如图1所示，系统由单离子束系统和微流控系统两大部分组成。CAS-LIBB单离子束系统包含微米孔准直器、束流开关、粒子探测器、控制系统等关键结构。微流控系统^[18-21]由微流控芯片、微流驱动泵及激光探测系统等构成。微流控芯片前端制作细胞储液池，具有O₂和CO₂注入通道、37 ℃恒温控制、pH检测等功能，以保障细胞成活。驱动泵驱动细胞微流在微通道里匀速流动，将细胞传至离子出射位置，快速完成对细胞的辐照。细胞速度与微流速度同步相等。调节驱动泵可获得不同的细胞速度。激光探测系统用于检测细胞^[22-23]，总控台根据细胞运动信息来控制离子束流的发射和切断，保证一定数目的离子准确击中细胞。离子束流和准直器均固定不动，微流细胞保持运动。离子从准直器出口发射出来后，经微流控芯片辐照点位置射入微流通道，完成对细胞的辐照。显然，在细胞到达辐照点之前，必须提前检测和识别细胞，系统根据细胞运动信息，计算细胞和离子二者相遇的条件，适时控制束流开关，使离子和细胞同时达到辐照点位置，实现离子精确定位细胞辐照技术过程。

采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制作微流控芯片。与常规微流控芯片不同，辐照用微流控芯片需制作一个辐照点，用于离子进入微流通道的入射点。辐照点是在芯片上制作的一块超薄小区域。经计算和实验确定，对于1～5 MeV质子束，辐照点厚度为10 μm较为合适。过厚会影响离子的穿透性，过薄则易破损，制作难度增大。单离子束垂直向上飞行，故在微通道底部制作辐照点，其水平尺度约30 μm，如图2所示。微流细胞经过辐照点时被离子击中，然后被收集用于生物学研究。

如果细胞静止不动，则只需将细胞移至离子束流出口，随时开通束流，即可完成对细胞的辐照。对于细胞持续运动的情形，须考虑瞄准方法，计算离子和细胞二者相互运动关系，使得细胞抵达辐照点时，离子正好击中细胞。

建立计算模型如图3所示，细胞运动方向、激光发射方向和离子发射方向三者两两垂直，离子垂直向上飞行，细胞呈水平运动。假定细胞检测点距离辐照点为L，离子从束流开关抵达辐照点的时间为t_s，当细胞抵达检测点时被检测，到束流开关产生动作，这个过程系统总响应时间为t_x。由于细胞运动速度v远小于离子速度（MeV级质子速度约10⁷ m/s），且束流开关响应时间快（约μs），因此，细胞到达检测点被检测识别后继续前行时，系统则必须等待（延迟）一段时间T，再开通束流开关，才能保证离子和细胞同时到达辐照点。由此可得离子击中细胞的条件是

理论上只要满足上面的计算式，就能保证离子准确击中细胞。

细胞速度由驱动泵进行设定和驱动。根据本系统实验条件，最大细胞速度不宜超过10 mm/s，否则容易造成细胞碰撞或黏连，堵塞通道，甚至损坏芯片。故将10 mm/s设定为本系统的细胞速度上限，记为v_p。现设定细胞速度v = v_p = 10 mm/s，总响应时间为t_x=10 μs，离子从开关到达辐照点的时间为t_s=0.2 μs，按（1）式计算：$ L=v\times ({t}_{{\mathrm{x}}}+T+ {t}_{{\mathrm{s}}})=0.102\;{\text{μ}}\mathrm{m}+{10}^{4}\;{\text{μ}}\mathrm{m}\times T $/s。

从上面的计算可以推断，如果不设置延时，即T = 0，则L = 0.102 μm，这说明，即便细胞以最大速度运动，则要求细胞检测点远离辐照点仅仅0.102 μm，这个极小距离相对于系统尺度和细胞大小完全可以忽略。而系统实际运行的细胞速度v＜v_p，上述L的计算值更小，这表明细胞检测点和辐照点极其靠近。因此，本模型将细胞检测点直接设置在辐照点同一位置（或极其接近），即L=0，以省去延时等待的时间T。系统一旦检测到细胞就立即开通束流，则离子就能准确击中细胞。这种忽略的实质是将高速离子的飞行时间近似为0。实际上，这种“即测即打”的方式（L=0，T=0），除了节省了时间外（等待时间T=0），也具有更高的击中可靠性。如果L过大，则细胞在运动过程中，其轨迹和速度难免产生波动，偏离计算值，加大离子瞄准误差。因此，采用“即测即打”方式（L=0，T=0），反而使离子击中细胞的可靠性更高。微流细胞运动速度越小，则细胞之间相互干扰越小，微流更趋稳定一致，所预测离子击打位置的准确性越大。

