创新性的光电系统的结构设计，能够获得更多的液滴样本信息，尤其是深度方向的信息。

(3)本实用新型的优选实施例的设备能采用改进的液滴给送方案，不仅特别有利于液滴的重注入，还有利于液滴给送的精确控制。

(4)本实用新型的优选实施例的设备可以借助于成熟的、集成度高、体积小的倒置荧光显微镜主体进行改造，有利于降低制造成本，适于大规模制造。

本实用新型的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本申请后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的具体实施方式，其中：

图1示出了本实用新型实施方案的基于液体微流控的液滴、尤其是单细胞筛选设备的示意图。

图2示出了本实用新型实施方案的基于液体微流控的液滴、尤其是单细胞筛选设备的工作状态视图。

图3示出了本实用新型实施方案的基于液体微流控的液滴、尤其是单细胞筛选设备的非工作状态视图。

图4示出了本实用新型实施方案的微流控制系统的示意图。

图5示出了本实用新型实施方案的微流控制系统的结构图。

图6示出了用于本实用新型实施方案的筛选设备的液滴微流控芯片的一个实施方案。

图7示出了本实用新型实施方案的筛选设备的光电检测系统的示意图。

图8示出了根据本实用新型实施方案的荧光检测模块的光路示意图。

图9示出了本实用新型实施方案的存储在PC中的信号分析处理软件模块的示意图。

图10示出了本实用新型实施方案的信号分析处理软件的显示界面的示意图，示出了检测到的液滴信号和筛选阀值。

图11示意性示出了根据本实用新型实施方案的基于液体微流控的液滴、尤其是单细胞筛选设备，其中外壳被移除以便清楚示出内部结构。

图12示意性示出了根据本实用新型又一实施方案的筛选设备的功能模块示意图。

附图标记列表

1、1’-微流控制系统；

11-微流控制器；12-注射器；13-执行器；14-承座；141-座体；142-夹具；

2、2’-液滴微流控芯片；

21-PDMS层；22-玻璃层；23-流体入口；24-流体出口；25-筛选电极正极；26-筛选电极负极；27-流道；271-主流路；272、272’-分支流路；28-缩窄部；29-标记；

3、3’-光电检测系统；

31-激光激发模块；31’-激光激发装置；310、310’-入射光路；311、311’-激光器；312’-光学器件；

32-荧光检测模块；32’-荧光检测装置；320、320’-荧光光路；321-分光镜；322-带孔挡板；3220-孔；323-光电倍增管；323’-检测器；324-高速摄像机；325-屏蔽罩；3251-第一接口；3252-第二接口；329-数模转换器；

33-控制箱；331-总电源开关；332-激光器控制开关；333-光电倍增管控制开关；334-筛选电压控制模块；

34-倒置荧光显微镜主体；343-激发光滤光片；344-二向色镜滤光片；345-发射光滤光片；346-物镜；

37-载物台；

4-信号采集分析系统；4’-总控制器；

41、41’-PC；42-信号分析处理软件；421-筛选阈值设定；422-触发延迟设定；423-触发持续时间设定；424-光电倍增管增益设定；425-检测到的液滴信号；426-筛选阈值

5-电筛选系统；

51-高压放大器；511-电源开关；512-信号输入端；513-高压输出端；514-接地端；

6-机架；

7-外壳；71-第一可枢转盖；72-第二可枢转盖；73-前开门；74-前开门；

8-容器；81-液滴容器；82-废液容器。

具体实施方式

尽管提供附图是为了呈现本实用新型的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或剖切以更好地示出和解释本实用新型的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

在此，所有方向性用词(例如，上方的、下方的、向上的、向下的、左方的、右方的、向左的、向右的、顶部的、底部的、上面的、下面的、竖直的、横向的、顺时针的和逆时针的)仅用于识别的目的，以便帮助阅读者理解本实用新型，而非限制，特别是对本实用新型的位置、方向或使用的限制。

此外，本实用新型中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本实用新型中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。

