一种细胞分选有源数字微流控装置及其实现方法

1.本发明涉及医疗健康数据技术，具体涉及一种细胞分选有源数字微流控装置及其实现方法。


背景技术：

2.对于细胞的分选，尤其对于精子细胞的筛选尤为重要。精液因含有白细胞、上皮细胞和一些适合精子生活的营养物质，精子体积占比仅有10%，而且由于各种病理原因实际操作中有可能面临正常形态精子不足全部精子4%的情况，这对精子分选提出了较高的要求。因此研究一种操作简易快速，成本低廉，能够准确分离精子并且最大限度减少对精子的损害，保障精子活性的筛选平台尤为关键。
3.目前，临床上常用的精子筛选方法主要包括密度梯度离心法、直接上游法、简单洗涤法等。密度梯度离心法借助活动精子的运动能力和各类细胞的密度差异来分离精子，使精子在离心管底部形成松软的沉淀。该方法虽然精子回收率较高，结果稳定，但离心操作过多易导致精子dna过氧化损伤和断裂，造成精子质量降低等问题。直接上游法利用活动精子有向上游到培养液表层液面的运动能力，从而达到除去精浆及精浆内杂质从而获得纯净精子的目的。该方法虽然操作简便、成本低廉，但是回收率相对较低，时间较长，不适用处理精子较少的情况。简单洗涤法通过精子培养液将精液进行稀释，直接离心收集沉淀下来的精子团，这种方法虽然能够回收较多的精子，但分离效果较差可能会存在死精子和其他细胞碎片。除了这三种传统方法外，近年来一些较为新颖的精子筛选方法也被陆续提出，其中比较有代表性的是磁激活精子细胞分选法 (magnetic activated sperm cell sorting, macs)、玻尿酸结合法(hyaluronic acid binding) 以及形态学检查 (ultra morphological sperm assessment)。然而根据研究显示, 这些较为新颖的方法在有效性和稳定性方面仍有不足，整个过程存在操作繁琐重复、操作质量难控制且人为操作误差等问题。
4.数字微流控 (digital microfluidics, dmf)技术是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制（包括移动、合并、分配和分裂等操作）的新型液滴操纵技术，其利用液滴在疏水化表面上的介电润湿现象实现了对微液滴的精准操控。这种操纵方式具有高并行性和全自动化的特点，能够实现多通路实时可控反应。利用该项技术可以保障精子处于稳定的流体中，并能在无损伤情况下通过液滴的移动、分裂等步骤完成分离，通过对各液滴内精子的形态、运动状态的观察分析，可筛选出参数符合需要的精子。该项技术可以形成使精子自由运动的稳定流体，减少了人为操作，避免精子造成机械损伤，保障了精子的活性。并且该方案采用dmf技术在降低时间和成本的同时，能够实现较为精准的细胞分离，具有较高的精子回收率；同时该技术可以实现在机器视觉下完成自动分选工作，并能在捕获单个活力及形态较好的活体精子的同时，保存该精子的活力及形态信息，供临床使用及溯源；该项技术可以应用于精子库的筛选和检测，以及畜牧业的人工授精获得更多优质品种，并且在濒危物种的繁殖保护上面也可以发挥较大作用。在集成的dmf平台上分选精子操作较为简便，
相比于离心方法损伤较少，可以对筛选的结果进行实时的观察，在提升精子分选效率以及量化精子形态和运动方面都有极大的优势。


技术实现要素：

5.基于上述技术及需求，本发明提出了一种细胞分选有源数字微流控装置及其实现方法。
6.本发明的一个目的在于提出一种细胞分选有源数字微流控装置。
7.本发明的细胞分选有源数字微流控装置包括：微液滴操控芯片、行列地址控制器、摄像机、位移平台和上位机；其中，微液滴操控芯片连接至行列地址控制器，行列地址控制器连接至上位机；摄像机位于微液滴自动化操控芯片上方，微液滴操控芯片置于位移平台上；行列地址控制器、位移平台和摄像机连接至上位机；微液滴操控芯片包括上极板、下极板和导电垫片；下极板从下至上依次包括下基底、电极阵列、介电层和下疏水层；在下基底上设置电极阵列，电极阵列包括二维驱动电极阵列、地电极和接触电极；地电极接地；二维驱动电极阵列包括m行n列驱动电极和m根行导线和n根列导线，m和n为≥2的自然数，每一个驱动电极包括三线双向开关、电容和像素电极，三线双向开关包括第一主端子、栅极和第二主端子；在第i行第j列的驱动电极中，1≤i≤m，1≤j≤n，三线双向开关的第二主端子连接至电容的一端和像素电极，电容的另一端接地，三线双向开关的栅极连接至第i行导线，三线双向开关的第一主端子连接至第j列导线，m行导线和n列导线分别通过接触电极连接至行列地址控制器，第j列导线和第i行导线同时通电时，位于第i行第j列的像素电极通电，第j列导线断电同时第i行导线通电，位于第i行第j列的像素电极断电，从而控制对应的像素电极通断电；为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现通断电控制：第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制，然后第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制，第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制；在二维驱动电极阵列上覆盖介电层，在介电层上覆盖下疏水层，微液滴位于下疏水层上；上极板依次包括透明上基底、透明导电层和透明上疏水层，透明上基底、透明导电层和透明上疏水层均采用透明的材料，在上极板分别开设有一个或多个样品注射孔以及一个或多个样品移出孔，样品注射孔穿透透明上基板的下表面至透明上疏水层的上表面；上极板倒扣在下极板上，透明上疏水层朝下对着下极板的下疏水层，透明导电层通过导电垫片连接至地电极，导电垫片位于上极板的透明上疏水层与下极板的下疏水层之间；细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，并且能够在下疏水层与透明上疏水层之间流动；将细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，细胞悬浊液覆盖多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有细胞悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的细胞悬浊液位于摄像机的成像视野内，摄像机采集细胞悬浊液的图像，输入至上位机
