微缩流式细胞仪原型机及其配套微流控混合技术在减重力环境中的硬件演示

本实验的总体目标是在减重力抛物线飞行过程中，使用可适用于其他装置的组件准备和飞行中操作流程，操作一台微型化流式细胞仪。首先需谨慎选择市售及定制加工的组件，以确保在减重力环境下使用的便捷性与安全性；第二步是将这些组件组装到抛物线飞行测试平台中，该平台还包含用于固定、观察、自动化以及支持多次演示的附加部件。

接下来，团队通过周密的规划、方案制定和培训，为成功开展飞行中的实验做好准备。最后一步是在飞行过程中进行多组分的演示。最终，通过抛物线飞行测试，展示该技术在太空应用中的潜力，并确定失重、重力变化和振动对性能的影响。

尽管该方法可应用于流式细胞术及相关技术，但其部分步骤也可用于微重力环境下其他类型的个体化诊断检测，特别是涉及多个操作步骤或触发程序的实验。因此，我们决定为 JoVE 制作这段关于抛物线飞行测试的视频，因为在我们为与美国国家航空航天局（NASA）合作的抛物线飞行任务做准备时，几乎找不到多少视频资料，甚至相关文献也极为有限，无法指导如何最有效地为实验做准备。我们实际上不得不付出极大努力，联系 NASA 各部门的合适人员，才最终挖掘出这些信息。

在本例中，我们希望与《JoVE》的读者分享这些信息，以便他们也能为这类飞行任务做好充分准备。构建一个适用于微重力环境的简易流式细胞仪系统，需要多种流体、光学和电子原型组件。首先应准备一个重量轻、功耗低的压力系统，以驱动整个系统运行。

流体装置将微型空气泵连接至差压传感器。接下来，组装一个可在装载时避免截留空气的流体源容器。该容器为刚性塑料小瓶，带有弹性橡胶隔膜、可牢固密封的瓶盖，以及位于瓶底的进气管。

使用光学胶密封进气管路连接处。在帽出口管路上放置一个临时的载玻片夹，以防止插入帽时及插入后液体溢出。加载小瓶时，将注射器连接到进气口以扩张隔膜。

将液体倒入瓶内至顶部，然后以一定角度插入瓶盖，确保下方无空气滞留。短暂松开管夹以引出出口管路中的液体，释放隔膜产生的塌陷压力。确保泵对瓶内加压时无空气或液体泄漏。

压缩隔膜以驱动液体从毛细管出口管路中流出。所需的第三个组件是液体废液容器，用于收集废液，同时不会产生背压而影响液体流动。使用一个粘接在专为双重 containment 设计的容器内的小瓶。

使用带有固定泡沫海绵窗口的瓶盖密封样品管，该窗口可防止液体漂浮溢出，同时允许与舱内环境进行气压平衡，从而制成适用于微重力环境设备的样品加载装置，并设计一种带导轨的弹簧加载夹紧结构，使其能够可靠地将套管式毛细管夹紧在流体管路中的两个O形圈之间。确保在无毛细管的情况下，弹簧能将O形圈压紧贴合，以闭合流体通路，实现无泄漏的管路预充。设计一种不依赖动力机械子部件即可运行的微型混合器。

采用快速原型聚甲基丙烯酸甲酯方法，选择并制备一种双入口螺旋涡流微混合器，用于检测流动的单个颗粒。使用市售的光机械组件，将定制加工的掌上大小微型光学模块安装到显微镜光学平台板上。原型组装的最后一步是设计用于设备控制和数据采集的电子系统与软件。

为了方便和快速原型制作，可使用手工焊接的部件连接到市售的数据采集卡，并通过代码和程序，以及自定义软件来操作实验装置并同步所有数据。移除笔记本电脑的电池，并设置笔记本电脑仅通过电源线供电。出于失重飞行期间的安全考虑，为所有设备供电的电气方案必须包含一种能够快速且完全切断电子电源的机制。

在飞行中。一个带有单个开关按钮的电源插线板连接至飞机电源分配面板，以确保飞行过程中的成功运行。必须考虑可用的总空间，以及该空间将如何在实验装置区域和装置周围用户空间之间进行分配。可用的总空间比地面类似演示所用的空间更小。

确定哪些组件更适合在地面跪姿或站立高度进行操作。同时，还需考虑哪些组件最需要通过支撑结构来提供保护。此处的设备架支撑结构是一个垂直设备机架，能够承受飞行过程中的加速度，并可牢固地安装在目标飞机上。

将机舱地板上的组件分配至机架内的不同层级：顶层用于放置笔记本电脑，中层机架用于容纳原型子组件，底层则用于存放额外的擦拭巾、手套以及一个盛放杂物的废物容器。为了固定并容纳原型，同时便于观察样本，需要制造或改装多种非原型组件。这些组件包括一个定制的丙烯酸盒，用于容纳电子设备；以及一个带有手臂穿入孔的定制丙烯酸手套箱，以提供一个封闭的立方空间，用于演示装载操作，同时避免对飞行舱内环境造成污染。

为记录微混合器演示螺栓，将体视显微镜安装在面包板上，并配备定制的丙烯酸芯片支架和CCD相机。为安全演示光学模块，使用定制的不透明丙烯酸盒以屏蔽环境光并控制激光危害。一些简单的设计策略可消除对手动管路连接、飞行中调整或其他需要高度操作技巧的动作的需求。