结合参考图1-3，示出了根据本实用新型的实施方案的使用液滴微流控芯片2的高通量筛选设备。该高通量筛选设备尤其是单细胞的高通量筛选设备。尽管在下文将针对单细胞的高通量筛选描述本实用新型的实施方案，但本领域技术人员将明白，根据本实用新型的高通量筛选设备还可以用于多种液滴、如任何合适的可激发荧光的液滴。

图1示出了根据本实用新型的实施方案的高通量筛选设备的功能子系统的结构示意图。根据本实用新型的该实施方案，使用液滴微流控芯片2的高通量筛选设备可包括用于控制流体供应装置的微流控制系统1、光电检测系统3、信号采集分析系统4和电筛选系统5。此外，结合图2-3和图11所示，该设备还可包括用于支承各功能部件的机架6和外壳7。

下面将参考附图分别描述该实施方案的高通量筛选设备的功能模块和相关配件。

结合参考图1-3和图4-5，描述根据本实用新型的实施方案的微流控制系统1。在所示的实施方案中，该微流控制系统1可构造为或包括微流注射泵。该微流控制系统1或微流注射泵可包括(注射泵)微流控制器11和执行器13。在所示的实施方案中，该微流控制系统1可用于控制作为流体供应装置的一个或多个注射器12或者配设有一个或多个注射器。在图4所示的实施方案中，该设备使用了两个注射器12，其中第一注射器121容纳有液滴流体(如(氟化)油包水式液滴)、液滴优选为包埋细胞液滴，第二注射器122容纳有用于控制液滴流体在微流控芯片中的输送的流控介质、如(氟化)油。在本实用新型的一些实施方案中，使用注射器作为流体供应装置的高通量筛选设备可以配设或不配设通用或专用的注射器，而且可选择不同的注射器数目，这都落入本实用新型的范围内。

在使用中，微流控制器11可以控制执行器13的动作，从而控制注射器12给送流体的速度。在优选的配置中，微流控制器11可通过调节用于容纳流控介质的注射器122的流量，而调节控制液滴通过微流控芯片2的速度，从而有利于对液滴的下游检测、筛选的精确控制。

结合图2-5所示，该设备可以包括用于支承注射器的一个或多个承座14，例如3个承座14。如图11所示，承座14可被支承在机架6上层。承座14可具有倾斜设置的座体141和夹具142，从而注射器12可以被头朝上地倾斜支承在承座上。通过这种头朝上的倾斜设置、尤其接近于竖直角度(如约70°)的头朝上倾斜设置，能够高质量、更高可控度地给送液滴。

结合参考图1和图6，示出了用于根据本实用新型实施方案的高通量筛选设备的液滴微流控芯片2。在本实用新型的一些实施方案中，使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备可以配设或不配设通用或专用的液滴微流控芯片，这都落入本实用新型的范围内。

在图6所示的实施方案中，液滴微流控芯片2可包括在上层的PDMS层21和在下层的玻璃层22。优选地，所述PDMS层21和玻璃层22可通过等离子体键合，形成液滴微流控芯片。在所示的优选实施方案中，PDMS层21可通过软光刻法蚀刻流体通道，但也可以采用其它微流道成型方法。

继续参考图6，在所示的实施方案中，所述液滴微流控芯片2包括两个流体入口231、232、两个流体出口241、242、连通所述流体入口23和流体出口24的流道27以及连接至电筛选系统的筛选电极。如图6所示的实施方案中，所述流道27包括主流路271和连接所述主流路和所述两个流体出口的两个分支流路272、272’。在所示的实施方案中，所述主流路271在与分支流路272、272’连接的部位具有缩窄部28。

如图6所示的实施方案中，例如用于容纳液滴流体的第一注射器121可以构造成通过微管、如软管连接第一流体入口231，用于容纳流控介质的第二注射器122可以构造成通过微管、如软管连接第二流体入口232。液滴微流控芯片2的流体出口可以分别通过微管、如软管与容器8、如离心管相连。例如在所示的实施方案中，第一流体出口241可通过微管连接至筛选液滴容器81，第二流体出口242可通过微管连接至废液容器82。

