CN102784675B - 微小颗粒配对捕捉芯片及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小颗粒配对捕捉芯片及方法，所述芯片包括基板、盖板、位于基板上的微电极以及与微电极垂直设置的流道，所述流道包括入口、出口以及连接所述出口和入口的微通道，所述微电极与微通道在基板上垂直设置，所述微电极和微通道重合部分设置有若干开口朝向所述入口的U型柱。本发明将流场与电场捕捉微小颗粒方法相结合，发挥二者的优势，实现了对不同尺寸微小颗粒的配对捕捉的方法。

Description

微小颗粒配对捕捉芯片及方法

技术领域

本发明涉及细胞融合技术领域，特别是涉及一种微小颗粒配对捕捉芯片及方法。

背景技术

细胞融合技术是生命科学领域中一项非常关键的技术，对生物遗传学、发育学、免疫学、膜蛋白动力学、核质关系、遗传互补、基因调控、基因定位、疾病发生等技术的发展具有十分重要的意义。而配对捕捉两个被融合细胞是细胞融合过程中的关键步骤之一。

目前采用的捕捉方法依据接触方式可分为两中类型：直接接触式和非接触式。直接接触式捕捉最直观的例子就是用机械手夹持物体，例如与负压相连的微吸液管等，结合机器人手臂控制系统及微视觉系统，可以实现对微颗粒的捕捉。这种方法控制系统实现难度大，不利于批量操作；而非接触式方法目前采用的主要有电场排队法和流场被动捕捉法。电场排队法是指颗粒在非匀强电场中受到介电电泳力的作用而发生排队的现象，利用这种现象将细胞颗粒捕捉到一起。流场被动捕捉是指设置巧妙的微通道形状而将两个颗粒捕捉到一起。目前在双颗粒捕捉过程中主要存在如下问题：其一、灵活性不足，对尺寸适应性差；其二、不能大规模多批量操作；其三、在捕捉的过程中不能保证所捕捉到的颗粒个数以及种类；其四、非接触捕捉还存在堵塞等问题。

具体来讲，直接接触式捕捉由机器人实现自动颗粒捕捉，他结合传统机械臂的控制原理，在机械臂的末端加上真空吸头或者微型镊子，在显微视觉系统的辅助下自动捕获颗粒所在的位置，并控制机械臂末端达到所需的位置，同时开启真空或镊子，实现颗粒捕捉的功能。优点是灵活性比较大，可以捕捉任意所需的颗粒，并且具有很好的扩展性，可以用来实现人工受精、DNA注射等功能；缺点是容易破坏微小颗粒，并且控制系统实现复杂，也不利于对进行大批量操作；

流场被动捕捉方法是指通过合理布置微流控芯片中微流道的形状来改变流场的分布，控制施加在颗粒上流体作用力，从而实现颗粒捕捉的功能。优点是系统实现相对简单，可实现小批量的捕捉；缺点是只能进行单一尺寸微小颗粒捕捉，灵活性差，一般只用于单颗粒捕捉，在配对捕捉过程中不能保证所捕捉到的颗粒个数以及种类，还容易产生堵塞问题；

电场排队方法是利用不同形式的介电电泳力同时结合Stokes力来实现颗粒的捕捉。优点是灵活性强，易于实现批量化；缺点是对不同尺寸和性能的颗粒配对捕捉控制难度大，成功率低。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的微小颗粒配对捕捉芯片及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种将流场与电场相结合的对不同尺寸微小颗粒配对捕捉芯片及方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种微小颗粒配对捕捉芯片，所述芯片包括基板、盖板、位于基板上的微电极以及与微电极垂直设置的流道，所述流道包括入口、出口以及连接所述出口和入口的微通道，所述微电极与微通道在基板上垂直设置，所述微电极和微通道重合部分垂直位置的盖板上设置有若干开口朝向所述入口的U型柱。

作为本发明的进一步改进，所述微电极包括若干等间距间隔设置的第一电极和第二电极。

作为本发明的进一步改进，所述第一电极上等间距地设有若干朝向入口凸出的半圆形第一电极凸出部，且相邻的第一电极上的凸出部交错设置。

作为本发明的进一步改进，所述第二电极上等间距地设有若干朝向入口且与第二电极垂直设置的第二电极凸出部，所述第二电极凸出部与第一电极凸出部一一对应设置。

作为本发明的进一步改进，所述U型柱设置于所述第二电极凸出部垂直位置的盖板上，且U型柱的开口与第一电极凸出部的开口相对设置。

作为本发明的进一步改进，所述U型柱顶部与盖板相连，U型柱底部与基板不接触，存在一定的间隙，所述微小颗粒包括颗粒A和颗粒B，颗粒A的直径大于颗粒B的直径，所述间隙大于颗粒B的直径且小于颗粒A的直径。

