流式細胞術(shù)是一種廣泛而強大的技術(shù)，其分辨率取決于其準確區(qū)分熒光陽性人群和陰性人群的能力。然而，在進行常規(guī)流式細胞術(shù)的測量時，大多數(shù)信息豐富的結(jié)果都被丟棄了，例如未純化生物樣本中標記的外泌體的細胞大小、形狀、形態(tài)和分布或位置。在此，我們提出了一種使用具有各向異性特征的抗衍射光片來激發(fā)熒光標簽的新方法。由抗衍射貝塞爾-高斯光束陣列組成，光片為12μm長，12μm高，厚度約為0.8μm。因此，激發(fā)熒光信號的強度分布可以反映尺寸，并允許樣品在0至10μm通過微流控芯片中的流體動力學聚焦進行運輸。采樣率為500 kHz，在不犧牲空間分辨率的情況下提供高吞吐量的能力。因此，所提出的抗衍射光片流式細胞術(shù)（ADLSFC）可以獲得比傳統(tǒng)方法更具信息量的結(jié)果，并且能夠提供多種特征，有助于將目標樣品與復雜背景區(qū)分開。
流式細胞術(shù)（FC）是一種強大的分析技術(shù)，能夠快速分析流過單個或多個激光截距點的溶液中的細胞和顆粒。由于其計數(shù)、表征和分類細胞的能力，它已被廣泛應(yīng)用于細胞分析和疾病診斷。
在過去的三十年里，世界各地的幾個研究小組參與了微流控流式細胞術(shù)的研究。已經(jīng)開發(fā)了各種類型的流式細胞儀，包括聲聚焦細胞儀、細胞分選儀、成像細胞儀、質(zhì)量細胞儀和用于珠陣列分析的細胞儀。聲聚焦細胞術(shù)使用超聲波來幫助聚焦細胞進行激光詢問。優(yōu)點是它不需要高速或大體積的鞘流。然而，它的吞吐量低，設(shè)備復雜龐大。細胞分選機通過液體樣品流的高頻振蕩產(chǎn)生液滴來分離細胞。然后，液滴被賦予正電荷或負電荷，并穿過金屬偏轉(zhuǎn)板。最終，它們會根據(jù)電荷被引導到特定的收集容器。細胞分選機具有高分離純度和靈活性，但它沒有樣本詳細信息。
結(jié)合熒光顯微鏡，成像流式細胞術(shù)（IFC）允許在單細胞水平上快速分析生物樣本的形態(tài)和多參數(shù)熒光，而IFC的高空間分辨率只能通過犧牲吞吐量來實現(xiàn)，即每秒分析的生物樣本數(shù)量。例如，使用電荷耦合器件（CCD）對一個細胞成像所需的時間跨度可以短至1ms，這意味著最大吞吐量僅為每秒1000個細胞。此外，IFC需要較大的存儲空間，分析時間較長。
質(zhì)譜儀結(jié)合了飛行時間質(zhì)譜和流式細胞術(shù)。細胞用重金屬離子標記的抗體（通常來自鑭系元素家族）而不是熒光抗體標記，并使用飛行時間質(zhì)譜法檢測。由于不使用熒光標記，因此不需要光補償。然而，樣本細胞被破壞，無法在下游進行分析。使用細胞儀進行珠陣列分析是一種檢測特異性結(jié)合到樣品上的熒光珠的技術(shù)。通過評估熒光強度，可以量化與珠子相關(guān)的樣品數(shù)量。
傳統(tǒng)的流式細胞術(shù)通?！绑w積龐大”，分離純度相對較低[1]。隨著微流體和微型技術(shù)的快速發(fā)展，在過去的十年里，便攜式、高度集成和易于操作的流動系統(tǒng)得到了發(fā)展。例如，Jiang等人通過耦合電動誘導的壓力驅(qū)動流進行熒光顆粒計數(shù)，設(shè)計了一種小型化的雙波長熒光檢測芯片。Kanwa等人使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造了一種形狀像葫蘆的微流體裝置，用于捕獲和定量分析染色的外泌體。Lee等人提出了一種聲學納米過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)以連續(xù)和非接觸的方式分離特定尺寸的微囊泡。這些新的細胞檢測設(shè)備豐富了流式細胞儀設(shè)備家族。
然而，F(xiàn)C的性能是關(guān)鍵參數(shù)之一對其他參數(shù)的折衷，從而限制了它的應(yīng)用。生物樣本的形態(tài)特征通常是幫助區(qū)分一個群體與另一個群體的關(guān)鍵參數(shù)之一。例如，大腸桿菌是一種典型的革蘭氏陰性桿菌，其長度在1到幾十微米之間，反映出獨特的活性。在采用橢圓形和球形焦斑的傳統(tǒng)FC中，無法檢測到細胞在通過截距點時的大小、形狀和方向的差異，這使得區(qū)分活性細胞變得困難。相比之下，當非球形物體經(jīng)過時，具有大縱橫比的焦斑（例如，光片）會產(chǎn)生獨特的強度分布（圖1）。Miura等人將光片實現(xiàn)為定制的IFC，旨在將每個圖像像素的熒光強度提高約10倍。據(jù)我們所知，這些研究人員都沒有利用高縱橫比的焦斑來提高FC的空間分辨率。

