液流系统
液流问题在流式细胞术发展史上占有很重要的地位。从本世纪30年代到50年代,流式细胞术发展迟缓的一个重要原因就是细胞悬液过毛细管或小孔时的阻塞问题得不到解决,直到引入层流鞘液的方法后,不但使液流更加稳定,约束细胞在液柱中间;而且较彻底地解决了阻塞问题。
稳流与雷诺数
常识告诉我们,当液体流动时,有时是稳定的流动,有时会产生漩涡。流体力学称前者为稳流或片流,后者为端流,但区别二者的根据是什么呢?
上个世纪,雷诺发现了一个以他的名字命名的数—雷诺数,其定义如下:在一个直径为d的管子内,流动液体的平均速度是V,如果液体的密度为P,粘滞系数为n,则雷诺数R。
当R=2300时就是前面我们讨论的稳流与端流的分界点,当R<2300时是稳流,当R>2300时是端流。显然,在流式细胞计中我们希望都保持稳流。如果喷孔直径是100um,水的密度为1g/cm3,水在20℃时的粘滞系数是0.010泊,可计算出B=23米/秒。这是流式细胞计喷孔喷射速度的极限,其实当喷射速度过快时还有另一问题,比如其中a是速度较慢时的正常状态,液体与喷孔有浸润现象,这样的液柱是稳定的,当速度过大时,从喷孔截面就形成液柱,这样的液柱在空间的位置是不稳定。尽管它也是稳流,雷诺数尚不到2300.这样的分界点的液流速度与液体及喷孔材料湿润情况有关,考虑到各种因素,常限制喷射速度在10米/秒以下。
喷嘴
实际喷嘴结构,中间是含有细胞悬液的样品,样品外面包围着鞘液从喷嘴中喷出,由于喷射速度较高磨损严重,故喷孔大多用耐磨的钟表宝石制成。测量区在喷孔外面很近处的空气中。
这样的设计还有一个有点,就是液流的聚焦作用。如果流体从一个截面为A1的粗管流入一个截面为A2的细管,按流体力学的Bernoulli定律:A1V1=A2V2式中V1,V2分别是流体在粗管中的平均流动速度和在细管中的平均流动速度。为了保持界面处仍然是稳定的流动,两管接口处常做的“光滑”一些,如实线所示。显然细管中的V2大于粗管中的V1。当接口处的几何形状是如虚线的“突变”时,液流进入细管后并不是形成全部平行于细管壁的稳流,而是在细管入口处有一段“收缩”的区域,如细管中的虚线所示。在虚线与管壁之间的流体是静止不动的。只有两条虚线间的液体是流动的,这样就产生了“自聚焦”现象。显然。当我们把测量区定在这个最狭窄处,可提高仪器的CV值,这个位置不同的喷嘴是不相同的,对喷向空气中的喷嘴大约在距喷口0.25mm的地方。
为了不同的目的,人们设计了各种形状的喷嘴,如在精子分析中,为满足流体动力学的要求而作成鸭嘴状等等。