中，上位机中存储有训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞；上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第i行第j列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第i行的像素电极通电，同时上和下各k行相间行的像素电极通电，即第i-2至i-k-1行以及第i+2至i+k+1行的像素电极通电，k为≥1的自然数，同时上和下相邻两行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯细胞悬浊液，使得细胞悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第i行的像素电极上；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞悬浊液所在第i行的第j列的像素电极以及左和右各两列相间列的像素电极通电，即第i行的第j-2至j-m-1列以及第j+2至j+m+1列的像素电极通电，m为≥1的自然数，同时左右相邻两列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯细胞悬浊液，使得位于第i行的像素电极上的细胞悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第i行第j列的像素电极上；上位机控制行列地址控制器对通向废液区路径上的像素电极依次通断电，将不含有靶细胞的细胞悬浊液收引入废液区；上位机设定含有靶细胞的细胞悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器含有靶细胞的细胞悬浊液所在的像素电极断电，位于移动路径上的下一个像素电极通电，通电的像素电极产生介电润湿力，含有靶细胞的细胞悬浊液在介电润湿力作用下移动到下一个像素电极，上位机控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通断电，驱使含有靶细胞的细胞悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的细胞悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；指定位置的样品移出孔通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵，将挑选得到的靶细胞通过样品移出孔移出芯片，最终获得只含有靶细胞的细胞悬浊液，用于后续应用。
8.下基底采用玻璃、硅、纸、聚脂薄膜及pcb（印刷电路板）中的一种；上基底为透明的材料玻璃或亚克力板；介电层用于累计电荷，防止液滴操作过程中击穿电极，介质层的材料采用聚对二甲苯、su-8光刻胶、sio2、si3n4、al2o3、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯；下疏水层和上疏水层采用透明的材料，teflon（特氟龙）、cytop（氟树脂）分散液或fluoropel（氟胶）通过旋涂和烘烤工艺固结。
9.导电垫片设置在上疏水层与下疏水层之间，用来支撑上极板，在下极板的地电极的上表面设置导电垫片，导电垫片为对称条状布置、多个中心对称布置或环形布置，上极板的上疏水层位于导电垫片上；在上疏水层对应导电垫片处开设有通孔，透明导电层通过导线经过通孔连接至导电垫片；透明导电层采用氧化铟锡；导电垫片采用导电胶带或混有导电微球的胶体制成，导电胶带厚度为0.1μm~500μm，导电微球直径为0.1μm~500μm。
10.像素电极、地电极和接触电极采用多晶硅、金属及金属氧化物中的一种；像素电极的尺寸为0.1μm
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0.1μm~500μm
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500μm。微液滴的尺寸为1nl-125μl。i-k-1≥1，i+k+1≤m；j-m-1≥1，j+m+1≤n。
11.本发明针对的细胞为动物或人员细胞，如精子细胞、循环瘤细胞、杂交瘤b细胞、t细胞或nk细胞等。
12.本发明的另一个目的在于提出一种细胞分选有源数字微流控装置的实现方法。
13.本发明的细胞分选有源数字微流控装置的实现方法，包括以下步骤：1) 将细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，细胞悬浊液覆盖
多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有细胞悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；2) 通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的细胞悬浊液位于摄像机的成像视野内，摄像机透过透明的上极板采集样品的图像；3) 摄像机将采集到细胞悬浊液的图像，输入至上位机中；4) 上位机中存储有训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞；5) 