对应地，一种微小颗粒配对捕捉方法，微小颗粒包括颗粒A和颗粒B，所述颗粒A的直径大于颗粒B的直径，所述方法包括：

S1、从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒A的去离子水溶液，U型柱开始捕捉颗粒A；

S2、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒A；

S3、对芯片的微电极电极施加脉冲电压，然后从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒B的去离子水溶液；

S4、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒B。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1、S2和S4中的额定流量为1.5μm/min，所述步骤S3中的额定流量为1μm/min，步骤S1中的捕捉时间为15min，步骤S3中的捕捉时间为30min。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的脉冲电压为6V直流电压，频率为190kHz。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1前还包括：

从芯片的入口以1.5μl/min流量注入去离子水，清洗微通道并排除微通道中的气体。

本发明具有以下有益效果：

1、实现系统结构简单，易于集成，通过优化设计的流道实现对配对颗粒中的大颗粒进行流场捕捉，让后利用电场形成的介电电泳力和Stokes力完成配对颗粒中的小颗粒捕捉，因此利用目前的微流控芯片制作技术易于制作芯片，同时体积小和结构简单容易集成在其他设备中；

2、适应性好，通过调整流场和电场参数，可实现一定尺寸范围内的颗粒配对捕捉；

3、可实现规模化捕捉，通过对芯片的拓展设计即可实现规模化的配对捕捉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施方式中微小颗粒配对捕捉芯片的俯视示意图；

图2为图1中微电极和微通道重合部分的局部放大图；

图3为本发明一实施方式中微小颗粒配对捕捉芯片沿微电极方向的局部侧视示意图；

图4为本发明一实施方式中微小颗粒配对捕捉方法的流程图；

图5a、5b为本发明一实施方式中微小颗粒配对捕捉中流场捕捉大颗粒A的原理图；

图6a、6b为本发明一实施方式中微小颗粒配对捕捉中电场捕捉小颗粒B原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种微小颗粒配对捕捉芯片，芯片包括基板、盖板、位于基板上的微电极以及与微电极垂直设置的流道，流道包括入口、出口以及连接出口和入口的微通道，微电极与微通道在基板上垂直设置，微电极和微通道重合部分垂直位置的盖板上设置有若干开口朝向入口的U型柱。

同时本发明还公开了一种微小颗粒配对捕捉方法，所述方法包括：

S1、从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒A的去离子水溶液，U型柱开始捕捉颗粒A；

S2、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒A；

S3、对芯片的微电极电极施加脉冲电压，然后从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒B的去离子水溶液；

S4、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒B。

本发明将流场与电场捕捉微小颗粒相结合，发挥二者的优势，实现了对不同尺寸微小颗粒的配对捕捉的方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

结合图1～图3所示，本发明的一种微小颗粒配对捕捉芯片，该芯片包括基板1和位于基板1上的盖板3，其中，基板1上包括微电极10以及与微电极10垂直设置的流道20，该流道20包括入口21、出口22以及连接出口22和入口21的微通道23，微电极10与微通道23在基板1上垂直设置，优选地，在本实施方式中的芯片长度设置为6000微米，宽度设置为3000微米，其中流道20中的微通道的宽度设置为730微米。

图2为图1中微电极和微通道重合部分的局部放大图，微电极10和微通道23重合部分设置有若干开口朝向入口21的U型柱30。其中，微电极10包括若干等间距间隔设置的第一电极11和第二电极12，本实施方式中第一电极11为正电极，第二电极12为负电极。第一电极11上等间距地设有若干朝向入口21凸出的半圆形第一电极凸出部111，且相邻的第一电极上的凸出部交错设置；第二电极12上等间距地设有若干朝向入口21且与第二电极12垂直设置的第二电极凸出部121，第二电极凸出部121与第一电极凸出部111一一对应设置。U型柱30设置于第二电极凸出部121垂直位置的盖板3上，且U型柱30的开口与第一电极凸出部111的开口在垂直位置上相对设置。

参图3所示，在本实施方式中，U型柱30顶部与盖板3相连，U型柱30底部与基板1不接触，存在一定的间隙，微小颗粒配对捕捉芯片所捕捉的微小颗粒包括颗粒A和颗粒B，颗粒A的直径大于颗粒B的直径，上述基板1和U型柱30底部垂直距离上的间隙大于颗粒B的直径且小于颗粒A的直径。