继续参考图6，该筛选电极优选具有正极25和负极26。筛选电极正极25和负极26的端部可邻近所述主流路与分支流路的连接部位设置在主流路271的第一侧。在相对的第二侧，该芯片2还可设有用于对准入射光路的标记29。该标记29邻近筛选电极的端部，但设置在上游。

尽管在所示的实施方案中示出了液滴重注入筛选芯片2的一个实施方案，但本领域技术人员将明白根据本实用新型的设备可以结合其他形式的液滴重注入筛选芯片或者其它筛选芯片、例如液滴生成筛选芯片使用或者结合其它功能的芯片使用。在所示的实施方案中，高通量筛选设备使用的液滴微流控芯片是可更换的，这大大提高了适配性。在未示出的实施方案中，可根据芯片功能和相应检测物是否需要培养来选择液滴微流控芯片。

结合参考图1-3和图7-8，描述根据本实用新型实施方案的光电检测系统3。在该实施方案中，光电检测系统3包括限定出入射光路310的入射光生成装置，该入射光生成装置优选为激光激发装置。光电检测系统3还可包括限定出荧光光路320的荧光检测装置。

在图1-3和图7-8所示的实施方案中，该光电检测系统3可以包括荧光显微镜主体、特别是倒置荧光显微镜主体34，或者可以通过改造(倒置)荧光显微镜而获得。

具体参考图1和图7，该光电检测系统3的入射光生成装置和荧光检测装置可以共用该(倒置)荧光显微镜主体34，从而优选地入射光路310和荧光光路320部分共轴。参考图1和图7，该入射光生成装置(激光激发装置)和荧光检测装置可以分别包括连接至该(倒置)荧光显微镜主体34的激光激发模块31和荧光检测模块32。该共用的荧光显微镜主体有利于降低制造成本，且对设备光路系统的调整改造可以通过简单更换或调整相关的激发模块和/或检测模块实现，可换性高且适配性好。

参考图1和图7所示的实施方案，该(倒置)荧光显微镜主体34可包括二向色镜滤光片344(或者第一分光片)，从而共轴的入射光路310和荧光光路320在优选成45°设置的二向色镜滤光片344(或者第一分光片)处分开。优选地，该(倒置)荧光显微镜主体34可包括用于入射光路310的激发光滤光片343、用于荧光光路的发射光滤光片345。(倒置)荧光显微镜主体34的激发光滤光片343、二向色镜滤光片344和发射光滤光片345可根据检测物质的不同更换不同波长的滤光片。

该(倒置)荧光显微镜主体34还可包括邻近芯片设置的物镜346。

在所示的实施方案中，该设备还可以利用(倒置)荧光显微镜(主体)配设的载物台37作为放置芯片的承载部，但可以想到其它类型的承载部。

继续参考图1和图7，该激光激发模块31可以是或包括激光器311。在所示的实施方案中，该激光激发模块31连接至倒置荧光显微镜主体34侧面的扩展接口且优选平行于荧光检测模块32设置，从而例如激光激发模块31发出的入射光和荧光检测模块32接收的荧光大致平行(且均垂直于共轴光路部分)。

结合参考图1和图7-8，描述根据本实用新型实施方案的荧光检测装置或荧光检测模块32。荧光检测模块32可包括例如呈圆筒形的屏蔽罩325、容纳在屏蔽罩325中的第二分光片321、带孔挡板322和光电倍增器、如光电倍增管323。在所示的优选实施方案中，所述荧光检测模块32还可以包括数模转换器329，所述数模转换器329可通过数据线与所述光电倍增管323相连。但在其它的实施方案中该数模转换器也可以设置在信号采集分析系统4中。所述第二分光片321、带孔挡板322、光电倍增管323可通过屏蔽罩325全封闭，且屏蔽罩325优选为黑色金属外壳。

第二分光片321可放置在带孔挡板322之前且优选成45°设置，所述带孔档板322可放置在光电倍增管323之前。所述屏蔽罩325具有连接至显微镜主体的第一接口3251和用于连接摄像机或图像传感器、如高速摄像机324的第二接口3252。所述第一接口3251与所述第二接口3252相对置且所述第二分光片321设置在所述第一接口3251和第二接口3252之间。在所示的优选实施方案中，所述第二分光片321到带孔挡板322和到高速摄像机324的距离相等。