上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第i行第j列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第i行的像素电极通电，同时上和下各k行相间行的像素电极通电，即第i-2至i-k-1行以及第i+2至i+k+1行的像素电极通电，k为≥1的自然数，同时上和下相邻两行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯细胞悬浊液，使得细胞悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第i行的像素电极上；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞悬浊液所在第i行的第j列的像素电极以及左和右各两列相间列的像素电极通电，即第i行的第j-2至j-m-1列以及第j+2至j+m+1列的像素电极通电，m为≥1的自然数，同时左右相邻两列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯细胞悬浊液，使得位于第i行的像素电极上的细胞悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第i行第j列的像素电极上；6) 上位机控制行列地址控制器对通向废液区路径上的像素电极依次通断电，将不含有靶细胞的细胞悬浊液收引入废液区；7) 上位机设定含有靶细胞的细胞悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器将含有靶细胞的细胞悬浊液所在的像素电极断电，位于移动路径上的下一个像素电极通电，通电的像素电极产生介电润湿力，含有靶细胞的细胞悬浊液在介电润湿力作用下移动到下一个像素电极，上位机控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通断电，驱使含有靶细胞的细胞悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的细胞悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；8) 指定位置的样品移出孔通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵，将挑选得到的靶细胞通过样品移出孔移出芯片，最终获得只含有靶细胞的细胞悬浊液，用于后续应用。
14.对于多个细胞悬浊液的细胞挑选，按照上述过程，在数字微流控芯片的不同区域并行操作。
15.其中，在步骤4）中，上位机按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞作为靶细胞，包括以下步骤：i.采集多张（五百张以上）细胞的图像，构成细胞数据集；ii.基于神经网络，建立细胞目标检测模型和实例分割模型；iii.基于细胞的运动学特征和形态学特征，建立细胞评估模型；iv.通过细胞数据集分别训练细胞目标检测模型、实例分割模型和细胞评估模型，输入为细胞数据集，输出为细胞的形貌特征和运动特征；
v.摄像机采集细胞图像，输入至训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征；vi.设定细胞的形貌特征和运动特征的阈值，并按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞。
16.在步骤5）中，施加在像素电极的电压为5v~150v。
17.为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现移动路径上的像素电极的通断电控制，包括以下步骤：i.第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制；ii.第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制；iii.第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制。
18.本发明的优点：本发明通过行列地址控制器，对像素电极进行行列扫描控制，该方法减少了驱动电极数量并解决了像素电极间复杂的走线问题；基于二维驱动电极阵列对离散的微液滴实现实时驱动控制，精度高；依据细胞的形态和运动特征，实现高通量单细胞并行挑选；在细胞样本相对稀少和珍贵的情况下，本发明能够对微液滴中的全部细胞进行智能自动化遍历挑选，在保证分选细胞的活性的基础上，简化了细胞挑选工作流程中繁琐的手工操作步骤，以标准化和流程化的方式为单细胞分选，特别是为精子的精准挑选提供了一种灵活、高效的实现途径；与传统微通道中单细胞液滴生成方法相比，本发明的单细胞液滴生成方法不仅不受物理微通道和结构的限制，而且微液滴的运动路径和体积也能够灵活设定；本发明通过可编程的像素电极独立操控含有单细胞的微液滴，并能够基于视觉系统为每个挑选的单细胞分配一个电子代码，而无需传统条形码进行靶细胞标定与追踪。
附图说明
19.图1为本发明的精子分选有源数字微流控装置的结构框图；图2为本发明的精子分选有源数字微流控装置的一个实施例的微液滴操控芯片的剖面图；图3为本发明的精子分选有源数字微流控装置的一个实施例的微液滴操控芯片的一个驱动电极的示意图；图4为本发明的精子分选有源数字微流控装置的一个实施例驱动含有靶细胞的精子悬浊液移动的示意图，其中（a）~（f）分别为识别、行分离的像素电极通断电控制、行分离、列分离的像素电极通断电控制、列分离及分离后液滴移动路径和继续分选的结果示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
21.如图1所示，本实施例的细胞分选有源数字微流控装置包括：微液滴操控芯片、行列地址控制器、摄像机、位移平台和上位机；其中，微液滴操控芯片连接至行列地址控制器，
