客户成果丨华中科技大学Analytical Chemistry：集成光声流控分选器实现数据高效数字光子计数检测

华中科技大学机械科学与工程学院廖广兰教授、刘智勇副教授团队在声流控细胞分选研究中取得最新进展。相关成果以 “Integrated Opto-Acoustofluidic Sorter with Data-Efficient Digital Photon Counting” 为题，发表在 Analytical Chemistry 上。

该研究面向荧光激活细胞分选中光路对准复杂、模拟信号采集负担重等问题，提出一种集成光声流控分选器，将片上光纤检测、数字光子计数和聚焦行波声表面波（focused traveling surface acoustic waves, FTSAW）驱动结合起来，为紧凑型、易操作的单细胞分析平台提供了新的实现路径。

摘要：研究背景与创新点

荧光激活细胞分选（fluorescence-activated cell sorting, FACS）是生物研究、临床诊断和单细胞分析中的重要工具，可根据细胞特异性荧光信号实现目标细胞分离。传统 FACS 设备通常依赖自由空间光路、高速模拟采集和复杂硬件滤波，系统体积较大，光路校准要求高，芯片更换或长时间运行时也容易受到机械振动和热漂移影响。

声流控技术具有无接触、低损伤、易集成等优势，适合在微流控芯片中实现细胞和微粒操控。但在连续流高速分选场景中，如何同时降低光路调试难度、减少实时数据处理压力，并保持足够的分选精度和细胞活性，仍然是实际应用中的关键挑战。

针对这一问题，研究团队将激发光纤和检测光纤预埋到 PDMS 芯片中，固定片上荧光检测区域；同时采用 10 kHz 数字光子计数方式识别单颗粒荧光事件，并通过自适应阈值触发 FTSAW 声场，实现闭环、按需分选。系统在荧光微球检测中获得超过 23 dB 的信噪比，在微藻共培养样品中获得 25.21 dB 的信噪比，兼顾了检测稳定性与数据高效性。

具体研究/工作内容

（1）构建片上光纤集成的光声流控分选系统

研究团队设计了集成式声流控分选芯片，将 PDMS 微流道层与 LiNbO3 压电基底上的聚焦叉指换能器（FIDT）结合，并在微通道侧壁预设光纤定位结构。激发光纤和检测光纤插入芯片后，光学检测位置被固定在声学作用区附近，从而减少传统自由空间光路对显微物镜、二向色镜和反复校准的依赖。

分选过程中，样品流首先通过鞘流聚焦进入检测区域。目标样品被激光激发后产生荧光信号，信号由片上检测光纤收集并送入光子计数光电倍增管；当实时光子计数超过动态阈值时，系统触发 FIDT 产生局域 FTSAW 声场，将目标样品偏转至收集出口，非目标样品则进入废液出口。

图 1  集成光声流控分选芯片设计、制备流程与控制逻辑。片上光纤检测界面与 FTSAW 偏转区域共同构成闭环分选系统。

图中可以看到，芯片结构、光纤检测界面和信号触发流程被集成到同一系统中。与传统外置光路相比，该结构将光学检测几何关系固化在芯片内部，降低了芯片更换后的重新对准需求，也为后续便携化声流控分选系统提供了更简单的硬件基础。

（2）优化数字光子计数检测，降低实时数据负担

在片上检测系统优化方面，团队比较了传统模拟采集与数字光子计数模式。传统模拟模式需要较高采样率重构荧光脉冲波形，还容易受到声学驱动带来的电磁噪声和基线漂移影响；数字光子计数模式则直接将单光子事件转化为数字脉冲，有利于形成稳定基线并简化实时事件识别。

研究进一步比较了 75°/105°、90°/135° 和 45°/90° 三种片上光纤布局。结果表明，45°/90° 布局能够避开强前向散射区域，在保留目标荧光信号的同时有效降低非荧光散射背景，在 60 mW 激发功率下获得 23.25 dB 的峰值信噪比，为后续稳定分选提供了可靠识别基础。

图 2  片上光纤检测系统优化与数字光子计数信号识别。45°/90° 光纤布局实现更高信噪比和更清晰的目标事件分辨。

这一策略的核心不是追求更高的数据采样率，而是将荧光事件转化为更容易判别的数字计数序列。系统以 10 kHz 采样频率重构单颗粒荧光事件，相比常规高速模拟波形重构显著降低了实时采集和处理负担，同时仍能满足声场触发分选所需的时间精度。

（3）实现微球与微藻样品的高纯度分选

在分选性能验证中，团队首先使用 15 µm 荧光聚苯乙烯微球和 20 µm 非荧光微球混合样品测试系统。通过 39.8 MHz FTSAW 声场和 0.5 ms 优化声脉冲，目标荧光微球能够被按需偏转至收集出口，初始样品中 48.2% 的目标颗粒比例被富集至 93.8%，回收率接近 100%。

随后，研究团队进一步分选雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）和小球藻（Chlorella vulgaris）混合生物样品。由于微藻等生物细胞声学对比度低于刚性聚苯乙烯颗粒，团队采用 99 MHz 高频 FTSAW 声场增强局部声学作用，并以 Calcein-AM 荧光信号作为实时触发依据。

图 3  雨生红球藻与小球藻分选及细胞活性验证。系统在复杂共培养样品中实现荧光触发、高纯度声流控分选。

实验结果显示，系统在微藻共培养样品中获得 25.21 dB 信噪比，将雨生红球藻比例由 27.4% 提升至 92.6%。分选后的雨生红球藻仍保持稳定的 Calcein-AM 荧光信号，单细胞平均荧光强度与分选前无显著差异，说明该声学操控过程未造成明显膜完整性损伤，并保留了较好的短期代谢活性。

TuoTuo Technology 的无掩模光刻设备（TTT-07-UV Litho-BIO）为聚焦叉指换能器和声流控芯片的快速制备提供了便利。通过该工艺制备的 FIDT 器件能够与片上光纤检测结构稳定集成，并支持不同频率声场下的微球和微藻分选实验，为后续声流控芯片设计、器件验证和系统优化提供了有力支撑。

该工作表明，片上光纤和数字光子计数可以有效降低光路对准与数据采集压力，而 FTSAW 声场能够提供温和、精准的目标偏转能力。三者结合后，系统不仅适用于标准微球验证，也能够处理带有背景荧光干扰和低声学对比度的复杂生物样品。

作者信息介绍

华中科技大学机械科学与工程学院博士生江显为论文第一作者，华中科技大学机械科学与工程学院廖广兰教授、刘智勇副教授为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c02246