上述计算只考虑了每个细胞被辐照一个离子剂量的情况。多个离子辐照一个细胞的情况具有很大区别。因细胞保持运动，前后发射的离子击打在细胞上的位置是不同的，后发射的离子击中细胞位置较先发射的离子存在一个偏移。假定每个细胞被辐照k个离子，k＞1，系统在单位时间里发射离子数为n（称之为离子发射密度），即相邻两个离子的时间间隔为1/n。当k个离子全部辐照完毕时，其总辐照时间为k/n，细胞此时前行的距离必须小于细胞尺度a，否则离子不能击中细胞，见图4。因此，离子击中细胞的必要条件是

因此细胞运动速度必须满足

极限情况下，a取细胞尺度，即得最大细胞速度

式（5）表明，对于多个离子辐照一个细胞的情况，微流细胞速度存在上限v_m，其与细胞尺度a和离子发射密度n相关。设定细胞速度为v_m时，系统将获得最大辐照通量。但注意v_m始终不得超过v_p = 10 mm/s，大于v_p则不允许执行。

假定微流细胞之间的平均间距为d，则每辐照一个细胞的时间为

因此，细胞辐照通量为

式(7)表明，辐照通量与细胞速度成正比，与细胞间距成反比。（6）和（7）两式与k和n无关，是由速度v计算通量的通用公式。

如果每个细胞只被辐照一个离子剂量，即k=1，则理论上，不管细胞速度多大，都能使离子击中它，但实际系统要求细胞速度v ≤ v_p =10 mm/s。取v=v_p，由式（7）得单个离子剂量的最大辐照通量为

要实现式（8）中的最大辐照通量，还须要求离子发射密度n≥Q_max，以保证每个细胞均能被辐照一个离子。如果n＜Q_max，则当细胞保持v_p前行时，部分细胞未被辐照，此时的有效辐照通量Q′= n＜Q_max。以d = 0.4 mm为例，辐照1个离子剂量时的最大辐照通量为Q_max=25 个细胞/s=90000 个细胞/h，这时要求离子发射密度n≥25个离子/s，实际束流系统n$\gg $25个离子/s，条件总能得到充分的满足。如果每个细胞被辐照多个离子，即k＞1，由式（5）和（7）可知，最大辐照通量为

式（5）和（9）是重要的参量约束公式， 式（5）控制细胞速度上限，式（9）计算最大辐照通量。由式（9）可知，提高辐照通量最简捷的方法是适当提高细胞数密度（即减小d），其次是提高离子发射密度n，但n往往受到束流系统固有性能的制约，提升量有限。减小剂量k也能提高辐照通量，但剂量须满足研究者的要求。

通过配制细胞液浓度，来确定细胞间距d与细胞数密度m。假定微通道横截面积为S，细胞呈单列行进通过辐照点，如图5所示，若使微流细胞间距为d，则微流细胞数密度m应配成

式（10）即为悬浮液中细胞间距（平均值）的确定方法。理论上，细胞悬浮液被配置后，其细胞间距与细胞速度无关。据式（10），已知微流细胞数密度为m时，可求平均细胞间距为

每个飞行离子的位置和能量都具有随机的发散性^[24-25]，因此形成了束斑。束斑直径（束径b）等同于离子定位精度，束径大则定位精度低，反之则高。从图4可知，考虑到束径大小后，如要离子击中细胞，则可允许a值缩小到a−b，对照（5）、（9）两式，细胞最大速度和最大辐照通量修正为

二者数值大小均因此而降低。同样，如果计算的v_m值大于v_p，将视为无效而舍弃。对于单个离子剂量，k=1，最大辐照通量仍由式（8）确定，且与束径大小无关，只要束径小于细胞尺度。其原因是单个离子辐照时，最大细胞速度仍然允许达到v_p=10 mm/s，但不能从式（13）外推k=1来求得数据。

离子发射密度n可以具体地理解为每秒发射的离子数目，是决定辐照通量大小的基本因素。如果一个细胞只被辐照一个离子，k=1，则离子发射密度等于细胞辐照通量，由式（7）或（8）确定。此时，离子发射密度不受细胞速度影响，不论细胞速度多大（不超过v_p），离子都能击中细胞，只需适时发射离子。