进一步地，在本实施方式中，第一电极11和第二电极12的宽度设置为10微米，相邻的两个第一电极11的距离设置为105微米，同一个第二电极12上相邻的两个第二电极凸出部121的距离为200微米，第一电极11上第一电极凸出部111为半径35微米的半圆弧形。其中，本实施方式中第一电极11和第二电极12均设置为5个，U型柱30数量为3*5，在其他实施方式中各距离参数、电极数量以及U型柱可根据需求进行设置。

参图4所示，本实施方式中微小颗粒配对捕捉方法包括以下步骤：

S1、从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒A的去离子水溶液，U型柱开始捕捉颗粒A。本步骤中额定流量为1.5μm/min，捕捉时间为15min；

S2、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒A。本步骤中额定流量为1.5μm/min；

S3、对芯片的微电极电极施加脉冲电压，然后从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒B的去离子水溶液。本步骤中脉冲电压为6V直流电压，频率为190kHz，额定流量为1μm/min，捕捉时间为30min；

S4、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒B。本步骤中额定流量为1.5μm/min。

进一步地，步骤S1前还包括：

从芯片的入口以1.5μl/min流量注入去离子水，清洗微通道并排除微通道中的气体。

为了实现不同尺寸微小颗粒(大尺寸颗粒A和小尺寸颗粒B)的配对捕捉，本发明将流场捕捉方法与电场捕捉方法相结合：

参图5a、图5b并结合图3所示，含有大尺寸颗粒A的流体在流道中流过时，一个颗粒A在流场作用下被U型柱捕捉，当第二个颗粒经过此处时,由于第一个颗粒的存在而改变其周围流场的方向,第二个颗粒将不能在此处被捕捉，在流场作用下被带走，完成单个颗粒A的捕捉；

参图6a、图6b并结合图3所示，含有小尺寸颗粒B的流体在流道中流过时，一个颗粒B被电场捕捉到颗粒A正前方(电场最强点)，其余位置上由于电场强度不足以捕获颗粒B，因此颗粒B随流场流走，进而完成颗粒B与颗粒A的配对捕捉。

采用上述芯片及方法对大尺寸颗粒A和小尺寸颗粒B进行配对捕捉，捕捉成功率达到75%左右。

由上述技术方案可以看出，本发明将流场与电场相结合，发挥二者的优势，实现了对不同尺寸微小颗粒的配对捕捉的方法，具有以下有益效果：

1、实现系统结构简单，易于集成，通过优化设计的流道实现对配对颗粒中的大颗粒进行流场捕捉，让后利用电场形成的介电电泳力和Stokes力完成配对颗粒中的小颗粒捕捉，因此利用目前的微流控芯片制作技术易于制作芯片，同时体积小和结构简单容易集成在其他设备中；

2、适应性好，通过调整流场和电场参数，可实现一定尺寸范围内的颗粒配对捕捉；

3、可实现规模化捕捉，通过对芯片的拓展设计即可实现规模化的配对捕捉。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种微小颗粒配对捕捉芯片，所述芯片包括基板、盖板、位于基板上的微电极以及与微电极垂直设置的流道，其特征在于，所述流道包括入口、出口以及连接所述出口和入口的微通道，所述微电极与微通道在基板上垂直设置，所述微电极和微通道重合部分垂直位置的盖板上设置有若干开口朝向所述入口的U型柱，其中，

所述微电极包括若干等间距间隔设置的第一电极和第二电极；

所述第一电极上等间距地设有若干朝向入口凸出的半圆形第一电极凸出部，且相邻的第一电极上的凸出部交错设置；

所述第二电极上等间距地设有若干朝向入口且与第二电极垂直设置的第二电极凸出部，所述第二电极凸出部与第一电极凸出部一一对应设置；

所述U型柱设置于所述第二电极凸出部垂直位置的盖板上，且U型柱的开口与第一电极凸出部的开口相对设置；

所述U型柱顶部与盖板相连，U型柱底部与基板不接触，存在一定的间隙，所述微小颗粒包括颗粒A和颗粒B，颗粒A的直径大于颗粒B的直径，所述间隙大于颗粒B的直径且小于颗粒A的直径。

2.一种应用所述权利要求1中芯片的微小颗粒配对捕捉方法，微小颗粒包括颗粒A和颗粒B，所述颗粒A的直径大于颗粒B的直径，其特征在于，所述方法包括：

S1、从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒A的去离子水溶液，U型柱开始捕捉颗粒A；

S2、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒A；

S3、对芯片的微电极电极施加脉冲电压，然后从芯片的入口以额定流量注入含有颗粒B的去离子水溶液；

S4、从芯片的入口以额定流量注入去离子水，清洗微通道中多余的颗粒B。

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