行列地址控制器连接至上位机；摄像机位于微液滴自动化操控芯片上方，微液滴操控芯片置于位移平台上；行列地址控制器、位移平台和摄像机连接至上位机；如图2所示，微液滴操控芯片包括上极板、下极板和导电垫片；下极板从下至上依次包括下基底6、电极阵列、介电层5和下疏水层4；在下基底上设置电极阵列，电极阵列包括二维驱动电极7阵列、地电极8和接触电极；地电极接地；二维驱动电极阵列包括m行n列驱动电极和m根行导线和n根列导线，m和n为≥2的自然数，每一个驱动电极包括三线双向开关、电容和像素电极7.1，三线双向开关包括第一主端子、栅极和第二主端子；如图3所示，在第i行第j列的驱动电极中，1≤i≤m，1≤j≤n，三线双向开关的第二主端子连接至电容的一端和像素电极，电容的另一端接地，三线双向开关的栅极连接至第i行导线，三线双向开关的第一主端子连接至第j列导线，m行导线和n列导线分别通过接触电极连接至行列地址控制器，第j列导线和第i行导线同时通电时，位于第i行第j列的像素电极通电，第j列导线断电同时第i行导线通电，位于第i行第j列的像素电极断电，从而控制对应的像素电极通断电；为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现通断电控制：第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制，然后第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制，第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制；在二维驱动电极阵列上覆盖介电层，在介电层上覆盖下疏水层，微液滴位于下疏水层上；上极板依次包括透明上基底1、透明导电层和透明上疏水层2，透明上基底、透明导电层和透明上疏水层均采用透明的材料，在上极板开设有多个样品注射孔10和多个样品移出孔11，样品注射孔和样品移出孔均穿透透明上基板的下表面至透明上疏水层的上表面；上极板倒扣在下极板上，透明上疏水层朝下对着下极板的下疏水层，透明导电层通过导电垫片3连接至地电极，导电垫片位于上极板的透明上疏水层与下极板的下疏水层之间；精子悬浊液9通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，并且能够在下疏水层与透明上疏水层之间流动；上极板的透明上疏水层与下极板的下疏水层之间填充有防止蒸发的液体12；本实施例针对精子细胞进行筛选，将精子悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，精子悬浊液覆盖多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有精子悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的精子悬浊液位于摄像机的成像视野内，摄像机采集精子悬浊液的图像，输入至上位机中，上位机中存储有训练好的模型，得到精子的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的精子，作为靶细胞；上位机为靶细胞配置唯一的电子代码，用于靶细胞标定与追踪；如图4所示，上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第三行第四列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第三行的像素电极通电，同时上一行和下两行相间行的像素电极通电，即第一行以及第五和六行的像素电极通电，同时上和下相邻两行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯精子悬浊液，使得精子悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第三行的像素电极上，图3中，“on”表示像素
电极通电，“off”表示像素电极断电；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶精子悬浊液所在第三行的第四列的像素电极以及左两列和右一列相间列的像素电极通电，即第一和二列以及第六列的像素电极通电，同时左右相邻两列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯精子悬浊液，使得位于第三行的像素电极上的精子悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第三行第四列的像素电极上；上位机控制行列地址控制器对像素电极通断电，将不含有靶细胞的精子悬浊液收引入废液区；上位机设定含有靶细胞的精子悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通电，驱使含有靶细胞的精子悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的精子悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；对于多个精子悬浊液的精子挑选，按照上述过程，在数字微流控芯片的不同区域并行操作；含有靶细胞的精子悬浊液在指定位置的样品移出孔处通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵移出微液滴操控芯片，最终获得只含有靶细胞的精子悬浊液，用于后续的病理学分析、辅助生殖或细胞注射等应用。
22.在本实施例中，下基底和上基底采用玻璃；介质层的材料采用聚对二甲苯；下疏水层和上疏水层采用特氟龙，通过旋涂和烘烤工艺固结；像素电极、地电极和接触电极采用金属铬；像素电极的尺寸为60μm
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60μm；透明导电层采用氧化铟锡；导电垫片采用导电胶带，其厚度为10μm。