如果一个细胞被辐照多个离子，k＞1，则要求在细胞前行a−b的时间里，k个离子必须辐照完毕，即k个离子辐照完毕的时间，不能大于细胞前行（a−b）的时间，因此

由此得

式（15）显示离子发射密度n与细胞速度v、辐照剂量k密切相关，细胞尺度a和束径b也灵敏地制约离子发射密度。现举例取细胞速度v=5 mm/s，辐照剂量k=8，若a=20 μm, b=3 μm，由式（15）得n≥2352 个离子/s。该值属单离子系统常规性能条件。通常，束径b的改变量有限，降低细胞速度可使所需的离子发射密度成比例地降低，这是优化实验的主要方法。（8）、（12）、（13）和（15）四式给出了单离子束-微流控系统的额定性能，是系统运行的参考标准。

设计一款微流控芯片，通道截面尺寸为S =30 μm×30 μm，根据式（10）配制细胞悬浮液，使细胞间距约1.0 mm，假定细胞尺度a=20 μm，束径b=3 μm，设定三组离子发射密度和辐照剂量，由（10）、（12）、（13）三式算得几组最大辐照通量如表1所示。

现对表1中第一行进行说明。从式（13）知，求Q_max时必须先确定细胞间距。要使细胞间距d=1 mm，则由式（10），应将悬浮液细胞数密度配制为2500/μL；由式（12）得最大细胞速度应设为8.5 mm/s；由式（13）得最大辐照通量等于30600 细胞/h。

上述计算数据表示，在辐照剂量为2个离子、细胞间距为1 mm的条件下，具有以下三种理解：

（i）当设定细胞速度等于8.5 mm/s，则2个离子均击中细胞，其辐照通量为最大辐照通量；

（ii）当设定细胞速度小于8.5 mm/s，则2个离子均击中细胞，但辐照通量不是最大值；

（iii）当设定细胞速度大于8.5 mm/s，则2个离子中至少有1个离子不能击中细胞。

可见第（i）情形是最优解，故相应的细胞速度称为最大细胞速度。系统运行时，实际的细胞速度不是必须设为最大细胞速度v_m，小于v_m的速度是安全可行的。

表1中第二行数据里，计算的细胞速度为17 mm/s，超过了系统允许范围（10 mm/s），因此该组数据不可行而舍弃。由表1可知，多组不同的条件下，辐照通量大都超过10000细胞/h，最高的辐照通量超过30000细胞/h。总体上，高于之前无微流控单离子束辐照通量10倍之多。

今选取四组辐照通量的实验数据，见表1中实验值，与计算值的相对误差均在5%之内，负值表示实验值低于计算值。误差原因主要是少数细胞的速度小于设置值，一些细胞的运动状态也存在不流畅情形，导致经过检测点的细胞数量小于理论值，因此降低了辐照通量。

将微流控芯片技术应用于离子辐照系统，提升了辐照自动化程度，提高了辐照通量。芯片辐照点的制作是一项新的微流控工艺。将辐照点和细胞检测点置于同一位置，实行“即测即打”的工作模式，压缩了辐照时间，提高了离子定位的准确性。建立了理论模型，获得细胞速度、最大辐照通量与多个系统参量的约束关系。计算表明，对于不同的离子剂量、细胞间距和离子发射密度，存在相应的最大细胞速度v_m（v_m＜v_p）；细胞速度等于v_m时，可以获得最大辐照通量；提高辐照通量的首选方法是适当提高细胞数密度。计算数据和实验结果基本吻合，二者误差小于5%。

本系统尚有待发展完善，如辐照点薄层结构的抗压能力较弱，细胞速度受限，影响辐照通量的进一步提高，可以寻求高韧性薄膜嵌入微流控芯片来解决问题；激光光路和显微镜光路各自分立，影响检测灵敏度和工作效率，需研制一体化集成结构；发展1 μm聚焦单离子束，实现基因水平的定位辐照，为研究基因断裂和修复、细胞凋亡等重要课题提供先进的技术平台。本文所建立的模型和计算结果对于单离子束-微流控系统的运行具有普适性的理论指导作用，是离子精准定位微流细胞的基本方法。单离子束-微流控系统提高了自动化程度，在智能化细胞检测技术、在线检测技术、细胞跟踪分析等领域都具有潜在可行的拓展应用。