在這項研究中，我們設(shè)計了一種新型的流式細胞術(shù)系統(tǒng)，使用高度各向異性和抗衍射的光片（ADLS）作為激光攔截點。ADLS是由空間光調(diào)制器（SLM）通過條紋分裂相位（SSP）方法產(chǎn)生的平行且緊密排列的貝塞爾-高斯光束形成的。貝塞爾-高斯光束是一種具有矢量偏振的光束。它具有幾個驚人的特性，例如抗衍射、自愈、大焦深和低干涉，即使其中兩個是平行且緊密放置的。因此，可以使用具有大面積和良好均勻性的貝塞爾-高斯光束陣列來生成ADLS。此外，自我修復功能使ADLS在通過復雜解決方案時不會失真。在目前的研究中，ADLS的尺寸為12μm長，12μm寬，0.8μm厚度。該規(guī)范使我們能夠以亞微米的空間分辨率測量大型和小型物體。穿過不同大小、分布甚至姿態(tài)的物體會產(chǎn)生不同的強度分布，可以對其進行計數(shù)和分析。對于傳統(tǒng)FC來說，這是無法實現(xiàn)的。結(jié)合光電倍增管和高速數(shù)據(jù)采集模塊，500 kHz可以容易地實現(xiàn)采樣率。最大計數(shù)率可以是每秒至少104個事件。因此，所提出的方法大大提高了傳統(tǒng)FC的空間分辨率，適用于對具有復雜物理和化學特征的生物樣本進行分選和分析。
系統(tǒng)設(shè)置
實驗系統(tǒng)如圖2a所示。在這個實驗中，473nm，連續(xù)波激光器作為光源。激光束首先被空間濾光片過濾，然后被擴束器準直。通過分束器進一步調(diào)整光束，和偏振器。穿過偏振器后，線偏振光束的方向與SLM的液晶的方向平行。調(diào)制光束進一步被引導到倒置熒光顯微鏡系統(tǒng)中，并用物鏡聚焦，以在焦點處產(chǎn)生ADLS。顯微鏡有一組濾光片，包括二向色鏡和帶通濾波器，從激發(fā)光中提取熒光。

使用流式細胞術(shù)制造的微流控芯片中的ADLS實現(xiàn)顆粒檢測、測量和分析（圖2a插圖）。微芯片有三個入口。A和C入口用于水流，而B入口用于樣品溶液。這三種溶液在接頭O處接觸，并在下游形成鞘流。微通道AO、BO和CO為100μm寬度為10μm在高度上。試驗箱，即DO部分，為50μm寬度為10μm在高度上。
微流控芯片的空間位置由納米壓電臺改變，使ADLS位于微通道的中心。當熒光顆粒以給定速度通過ADLS時，ADLS激發(fā)熒光顆粒發(fā)出熒光。熒光信號依次通過帶通濾波器和二向色鏡，然后被探測器捕獲。使用顯微鏡中的分束器，20%的熒光被SCMOS相機捕獲，以監(jiān)測ADLS。剩余的80%熒光被聚焦到光纖中，并用光電倍增管（PMT）。ADLS被放置在測試室中，以檢測射流中的樣品，如圖2c、d所示。相比之下，零階光點被聚焦到鞘流中。只有通過ADLS的樣品的熒光才能聚焦到光纖中。零級光激發(fā)的可能熒光已被阻斷。
PMT與放大器結(jié)合，將熒光信號轉(zhuǎn)換為電信號。然后，在嵌入式板上的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器收集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字原始數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)最終被發(fā)送到計算機進行處理和分析。系統(tǒng)的采樣率高達500 kHz.
微流控芯片的制備
根據(jù)圖3所示的程序，通過使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）的軟光刻技術(shù)制造微通道。首先在硅晶片上使用負性光致抗蝕劑SU-8 3025制造溝道層。10分鐘后在預烘烤過程中，使用接觸掩模對準器將涂有光致抗蝕劑的晶片暴露于紫外光下。后烘烤后通過開發(fā)，得到了模板。隨后使用PDMS復制模板的結(jié)構(gòu)。PDMS微通道進一步粘合到載玻片上，并沖壓有入口和出口，以形成所需的微流體芯片。

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審核編輯 黃宇