成像流式细胞仪中用于自动藻类物种鉴定的流体聚焦计算笔记

《Journal of Hydro-environment Research》：A computational note on hydrodynamic focusing in an imaging flow cytometer for automatic algal species identification

　　

摘要

有害藻华（HABs）对沿海生态系统、渔业和水安全构成严重威胁。近年来，成像流式细胞术（IFC）在环境监测和研究中的应用日益广泛，例如有害藻华物种的实时成像和自动分类。IFC通过流体力学聚焦实现高频浮游植物监测。然而，在环境应用中聚焦性能相关的微流控特性尚未得到充分关注。本文以矩形通道中稳态二维层流的解析模型为指导，建立了三维计算流体力学（CFD）模型，用于量化代表性IFC仪器（IFCB）内部的微尺度流场。基于泊肃叶流理论，推导了聚焦流束尺寸与鞘流至样品流量比之间的关系。在高分辨率结构化六面体网格（$～$100万个网格单元）上求解了IFCB内稳态三维不可压缩层流和示踪剂输运。研究发现，样品流束经历四个演化阶段：黏性射流扩散减速、加速、收缩和稳定聚焦。在标准操作条件下，聚焦流束高度约为$\approx 16\mathrm{\mu }\mathrm{m}$，与$21.5\mathrm{\mu }\mathrm{m}$的光学景深吻合良好，且预测的聚焦样品流束宽度与观测结果一致。成像流室中的聚焦横截面积与总流量至样品流量比成反比。通过系统的三维计算，可获得最佳成像质量和监测效率的最优流参参数。本研究首次通过CFD阐明了连续藻类监测中的流体力学聚焦过程，为相关微流控设计优化和实际现场应用提供了理论支持。

引言

由于富营养化和气候变化，有害藻华（HABs）在全球沿海水域中的发生频率日益增加（Anderson et al., 2012, Glibert et al., 2018）。在粤港澳大湾区，有害藻华频繁导致鱼类死亡、海滩关闭以及饮用水安全风险（Guo et al., 2021, Ma et al., 2023, Xu et al., 2021）。传统的浮游植物监测依赖人工采样和实验室显微镜观察，耗时费力，且采样频率过低，无法捕捉亚热带沿海水域藻类的快速生长动态（Sosik and Olson, 2007, Guo et al., 2021）。

香港渔农自然护理署（AFCD）自1975年起记录赤潮事件，确认有害藻华在当地水域长期普遍存在（AFCD, 2020）；例如，1975年至2025年间记录了超过1000起有害藻华事件。微流控设备和成像流式细胞术（IFC）在过去二十年中已被广泛用于生物医学和微电子领域。近年来，IFC在环境研究和管理中的应用日益增加——例如Fluid Imaging, Inc.生产的FlowCAM（Buskey and Hyatt, 2006）和McLane Laboratories生产的成像流式细胞机器人（IFCB）。特别是，IFCB是一种用于高频浮游植物观测的自动化原位成像仪器（Olson and Sosik, 2007, Campbell et al., 2010, Campbell et al., 2013）。IFC基于流体力学聚焦原理——将样品中无序排列的藻类细胞注入同轴无颗粒鞘流中，使其排列成中央聚焦的"单列"流束（尺寸20-$200\mathrm{\mu }\mathrm{m}$）。通过精巧的微流控设计，可以控制聚焦流束的尺寸，从而实现高分辨率成像和基于人工智能的藻类物种自动分类。