在根据本实用新型实施方案中的荧光检测装置的荧光光路中形成焦点(未示出)，这例如是通过一个或多个成像透镜(如在本实施方案中的物镜中的成像凸透镜)形成的。在图8所示的优选实施方案中，所述带孔挡板322的孔3220设置在荧光光路中的焦点上游且优选偏置于荧光光路的光轴设置。在一个优选实施方案中，孔3220相对于焦点的“前置”间隔为约20μm-100μm，更优选为约30μm-70μm，更优选为50μm左右。在所示优选的实施方案中，在带孔挡板322和光电倍增管323之间还可设置附加的凸透镜326。优选，偏置约20μm-100μm，更优选为约30μm-70μm，更优选为50μm左右。尽管不受理论之限制，该“前置”的孔特别有利于获取特别是在深度方向上的更多的液滴荧光信息；且偏置的孔可有利于避免相邻液滴的信号影响；上述附加的凸透镜同样有利于液滴信息的检测获取。

结合参考图1、图7和图11，光电检测系统3可包括或连接至控制箱33。该控制箱33可包括总电源开关331、激光器开关332或控制模块、光电倍增管开关333或控制模块、以及电筛选系统控制模块、如筛选电压控制模块334。相应地，所述控制箱33可通过数据线分别与所述激光器311、光电倍增管323相连。此外，所述控制箱33还连接至电筛选控制系统5。

结合参考图1和图9-10，示出了根据本实用新型的实施方案的信号采集分析系统4。在所示的实施方案中，信号采集分析系统4包括带有信号分析处理软件42的PC41，但可以想到根据本实用新型的实施方案的信号采集分析系统4可包括任何能够采集荧光信号并进行相应的分析和控制的控制器和/或信号分析处理模块或程序。在所示的实施方案中，信号采集分析系统4连接至荧光检测模块32的数模转换器329，但如前所述，可以想到在信号采集分析系统中集成数模转换器，而信号采集分析系统的数模转换器可直接连接至荧光检测装置/模块的光电倍增器、如光电倍增管。

所述信号分析处理软件42可包括各种程序模块，如筛选阈值设定421、触发延迟设定422、触发持续时间设定423、光电倍增管增益设定424、检测到的液滴信号值425和筛选阈值426。如图10通过显示界面显示了所述检测到的液滴信号值425和筛选阈值426。但本领域技术人员可以明白，上述程序模块中的一些或全部可以通过硬件实现。信号采集和分析系统4构造成接收来自所述荧光检测装置或光电倍增管的信号并将所述信号与预定的筛选阀值相比较，并在检测液滴信号值超过筛选阀值时，发信号至控制箱33以控制电筛选系统5执行筛选，例如使得相应液滴通过分支流路272流入液滴容器81。而对于检测到的液滴信号未超过筛选阀值的液滴，则允许其经分支流路272’流入废液容器82(此时例如电筛选系统5不施加电场至该液滴)。。在本实用新型的不同实施方案中，筛选阀值可以为一个或多个，例如具有作为下限的第一筛选阀值和作为上限的第二筛选阀值，以例如用于分别筛选(废弃)掉未包埋细胞的液滴和包埋多个细胞的液滴。

此外，优选基于标记和筛选电极端部的间距，可以通过设定触发延迟、以及延迟时间以在检测到超过预定值时，以最优的方式施加电场至打算筛选的液滴。

继续参考图1，根据本实用新型实施方案的电筛选系统5可以为介电电泳筛选系统，优选包括高压放大器51。在所示的优选实施方案中，所述高压放大器51可包括电源开关511、连接控制箱33的信号输入端512、高压输出端513和接地端514。高压输出端513、接地端514通过电源线分别与液滴微流控芯片2的筛选电极通道的正极25、负极26相连。