23.本实施例的细胞分选有源数字微流控装置的实现方法，对精子细胞进行筛选，包括以下步骤：1) 将精子悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，精子悬浊液覆盖多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有精子悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；2) 通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的精子悬浊液位于摄像机的成像视野内，摄像机透过透明的上极板采集样品的图像；3) 摄像机将采集到精子悬浊液的图像，输入至上位机中；4) 上位机中存储有训练好的模型，得到精子的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的精子，作为靶细胞；上位机为靶细胞配置唯一的电子代码，用于靶细胞标定与追踪；5) 上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第三行第四列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第三行的像素电极通电，同时上一行和下两行相间行的像素电极通电，即第一行以及第五和六行的像素电极通电，同时上和下相邻两行即第二行和第四行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯精子悬浊液，使得精子悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第三行的像素电极上；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶精子悬浊液所在第三行的第四列的像素电极以及左和右各两列相间列的像素电极通电，即第四列的像素电极以及左两列和右一列相间列的像素电极通电，即第三行的第一和二列以及第六列的像素电极通电，同时左右相邻两列即第三列和第五列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯精子悬浊液，使得位于第三行的像素电
极上的精子悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第三行第四列的像素电极上；6) 上位机控制行列地址控制器对通向废液区路径上的像素电极依次通断电，将不含有靶细胞的精子悬浊液收引入废液区；7) 上位机设定含有靶细胞的精子悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器含有靶细胞的精子悬浊液所在的像素电极断电，位于移动路径上的下一个像素电极通电，通电的像素电极产生介电润湿力，含有靶细胞的精子悬浊液在介电润湿力作用下移动到下一个像素电极，上位机控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通断电，驱使含有靶细胞的精子悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的精子悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；对于多个精子悬浊液的精子挑选，按照上述过程，在数字微流控芯片的不同区域并行操作；8) 指定位置的样品移出孔通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵，将挑选得到的靶细胞通过样品移出孔移出芯片，最终获得只含有靶细胞的精子悬浊液，用于后端的病理学分析、辅助生殖或细胞注射等应用。
24.其中，在步骤4）中，上位机按照设定的阈值挑选出符合要求的精子作为靶细胞，包括以下步骤：i.采集五百张以上精子的图像，构成精子数据集；ii.基于神经网络，建立精子目标检测模型和实例分割模型；iii.基于精子的运动学特征和形态学特征，建立精子评估模型；iv.通过精子数据集分别训练精子目标检测模型、实例分割模型和精子评估模型，输入为精子数据集，输出为精子的形貌特征和运动特征；v.摄像机采集精子图像，输入至训练好的模型，得到精子的形貌特征和运动特征；vi. 按照设定的阈值挑选出符合要求的精子，作为靶细胞。
25.在步骤6）中，为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现移动路径上的像素电极的通断电控制，包括以下步骤：i.第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制；ii.第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制；iii.第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制。
26.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

技术特征：
1.一种细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述细胞分选有源数字微流控装置包括：微液滴操控芯片、行列地址控制器、摄像机、位移平台和上位机；其中，微液滴操控芯片连接至行列地址控制器，行列地址控制器连接至上位机；摄像机位于微液滴自动化操控芯片上方，微液滴操控芯片置于位移平台上；行列地址控制器、位移平台和摄像机连接至上位机；微液滴操控芯片包括上极板、下极板和导电垫片；下极板从下至上依次包括下基底、电极阵列、介电层和下疏水层；在下基底上设置电极阵列，电极阵列包括二维驱动电极阵列、地电极和接触电极；地电极接地；二维驱动电极阵列包括m行n列驱动电极和m根行导线和n根列导线，m和n为≥2的自然数，每一个驱动电极包括三线双向开关、电容和像素电极，三线双向开关包括第一主端子、栅极和第二主端子；在第i行第j列的驱动电极中，1≤i≤m，1≤j≤n，三线双向开关的第二主端子连接至电容的一端和像素电极，电容的另一端接地，三线双向开关的栅极连接至第i行导线，三线双向开关的第一主