尽管IFC在生物医学领域已有广泛应用，但其在环境监测中的应用相对较新。表1展示了IFC用于藻类监测和生物医学应用的微流控设计要求和关键特征的一般比较。例如，与典型的生物医学和临床应用相比，藻类动态监测必须适应以下几个显著特点：(i) 通量小得多（$～$每小时10,000个细胞 vs $～$每秒10,000个细胞）；(ii) 生物体尺寸范围大得多（微型浮游生物10-$100\mathrm{\mu }\mathrm{m}$ vs 哺乳动物红血球和白血球8-$15\mathrm{\mu }\mathrm{m}$）；以及(iii) 现场仪器控制能力弱得多（长期无人值守监测、生物污染）vs 受控实验室条件。然而，IFCB或类似仪器的详细微流控流动特性尚未得到充分关注。对于不熟悉该领域的用户而言，此类具有复杂三维流过渡的细胞分析仪中流体力学聚焦的机制仍有待以定量方式阐明。此前的微机电系统（MEMS）相关研究主要涉及简单微通道中的一维聚焦（Lee et al., 2006）或不同流室结构（Lee et al., 2001, Miyake et al., 1995），这些研究无法直接应用于IFCB。这些以往的研究主要关注矩形微通道中层流的解析研究，或通过忽略样品射流与周围鞘流之间的相互作用来进行粗略数值建模（Lee et al., 2001, Lee et al., 2006）——理论主要通过实验室实验验证。最近，已有一项关于用于优化临床应用微流控设计的IFC计算流体力学（CFD）研究报告（Patel et al., 2020）。据我们所知，此前尚无针对用于藻类监测的IFC原型设备的微流控流动的完整三维计算报道。

本文对我们在有害藻华预警系统研究中使用的IFCB进行了全面的三维微流控流动CFD研究（Sosik and Olson, 2007, Guo et al., 2021, Ma et al., 2023）。我们的目标是通过以下方式阐明IFCB的工作原理：(i) 高分辨率CFD模拟三维流动和示踪剂输运；CFD模型构建以矩形成像流室中二维层流理论模型为指导；(ii) 确定鞘流与样品流量比对聚焦性能的影响；以及(iii) 将CFD求解的聚焦样品流束横截面积与理论预测和观测结果进行比较。

章节摘要

IFCB系统描述

我们以IFCB为基础，对用于藻类监测的流体力学聚焦进行理论探讨。图1展示了IFCB的设计构型和工作机理（Olson and Sosik, 2007）。一般来说，IFCB由流体子系统和光学子系统组成。前者利用流体力学聚焦技术，使样品流体中无序排列的颗粒依次通过成像区域。后者利用某种

流体力学聚焦理论模型

为了定量预测IFCB流室中聚焦样品流束的尺寸，基于泊肃叶层流理论和质量守恒原理推导了一个理论模型，该模型适用于IFCB的矩形微通道几何结构。该模型基于以下假设：(i) 稳态不可压缩层流；（雷诺数$\text{Re}<1500$，本研究中所有测试用例均满足此条件）；(2) 流体为牛顿流体，物性恒定

三维计算流体力学建模

为了系统研究IFCB微流控系统内的详细流动特性、示踪剂输运和流体力学聚焦机理，使用ANSYS FLUENT建立了高分辨率三维计算流体力学（CFD）模型。几何域根据商用IFCB的实际结构尺寸进行了重建，涵盖锥形鞘流室、过渡圆柱通道以及矩形石英流室，

整体流场与典型流动特征

图5展示了标准IFCB操作条件下的CFD求解结果，鞘流量为$Q_{sh}$ = 11 mL/min，样品流量为$Q_{sa}$ = 0.25 mL/min。IFCB流体系统内的整体流场呈现稳定的层流特征。图5a)展示了在鞘流室上游端（z = 0–1.5 mm，详细几何结构见图3）样品入口下游不同距离处计算的轴向速度$u(x=0,y)$横向分布。（图5b)

结论

我们对一台用于沿海水域有害藻华物种早期检测的行业标准成像流式细胞机器人（IFCB）的三维微流场和标量输运特性进行了独立的全面CFD研究（Guo et al., 2021）。建立了一个二维流体力学聚焦理论模型，以指导精细三维CFD数值模型的构建。研究了广泛鞘流与样品流量比范围内的计算速度场和示踪剂浓度场。

CRediT作者贡献声明

J.H. Guo：可视化、软件、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。Y.Y. Ma：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿。Joseph H.W. Lee：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由香港创新科技基金（MHP/046/19）和澳门科学技术发展基金（项目编号0023/2024/RIB1）资助，并部分由澳门科技大学内部基金支持。

J.H. Guo|Y.Y. Ma|Joseph H.W. Lee