CN102302898A

CN102302898A - 一种微型血细胞分离装置及其使用方法

Info

Publication number: CN102302898A
Application number: CN201110162637A
Authority: CN
Inventors: 王小章; 王朝晖; 张群明; 陈豫; 刘佳
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明公开了一种微型血细胞分离装置及其使用方法，该分离装置包括信号发生器、加样泵、分离芯片和分离后细胞收集器；所述分离芯片上设置有分离腔，分离腔前端设置有注入口、后端设置有两个出口，分离腔内设置电极板，电极板上设置叉指电极组；所述信号发生器通过导线与叉指电极组连接；所述加样泵通过样品注入管道与注入口连通；所述出口上连接有分离后细胞收集器。本发明利用血细胞在电场中介电泳特性差异进行分离，相比常用的细胞分离法，此种连续分离方式就有效率高、成本低、细胞损伤小、可进行大通量分离等优点。

Description

一种微型血细胞分离装置及其使用方法

技术领域：

本发明涉及一种微型血细胞分离装置及其使用方法。一种使用介电泳方法进行血细胞分离，可以进行连续式大通量的分离应用，具有结构简单、分离效率高、细胞损伤小等优点，可使用在医疗诊断、生物反应、卫生检疫等多种领域。微分离芯片及其使用方法。

背景技术：

细胞分离是进行生化检测、医疗诊断等应用中的一个必须环节，通常使用的方法有过滤法、吸附-释放法、磁性分离法等。过滤法将样品细胞在压力作用下通过特定尺寸的滤器、滤网、滤膜，利用过滤尺寸选择来实现对不同大小细胞的分离过程。吸附释放法利用在非均匀电场中细胞间介电泳特性的差异，将特定种类细胞吸附于电极表面；在吸附过程完成后切断电信号，释放电极表面吸附捕捉的细胞，获得比较纯净的细胞类别。磁性分离法依赖细胞在强梯度磁场中的不同磁性反应，实现不同种类聚集和分离，经过对聚集细胞费分别收集完成分离过程。

过滤法分离属于机械压力式分离，具有结构简单、实现容易等特点，但滤器对细胞损伤严重，加之细胞对滤器堵塞极易造成滤器失效。吸附释放法需要经过两步操作来实现分离，不适用于连续式分离应用，且分离效率低下。磁性分离法需要在高梯度磁场中完成操作，需要的结构及制作工序复杂。此外，后两种分离方法某些时候需要在待分离样品中添加必须的标记物质，以实现对不同细胞的标记，达到增强分离效果的目的。由此可见，上述几中分离方法都存在着分离效率低下，无法满足大通量分离应用的缺陷。

发明内容：

本发明连续式介电泳分离的芯片，利用血细胞在高频交变电场中的介电泳特性差异，实现不同种类细胞的分离操作。在高频信号作用下，叉指电极在其附近空间内产生非均匀电场；电场中的红细胞和白细胞具有不同的介电泳特性，在流动过程中二者分别汇聚成不同的流动区带。在不同位置的出口处，可收集到不同种类的血细胞。相比常用的分离法连续分离方式就有效率高、成本低、细胞损伤小、可进行大通量分离等优点。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种微型血细胞分离装置，该分离装置包括信号发生器、加样泵、分离芯片和分离后细胞收集器；所述分离芯片上设置有分离腔，分离腔前端设置有注入口、后端设置有两个(或多个)出口，分离腔内设置叉指电极组，电极组制作于电极板上；所述信号发生器通过导线与叉指电极组连接；所述加样泵通过样品注入管道与注入口连通；所述出口上连接有分离后细胞收集器。