端子连接至第j列导线，m行导线和n列导线分别通过接触电极连接至行列地址控制器，第j列导线和第i行导线同时通电时，位于第i行第j列的像素电极通电，第j列导线断电同时第i行导线通电，位于第i行第j列的像素电极断电，从而控制对应的像素电极通断电；为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现通断电控制：第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制，然后第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制，第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制；在二维驱动电极阵列上覆盖介电层，在介电层上覆盖下疏水层，微液滴位于下疏水层上；上极板依次包括透明上基底、透明导电层和透明上疏水层，透明上基底、透明导电层和透明上疏水层均采用透明的材料，在上极板分别开设有一个或多个样品注射孔以及一个或多个样品移出孔，样品注射孔穿透透明上基板的下表面至透明上疏水层的上表面；上极板倒扣在下极板上，透明上疏水层朝下对着下极板的下疏水层，透明导电层通过导电垫片连接至地电极，导电垫片位于上极板的透明上疏水层与下极板的下疏水层之间；细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，并且能够在下疏水层与透明上疏水层之间流动；将细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，细胞悬浊液覆盖多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有细胞悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的细胞悬浊液位于摄像机的成像视野内；摄像机采集细胞悬浊液的图像，输入至上位机中；上位机中存储有训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞；上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第i行第j列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第i行的像素电极通电，同时上和下各k行相间行的像素电极通电，即第i-2至i-k-1行以及第i+2至i+k+1行的像素电极通电，k为≥1的自然数，同时上和下相邻两行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯细胞悬浊液，使得细胞悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶
细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第i行的像素电极上；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞悬浊液所在第i行的第j列的像素电极以及左和右各两列相间列的像素电极通电，即第i行的第j-2至j-m-1列以及第j+2至j+m+1列的像素电极通电，m为≥1的自然数，同时左右相邻两列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯细胞悬浊液，使得位于第i行的像素电极上的细胞悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第i行第j列的像素电极上；上位机控制行列地址控制器对通向废液区路径上的像素电极依次通断电，分别将不含有靶细胞的细胞悬浊液收引入废液区；上位机设定含有靶细胞的细胞悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器含有靶细胞的细胞悬浊液所在的像素电极断电，位于移动路径上的下一个像素电极通电，通电的像素电极产生介电润湿力，含有靶细胞的细胞悬浊液在介电润湿力作用下移动到下一个像素电极，上位机控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通断电，驱使含有靶细胞的细胞悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的细胞悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；指定位置的样品移出孔通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵，将挑选得到的靶细胞通过样品移出孔移出，最终获得只含有靶细胞的细胞悬浊液，用于后续应用。2.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述像素电极、地电极和接触电极采用多晶硅、金属和金属氧化物中的一种。3.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述像素电极的尺寸为1μm
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1μm~500μm
