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简述流式细胞仪检测原理(一)

笔者苏洛 2018-8-29 12:00 AM 3629人围观 技术

流式细胞术(FlowCytometry,FCM)是以流式细胞仪为检测手段的一项能快速、精确的对单个细胞(或生物学颗粒)的理化特性进行多参数定量分析和分选的技术。而流式细胞仪(FlowCytometer)是集细胞与分子生物学、流体力学、激光技术、光电子技术、计算机技术、细胞荧光化学技术、单克隆抗体技术为一体的一种科技仪器。从流式细胞术的发明、发展直到今天在各个领域应用的拓展都是学科知识综合运用的结晶。


流式细胞仪的发展史

● 1934Moldavanl:Firsttry(固定式细胞分析-流动式);

●1953Crosland-Taylor:鞘流系统(解决难题);

●1956Coulter原理(血细胞计数器);

●1965Kamentsky:分光光度计定量细胞成分和散射光应用;

●1967Kamentsky等设计了细胞分选的装置;

●1969Vandilla等:第一台荧光检测细胞计(鞘流聚焦、激光);

●1972斯坦福大学:研制出荧光激活细胞分选仪(FACS);

●1973BD公司与斯坦福大学合作,研制生产第一台商用流式细胞仪-FACSⅠ。

●1975Kohler和Milstein:单克隆抗体技术(促进流式发展)。

……

流式细胞仪进入商品化时代,发展日新月异。


流式细胞仪的分类

流式细胞仪按照是否有高速分析功能,可分为分析型仪器(临床型)和分选型仪器(科研型)。分选型仪器在细胞分析的基础上增加了细胞分选系统,除了可以进行流式细胞分析以外,还可以进行高速细胞分选。


●分析型流式细胞仪:细胞样本分析后最终进入废液桶,不能回收利用。

●分选型流式细胞仪:既能流式分析,还能对分析的目的细胞进行分选;但由于进样管道较长,还需要保持无菌状态,所以分选型流式细胞仪一般只用于分选。


流式细胞仪的结构及功能

流式细胞仪主要由以下四部分组成:

●液流系统:流动室、液流驱动系统

●光学系统:激发光源、光束收集系统

●电子系统:光电转换器、数据处理系统

●细胞分选系统:喷嘴、电偏转板、样本收集器


(一)

液流系统

由于流式细胞仪的激发管理是固定的,一般与细胞悬液的轴心正交,这就要求细胞在必须在流经激光聚焦区时不能偏离其轴心,且不能聚集成团,阻塞管路,否则光束无法准确照射细胞中心,造成信号不稳定。流式细胞仪液流系统成功解决了上述问题

流体动力学聚焦示意图

A、鞘流技术:根据层流原理发展起来的技术,可以实现两种液体的同轴流动,样本细胞流位于轴心稳定流动,外面包裹有鞘液(sheath)。


B、流体动力学聚焦:稳定的液流从截面积较大的部分流入截面积较小的部分后,有一个聚焦收缩作用,细胞流直径被约束在10-20um,避免了多个细胞重叠进入检测区。


(二)

 光学系统

流式细胞仪通常以激光作为激发光源,经过聚焦整形后的光束垂直照射在样品流上,被荧光染色的细胞在激光束的照射下产生散射光和激发荧光。这两种信号同时被前向光电二极管和90°方向的光电倍增管(PMT)接收。荧光信号的接收方向与激光束垂直,经过一系列双色性反射镜和带通滤光片的分离,形成多个不同波长的荧光信号,经光电倍增管接收后可转换为电信号。

光学系统由激发光源和光束收集系统组成

A、 激发光源:激光器

●气体激光器:氩离子(488nm、355nm)、氦氖(633nm)、氪离子(647nm)、氪氩(568nm);

●染料激光器:如氩离子激光泵浦的Rhodomin6G水溶液染料激光器,发出550-650nm可变波长激发光;

●半导体激光器:价格低、结构简单、寿命长。

激光特点:单波长、高能量、小发射角、高稳定性光照。现在仪器常配有仪器选配2-4根激光器,波长多为488nm、633nm。


B、光信号收集系统:

是由若干组透镜、滤光片、小孔组成,他们分别将不同波长的光信号送入到不同的光信号检测器。光信收集系统的主要光学元件是滤光片,包括:

●长通滤片(LP):只允许特定波长以上的光束通过;

●短通滤片(SP):只允许特定波长以下的光束通过;

●带通滤片(BP):只允许一定波长范围内的光束通过。


(三)

电子系统

电子系统主要有3个功能:

1、将光学信号转换成电子信号

2、分析所输出的电子信号,以脉冲高度、宽度和积分面积显示

3、量化信号,并将其传至计算机。

光信号→电信号→数字信号

电子系统组成包括:

●光电检测器:将光信号转换成电子信号。

●前置放大电路:将信号等比例放大,输出电脉冲信号。

●模数转换器:将模拟的电脉冲信号转换成数字信号。

●数据处理系统:计算机系统数据采集、分析。

 

(1)流式细胞仪常用两类光电检测器:

光电二极管及光电倍增管,光电二极管(photodiode),光灵敏度低,测定强信号(FSC);光电倍增管(photomultiplier,PMT)光灵敏度高,测定弱信号(SSC,FL1,FL2,FL3,FL4)


(2)电信号两种放大方式

由于光信号比较弱,需将其等比例放大,方便计算机分析处理,一般信号的放大可以使用线性或对数两种方式。

一般FSC和SSC变异范围较小,故使用线性放大;荧光信号变异范围较大,多使用对数放大。

来源: : 医学实验—陆素萍 医大睿谷Rexplo
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