例如，要同时对多个源文件加压，可使用定制设备对加压歧管进行操作，该歧管由一个中空圆柱体构成，并连接一个进样针和多个出液管路，以控制流体流动方向。通过计算机组装一个三通电磁阀面板，并通过连接至数据采集卡（DAQ卡）的串联MOSFET开关进行控制。

三通电磁阀具有一个公共端口，该端口始终与默认的关闭端口或开启端口相连。通过五伏信号触发进入开启状态的切换。已编程软件，通过单键操作（例如在笔记本电脑上单击一次）来切换阀门状态或改变泵的驱动压力，从而依次进行演示。

这避免了因手动调节管路可能导致的液体泄漏至环境中，以及在混乱环境中造成实验时间的损失。样本加载演示包括加载样本并将样本输送至光学检测模块（OB）进行检测。该装置在加载器之前和之后各使用一个阀门。

加载过程中，两个阀门均设置为关闭状态，以防止流体流动；使用加载器时，打开阀门会开启从生理盐水瓶通向废液瓶的流体 X 通路，使泵能够推动样品进行分析。光学模块演示包括对三种不同类型样品的顺序检测，无需手动更换管路连接，生理盐水可在样品之间冲洗系统。微混合器演示包括血液与生理盐水混合，以及蓝色与黄色染料混合的环节。

该装置使用两个阀门将压力引导至血液和生理盐水瓶或染料瓶，从而确保每次只有一个混合演示处于活动状态。另一个附加阀门可将气泡注入血液与生理盐水的混合芯片中。该系统必须能够承受飞行过程中可能发生的突然撞击、振动或乘客碰撞。

为实现准直稳定，对容易发生错位的已准直部件（尤其是光学元件）涂抹快干环氧树脂。必要时，在快干环氧树脂之上再涂工业级环氧树脂，以固定其他组件，包括用于物理扰动测试的CCD相机与显微镜I型部件的连接处。在所有组件安装到位后，摇动装置支撑结构。

在将实验装置暴露于扰动后，检查各个组件的功能，特别是针对飞行中意外情况校准的光学组件，包括飞机在实验过程中突然恢复水平飞行或装置突然受到外力冲击等情况。通过在机架上增加缓冲材料来保护处于失重状态的乘客。通过让多个人员担任主要操作员角色，对其进行培训，使其能够熟练地在飞行中操作设备。

在飞行过程中，无法预测谁会出现不适症状，且同一使用者可能在一次飞行中未受影响，而在另一次飞行中出现症状。在设备运抵飞行地点后，需检查装置，进行必要的修复，并在装载到飞机之前设置好管路连接。在每次飞行当天，准备并连接与当天演示相对应的样品管。

根据飞行地点的不同，需做好在高温环境以及设置与实验之间可能存在较长时间间隔的准备。为避免飞行中出现不适，可服用提供的药物，例如东莨菪碱与苯丙胺类药物，并利用前几个抛物线飞行阶段适应重力变化：在高重力期间缓慢沿地板平躺。一旦进入飞行位置，在接近指定抛物线空域时，应为装置操作人员预留足够空间，使其在高重力阶段能够平躺，并在抛物线飞行开始后能够接触到腿部绑带。

在微重力环境下，切勿对身体施加较大力量，因为这可能导致身体上升过快，从而在进行样本加载器演示时存在一定的危险性。当飞机进入微重力状态时，使用样本注射器将一滴计数微球染料混合液滴在指尖上；为模拟指尖采血样本，使用毛细管耗材从指尖吸取样本，并将样本加载到毛细管加载器中。

将样品注入光学系统进行检测。在显微镜下进行微流控混合器的演示设置。以1:1的比例混合血液与生理盐水，流速为1.52345，压力为6 PSI，每种条件至少进行两次抛物线测试。

录制与其他读数同步的视频数据。此处显示的是混合器演示的实际飞行画面。向生理盐水入口注入空气，以检测通道结构是否会截留气泡，从而影响最佳混合效果。混合。

在 1.52345 和六个 PSI 条件下，蓝色和黄色食用色素至少持续两个抛物线飞行阶段。再次说明，此处显示的同步记录数据代表了通过安装在体视显微镜上的 CCD 相机观察到的两次微混合实验的典型结果。图 A 显示在微重力条件下蓝色和黄色染料的混合情况，图 B 显示在月球重力条件下血液与生理盐水的混合情况。

在微重力飞行期间，可通过螺旋结构的任意位置以及出口通道，直观评估混合情况，从而演示光学阻断检测荧光标记白细胞的效果。流式细胞术数据的关键性能指标包括峰强度的变异系数、信噪比、峰计数率和检测效率，如图所示。光学阻断检测在从约1.5 G过渡到接近零G的过程中表现相对稳定，且在返回1.5 G的过渡过程中仍能持续正常工作。

在月球重力条件下演示加样器使用后，检测到已加载样品中掺入的荧光计数微球，表明样品已成功加载并到达光学检测模块。观看本视频后，您应能更好地理解如何在抛物线飞行期间进行设备测试并实现低重力环境，特别是了解哪些操作流程是可行的。周密的规划、元器件选择和测试实施均有助于确保您获得较高的实验成功率。