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500μm。4.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述导电垫片设置在上疏水层与下疏水层之间，用来支撑上极板，在下极板的地电极的上表面设置导电垫片。5.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，在所述上疏水层对应导电垫片处开设有通孔，透明导电层通过导线经过通孔连接至导电垫片。6.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述下基底采用玻璃、硅、纸、聚脂薄膜及印刷电路板中的一种；上基底为透明的材料。7.如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置，其特征在于，所述下疏水层和上疏水层采用透明的疏水材料。8.一种如权利要求1所述的细胞分选有源数字微流控装置的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：1) 将细胞悬浊液通过样品注射孔注入至下极板的下疏水层上，细胞悬浊液覆盖多行多列的像素电极，在下极板上不覆盖有细胞悬浊液且位于下极板的边缘区域作为废液区；2) 通过上位机控制位移平台带动微液滴操控芯片移动，使得位于下疏水层与透明上疏水层之间的细胞悬浊液位于摄像机的成像视野内，摄像机透过透明的上极板采集样品的图像；3) 摄像机将采集到细胞悬浊液的图像，输入至上位机中；4) 上位机中存储有训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征，按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞；5) 上位机根据摄像机的图像获取的靶细胞的位置，位于第i行第j列的像素电极上，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞所在第i行的像素电极通电，同时上和下各k行相间行
的像素电极通电，即第i-2至i-k-1行以及第i+2至i+k+1行的像素电极通电，k为≥1的自然数，同时上和下相邻两行的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向上下两侧拉扯细胞悬浊液，使得细胞悬浊液沿上下方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成沿行分布的长条状并位于第i行的像素电极上；并且，上位机通过行列地址控制器控制靶细胞悬浊液所在第i行的第j列的像素电极以及左和右各两列相间列的像素电极通电，即第i行的第j-2至j-m-1列以及第j+2至j+m+1列的像素电极通电，m为≥1的自然数，同时左右相邻两列的像素电极断电，通电的像素电极产生介电润湿力，分别向左右两侧拉扯细胞悬浊液，使得位于第i行的像素电极上的细胞悬浊液沿左右方向分裂成三部分，含有靶细胞的悬浊液形成微液滴并位于第i行第j列的像素电极上；6) 上位机控制行列地址控制器对通向废液区路径上的像素电极依次通断电，将不含有靶细胞的细胞悬浊液引入废液区；7) 上位机设定含有靶细胞的细胞悬浊液的移动路径，然后控制行列地址控制器含有靶细胞的细胞悬浊液所在的像素电极断电，位于移动路径上的下一个像素电极通电，通电的像素电极产生介电润湿力，含有靶细胞的细胞悬浊液在介电润湿力作用下移动到下一个像素电极，上位机控制行列地址控制器分别对位于移动路径上的像素电极依次通断电，驱使含有靶细胞的细胞悬浊液按照设定的移动路径移动，直至将含有靶细胞的细胞悬浊液移动至指定位置的样品移出孔；8) 指定位置的样品移出孔通过移液枪或者通过连接管连接至负压泵，将挑选得到的靶细胞通过样品移出孔移出芯片，最终获得只含有靶细胞的细胞悬浊液，用于后续应用。9.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤4）中，上位机按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞作为靶细胞，包括以下步骤：i.采集多张细胞的图像，构成细胞数据集；ii.基于神经网络，建立细胞目标检测模型和实例分割模型；iii.基于细胞的运动学特征和形态学特征，建立细胞评估模型；iv.通过细胞数据集分别训练细胞目标检测模型、实例分割模型和细胞评估模型，输入为细胞数据集，输出为细胞的形貌特征和运动特征；v.摄像机采集细胞图像，输入至训练好的模型，得到细胞的形貌特征和运动特征；vi.设定细胞的形貌特征和运动特征的阈值，并按照设定的阈值挑选出符合要求的细胞，作为靶细胞。10.如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，在步骤5）中，为避免多列并行控制的信号串扰同时提升扫描效率，二维驱动电极阵列通过逐列扫描的方式驱动像素电极，实现移动路径上的像素电极的通断电控制，包括以下步骤：i.第j列导线断电同时对j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极所在的行导线通电，实现第j列中需要由通电状态切换为断电状态的像素电极断电控制；ii.第j列导线通电同时第j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极所在的行导线通电，实现j列中需要由断电状态切换为通电状态的像素电极的通电控制；iii.第j列中不需要通断电状态切换的像素电极所在的行导线始终保持断电，从而控制第j列的像素电极的通断电状态刷新，通过逐列扫描，实现二维像素电极阵列中像素电极的通断电控制。

技术总结
本发明公开了一种细胞分选有源数字微流控装置及其实现方法。本发明通过行列地址控制器，对像素电极进行行列扫描控制，基于二维驱动电极阵列对离散的微液滴实现实时驱动控制且精度高；依据细胞的形态和运动特征，实现高通量单细胞并行挑选；本发明能够对微液滴中的全部细胞进行智能自动化遍历挑选，在保证分选细胞的活性的基础上，简化了细胞挑选工作流程中繁琐的手工操作步骤，以标准化和流程化的方式为单细胞分选，特别是精子的精准挑选提供了一种灵活、高效的实现途径；不仅不受物理微通道和结构的限制，而且微液滴的运动路径和体积也能够灵活设定。也能够灵活设定。也能够灵活设定。


技术研发人员：张帅龙 李凤刚 郭宗良 侯佳禄 符荣鑫 李航 覃珊 胡汉奇 毛亚楠 杜诗祺
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/12