参考图11，该机架6为双层机架。呈微量注射泵形式的微流控制系统1(以及注射器承座)可放置在上层。光电检测系统3和电筛选系统5放置在下层。光电检测系统3是倒置式的，并延伸到上层，从而微量注射泵11略高于倒置载物台37。光电检测系统3的倒置荧光显微镜主体34设置在下层中部，电筛选系统设置在倒置荧光显微镜主体34左侧，所述控制箱33放置于倒置荧光显微镜主体34右侧。

参考图2和图3，所述设备的多个组成部件被外壳7包围，外壳顶部设置有第一和第二可枢转盖71、72以分别覆盖承座14和芯片2区域。外壳7还可设置有两个前开门73、74以遮挡控制箱33和高压放大器51。

根据本实用新型的一个实施方案的基于液滴微流控的液滴、尤其是单细胞筛选设备的工作过程可包括以下步骤：

(1)将液滴微流控芯片2固定到载物台37上，将含有液滴的第一注射器121和含有流控介质如氟化油的第二注射器122通过微管分别与液滴微流控芯片2的第一和第二流体入口231、232相连，第一和第二流体出口241、242分别通过微管与容器8、如离心管相连，高压放大器51通过电源线分别将高压输出端513、接地端514与液滴微流控芯片2的筛选电极通道的正极25、负极26相连；

(2)可选地，调整载物台37的位置在高速摄像机324上呈现液滴微流控芯片2最清楚的像；

(3)打开微量注射泵11，可选地适当调整氟化油、液滴流速，液滴全部流向第二分支流路(废液容器)；

(4)打开激光器控制开关332，可选地调整激光点位置到液滴微流控芯片2通道中央；

(5)打开光电倍增管控制开关333，高压放大器51的电源开关511，打开信号采集分析系统4的信号采集分析软件42；可选地可执行下述一个或多个子步骤：设定筛选阈值设定421、触发延迟设定422、触发持续时间设定423、光电倍增管增益设定424；

(6)进行液滴信号采集分析和液滴筛选。

参考图12，示出了根据本实用新型的另一实施方案的使用液滴微流控芯片2’的筛选设备的功能模块示意图。在该实施方案中，筛选设备可包括基于注射器的微流控制系统1’，光电检测系统，配设有PC41’的总控制器4’和电筛选系统5’。该光电检测系统可包括限定出入射光路310’的入射光生成装置、优选地激光激发装置31’和限定出荧光光路320’的荧光检测装置32’。在所示的实施方案中，微流控制系统1’配设有4个注射器12’，其中两个注射器例如容纳液滴流体、两个注射器容纳流控介质。相应地，液滴微流控芯片2’可以包括四个流体入口。优选地，流体入口可具有竖直的流入段。在所示的芯片2’中，连通液滴流体入口的流道可优选具有多个曲折部分。

图12所示的实施方案与图1所示的实施方案的一个区别在于，在图12所示的实施方案中入射光生成装置31’和荧光检测装置32’未共用部件。在图12所示的实施方案中，荧光检测装置32’包括一个或多个成像透镜321’和用于接收荧光信息的检测器323’、如光电倍增器和/或摄像机或图像传感器。尽管在图12中的实施方案中未示出，但可以想到图1-11中所示的实施方案中的光电检测系统的特征可以在不矛盾的情况下结合至图12的实施方案。特别是，在图12的实施方案中的荧光检测装置32’中优选可以设置带孔挡板，其例如设置在检测器、如光电倍增器前。带孔挡板的孔可以类似地前置于焦点和/或偏置于荧光光路的光轴。在图12所示的实施方案中，激光激发装置31’可包括激光器311’和一个或多个光学器件312’。

图12所示的实施方案中，总控制器4’构造成接收来自所述荧光检测装置32’的信号，并将所述信号与预定阀值相比较并基于比较结果控制所述电筛选系统进行选择性的液滴筛选。由此，图12与图1所示的实施方案的另一个区别在于，在图12所示的实施方案中通过带有PC的总控制器实现多种控制功能，例如但不限于上述由控制箱33和信号采集分析系统4的功能。但本领域技术人员可以想到，采用其它形式的一个或多个控制器(如单独的带有或不带PC或者带有其它配件如显示器的总控制器)来实现接收检测信号、分析并触发筛选的功能，且还可选地集成其它功能，如微流控制功能，这都落入本实用新型的范围内。