所述通道板上设置有分离样品流动通道和分离腔，同时设置有样品注入口和出口，电极板上制作有叉指电极组。

所述通道板可以分开成为通道隔板和上盖板，通道隔板上设置敞开式的流动通道，上盖板上设置有注入口、出口和叉指电极。电极板设置与上盖板电极组相对应的叉指电极组。

所述叉指电极采用剥离工艺或刻蚀工艺制作，在玻璃或硅基底上加工出电极组。

所述通道板使用PDMS制作，利用SU-8光刻胶制作模具并经模塑、固化后制成。

所述微型血细胞分离装置的使用方法，待分离样品由加样泵以注入芯片入口，进入微流动通道进入分离腔内；信号发生器产生MHz级的高频率信号，经过移相后形成两路反相信号；经导线连接与分离芯片上，并作用于叉指电极上，在分离腔内部产生非均匀电场；血细胞样品在流经分离腔的过程中收到非均匀电场作用，产生介电泳并分别朝向不同的电场梯度区域移动和汇聚；在注入泵压力和介电泳力作用下，血细胞边向出口方向流动边聚集成不同的区带；选择不同出口位置和时间控制，即可收集到所需的细胞种类。

本发明的芯片制作方法简单，工艺要求低。叉指电极可以采用剥离工艺或刻蚀工艺制作，在玻璃或硅基底上加工出电极组。通道板使用PDMS制作，利用SU-8光刻胶制作模具并经模塑、固化后制成。封装工艺需要对各个贴合表面进行清洗、等离子氧化处理后，加压贴合在恒温环境下保温一定时间，保障封装严密无泄漏。

附图说明：

图1为本发明的两片式分离芯片结构示意图；

图1-1为通道板，图1-2为电极板；

图2为本发明的三片式分离芯片结构示意图；

图2-1为上盖板，图2-2为通道隔板，图2-3为电极板；

图3为本发明的血细胞分离系统工作示意图；

图4、5、6分别为三种叉指电极结构示意图。

图4梯形叉指电极结构；

图5菱形叉指电极结构；

图6椭圆弧形叉指电极结构；

其中：1为通道板；2为注入口；3为分离样品流动通道；4为分离腔；5为出口；6为电极板；7为叉指电极组；8为通道隔板；9为上盖板；10为叉指电极；11为信号发生器；12为导线；13为样品注入管道；14为加样泵；15为分离芯片；16为分离后细胞收集器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图3，一种微型血细胞分离装置，该分离装置包括信号发生器、加样泵、分离芯片和分离后细胞收集器；所述分离芯片上设置有分离腔，分离腔前端设置有注入口、后端设置有两个(或多个)出口，分离腔内设置电极板，电极板上设置叉指电极组；所述信号发生器通过导线与叉指电极组连接；所述加样泵通过样品注入管道与注入口连通；所述出口上连接有分离后细胞收集器。

所述通道板分开成为通道隔板和上盖板，通道隔板上设置开口的流动通道，上盖板上设置有注入口、出口和叉指电极。电极板设置与上盖板电极组相对应的叉指电极组。

连续式介电泳血细胞分离，利用血细胞流过高频信号激发的非均匀交变电场时，红白细胞具有不同的介电泳特性，分别趋向电场强度高或低的区域移动并聚集，通过控制细胞的移动路径和汇聚区域，即可实现对血细胞的分离过程。芯片的有两种形式：两层式和三层式。图1给出的两层结构，分别为通道板1和电极板6。通道板1上制作有分离样品流动通道3和分离腔4，同时制作有样品注入口2和出口5。电极板6上制作有叉指电极组7，用于产生非均匀电场。1和6通过封装工艺紧密贴合，并能承受一定的液体注入压力而不发生侧漏。三层式结构中，通道板分开成为通道隔板8和上盖板9，参见图2。通道隔板8上只加工流动通道而不封闭，上盖板9上加工有样品出入口2、5、以及叉指电极10，后者与电极板电极7配合使用，增强分离效果。