实施例：表达红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌液滴荧光检测

从新鲜的表达红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌LB固体平板上挑取单菌落至LB液体培养基，37℃、200rpm培养至OD600＝0.6-0.8之间，用pH7.4的PBS缓冲液洗涤菌体3次，每次775g、5min，最后用PBS缓冲液重悬菌体，将菌体稀释至OD600＝0.125，选择细胞包埋芯片进行细胞的液滴包埋，设定油相流速200μL/h，枯草芽孢杆菌细胞稀释液流速为50μL/h，生成液滴至1mL注射器内，液滴直径为20μm，根据泊松分布，不含细胞液滴比例为0.6065，包埋单细胞液滴比例为0.3033，包埋两个及以上细胞液滴比例为0.0902。

将液滴检测芯片2放置于载物台37上，调整载物台37位置使液滴检测芯片2在高速摄像机上清晰成像。设定液滴流速为10μL/h，油相流速为200μL/h，将液滴注入液滴检测芯片2，打开激光器311，调整液滴检测芯片2位置使激光对准液滴检测芯片2的通道检测点。

打开光电倍增管323，设置信号分析处理软件42的触发阈值、光电倍增管的增益值，波形图显示触发阈值和液滴荧光强度值，如图6所示，图中横线为筛选阈值标记线，竖线为液滴荧光值。由此，在被检测的目标液滴的检测值超过预定的筛选阀值时，自动控制电筛选系统5对流经芯片2的目标液滴进行筛选。

为了公开的目的且除非有它特别说明，“一”意味着“一个或多个”。就在本说明书和权利要求书中所使用的术语“包括”或“包括的”来说，它将是非遍举的，这一定程度上类似于“包含”，因为那些术语在用作过渡连接词时是解释性的。此外，就所用的术语“或”来说(例如A或B)，它将意味着“A或B或这两者”。当申请人打算表明“仅A或B但非这两者”时，将会使用“仅A或B但非这两者”。因此，术语“或”的使用是包含的而非排他的。参见Bryan.A.Garner的《现代法律用语词典》624页(2d.Ed.1995)。还有就说明书或权利要求书所用的术语“在···中”或“在···内”来说，它们还打算有另外的意思“在····上”或“在····上面”。此外，就说明书或权利要求书中所用的术语“连接”来说，它将不仅意味着“直接连接到”，还意味着“间接连接到”，诸如通过另一部件或多个部件连接。如本文所用的“约”将会为本领域技术人员所理解并且将可根据它所使用的场合在一定程度上变化。如果该术语的使用对于本领域技术人员来说是不清楚的，那么“约”将意味着对特定术语至多加或减10％。从约X至Y将意味着从约X至约Y，在这里X,Y是具体值。

已参考上述实施方案具体示出并描述了本实用新型的示例性系统及方法，其仅为实施本系统及方法的最佳模式的示例。本领域的技术人员可以理解的是可以在实施本系统及/或方法时对这里描述的系统及方法的实施方案做各种改变而不脱离界定在所附权利要求中的本实用新型的精神及范围。所附权利要求意在界定本系统及方法的范围，故落入这些权利要求中及与其等同的系统及方法可被涵盖。对本系统及方法的以上描述应被理解为包括这里描述的全部的新的及非显而易见的元素的结合，而本申请或后续申请中可存在涉及任何新的及非显而易见的元素的结合的权利要求。此外，上述实施方案是示例性的，对于在本申请或后续申请中可以要求保护的全部可能组合中，没有一个单一特征或元素是必不可少的。

Claims (10)

1.一种使用液滴微流控芯片的高通量筛选设备，其特征是，包括：

机架；

构造成控制用于向所述液滴微流控芯片供应含液滴流体的流体供应装置的微流控制系统；

光电检测系统，具有限定出入射光路的入射光生成装置和限定出荧光光路的荧光检测装置；

构造成连接液滴微流控芯片以筛选流经所述液滴微流控芯片的液滴的电筛选系统；以及

构造成接收来自所述荧光检测装置的信号并将所述信号与预定阀值相比较并基于比较结果控制所述电筛选系统进行液滴筛选的一个或多个控制器。

2.根据权利要求1所述的高通量筛选设备，其特征是，所述荧光检测装置包括一个或多个成像透镜、带孔挡板和光电倍增器；所述带孔挡板的孔设置在荧光光路中的焦点上游。

3.根据权利要求2所述的高通量筛选设备，其特征是，所述带孔挡板的孔偏置于所述荧光光路的光轴设置。

4.根据权利要求2所述的高通量筛选设备，其特征是，在带孔挡板和光电倍增器之间还设置有附加的凸透镜。

5.根据权利要求2所述的高通量筛选设备，其特征是，所述光电检测系统包括由所述入射光生成装置和所述荧光检测装置共用的荧光显微镜主体，所述显微镜主体包括用于入射光路的激发光滤光片、用于荧光光路的发射光滤光片、二向色滤光片或第一分光片和邻近所述液滴微流控芯片设置的物镜。

6.根据权利要求5所述的高通量筛选设备，其特征是，

所述荧光检测装置包括荧光检测模块，所述荧光检测模块包括屏蔽罩和容纳在屏蔽罩中的所述带孔挡板和光电倍增器，所述荧光检测模块还包括容纳在所述屏蔽罩中的设置在所述带孔挡板上游的第二分光片和/或连接所述光电倍增器的数模转换器，所述屏蔽罩具有连接至所述显微镜主体的第一接口和用于连接摄像机或图像传感器的第二接口，所述第一接口与所述第二接口相对置且所述第二分光片设置在所述第一接口和第二接口之间；以及/或者

所述入射光生成装置包括连接至所述显微镜主体的激光器，所述激光器平行于荧光检测模块。

7.根据权利要求1至6之一所述的高通量筛选设备，其特征是，所述流体供应装置包括一个或多个注射器；所述微流控制系统包括用于分别驱动所述一个或多个注射器的一个或多个执行器和控制所述一个或多个执行器的微流控制器。

8.根据权利要求7所述的高通量筛选设备，其特征是，所述高通量筛选设备还包括用于支承所述一个或多个注射器的一个或多个承座；所述承座构造成使得所述注射器头朝上地被竖直或倾斜支承。

9.根据权利要求1至6之一所述的高通量筛选设备，其特征是，用于所述高通量筛选设备的所述液滴微流控芯片具有至少一个流体入口、两个或更多个流体出口、连通所述流体入口和流体出口的流道以及连接至电筛选系统的筛选电极，其中所述流道包括主流路和连接所述主流路和所述两个或更多个流体出口的两个或更多个分支流路；所述筛选电极具有正极和负极，筛选电极正极和负极的端部邻近所述主流路与分支流路的连接部位设置；所述液滴微流控芯片在所述筛选电极正极和负极的端部附近在上游设置有用于对准入射光路的标记。

10.根据权利要求1至6之一所述的高通量筛选设备，其特征是，所述电筛选系统包括高压放大器；所述高压放大器包括电源开关、与所述一个或多个控制装置相连接的信号输入端、高压输出端和接地端；其中，所述高压输出端和接地端构造成连接至液滴微流控芯片的筛选电极；以及/或者

所述一个或多个控制装置包括信号采集分析系统和控制箱，所述信号采集分析系统接收来自所述荧光检测装置的信号并将所述信号与预定阀值相比较，所述控制箱具有入射光生成装置开关和/或控制模块，荧光检测装置开关和/或控制模块，以及/或者电筛选系统控制模块，所述电筛选系统控制模块用于控制电筛选系统的筛选电压；以及/或者

所述机架为两层式机架，其中，所述微流控制系统放置在上层，所述光电检测系统和电筛选系统放置在下层，且所述光电检测系统是倒置式的并限定出用于支承所述液滴微流控芯片的顶部承载部以使得所述微流控制系统高于所述顶部承载部。