血细胞介电泳连续分离系统见图3。待分离样品由加样泵14以一定速度注入芯片入口，进入微流动通道进入分离腔内。信号发生器11产生MHz级的高频率信号，经过移相后形成两路反相信号。经导线12连接与分离芯片15上，并作用于叉子电极上，在分离腔内部产生非均匀电场。血细胞样品在流经分离腔的过程中收到非均匀电场作用，产生介电泳并分别朝向不同的电场梯度区域移动和汇聚。在注入泵压力和介电泳力作用下，血细胞边向出口方向流动边聚集成不同的区带。选择不同出口位置和时间控制，即可收集到所需的细胞种类。细胞的介电泳特性同环境参数紧密相关，电场频率和溶液介电常数、温度、pH值等都可改变其介电泳特性。连续分离的过程需要选择合适的信号频率和溶液介质，并控制溶液流动速度，实现连续式有效地分离过程。图中13为样品注入管道，16为分离后细胞收集器。

叉指电极组用于在高频信号作用下产生非均匀电场，是实现连续式介电泳分离的关键结构。其实施方式可以有多种形式。图4给出了一种梯形电极实施方式。整个叉指电极由两组梯形电极组成，电极的间距不断变化，从而可在电极周围产生出非均匀的电场。电场强度的梯度分布同电极间隔以及每个电极形状变化有关。改变电极形状及间隔分布，可获得不同的电场梯度分布，进而改变细胞所受到的介电泳力，实现不同的移动和汇聚效果。图4的电极结构，细胞会分别聚集于电极两端，形成两个聚集带。

图5给出叉指电极的第二种实施方式。菱形电极组间隔在中间最小，并在两边最大；血细胞因而可以汇聚成三个区带，分别占据分离腔内左、中、右三个部分。在三个出口处分别收集，可获得不同类型的血细胞。此种电极结构，可利用红细胞的趋中效应、白细胞的趋边现象，选择适当信号频率，将白细胞汇聚于左右两侧，而红细胞聚集于中间地带，可显著提高分离效率。对于多种类型的细胞分离，可以通过控制分离条件，使不同种类细胞在流动中汇聚成多条区带，同时在多个出口收集，以提高分离效率。

图6给出的是电极的另一种实施方式。椭圆弧形电极组，由于电极之间间隔非线性变化，进而可以显著改善其产生的非均匀电场分布，增强电场强度梯度变化。其分离结果与菱形电极类似，但具有更大的介电泳力和更好的分离效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种微型血细胞分离装置，其特征在于：该分离装置包括信号发生器、加样泵、分离芯片和分离后细胞收集器；所述分离芯片上设置有分离腔，分离腔前端设置有注入口、后端设置有两个或多个出口，分离腔内设置电极板，电极板上设置叉指电极组；所述信号发生器通过导线与叉指电极组连接；所述加样泵通过样品注入管道与注入口连通；所述出口上连接有分离后细胞收集器。

2.如权利要求1所述一种微型血细胞分离装置，其特征在于：所述通道板上设置有分离样品流动通道和分离腔，同时设置有样品注入口和出口，电极板上制作有叉指电极组。

3.如权利要求1所述一种微型血细胞分离装置，其特征在于：所述通道板分开成为通道隔板和上盖板，通道隔板上设置敞开式的流动通道，上盖板上设置有注入口、出口和叉指电极；电极板设置与上盖板电极组相对应的叉指电极组。

4.如权利要求1所述一种微型血细胞分离装置，其特征在于：所述叉指电极采用剥离工艺或刻蚀工艺制作，在玻璃或硅基底上加工出电极组。

5.如权利要求1所述一种微型血细胞分离装置，其特征在于：所述通道板使用PDMS制作，利用SU-8光刻胶制作模具并经模塑、固化后制成。

6.基于权利要求1所述微型血细胞分离装置的使用方法，其特征在于：待分离样品由加样泵以注入芯片入口，进入微流动通道后进入分离腔内；信号发生器产生MHz级的高频率信号，经过移相后形成两路反相信号；经导线连接与分离芯片上，并作用于叉指电极上，在分离腔内部形成非均匀分布电场；血细胞样品在流经分离腔的过程中受到介电泳力的作用，分别朝向不同的电场梯度区域移动和汇聚；在注入泵压力和介电泳力作用下，血细胞边向出口方向流动边聚集成不同的区带；选择不同出口位置和时间控制，即可收集到所需的细胞种类。