CN102936754B - 一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于生物医学工程技术领域的一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片。此芯片由基底层、接地层、第一绝缘层、微线圈阵列层、第二绝缘层、铁磁体层、第三绝缘层依次层叠而成，第一绝缘层、第二绝缘层、铁磁体层和第三绝缘层上分别刻蚀有导电窗口；微线圈阵列层由微线圈阵列和正极焊盘构成，铁磁体层对应微线圈阵列层的微线圈有通孔阵列；本发明的芯片利用图形化微线圈阵列形成梯度磁场，形成一些列无形的磁性颗粒牢笼，将磁性颗粒向中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚，提高了细胞图形化的效率，缩短细胞图形化的周期，同时使单细胞图形化操作步骤得到简化。

Description

一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片。

背景技术

大部分传统的生物实验得到的数据都是大量细胞的统计平均结果。然而细胞由于离子通道状态的不同、细胞骨架的动态表现、细胞内部网络的不同等原因，具有个体的差异性。传统的生物实验往往忽略了单个细胞的差异性所携带的丰富的信息。有关研究表明，癌细胞强大的适应性和抗药性来源于癌细胞的个体差异，因此对异质性细胞的针对性研究对于探究癌细胞机理、研制抗癌药物至关重要，而将细胞图形化为单细胞阵列是实现单细胞异质性检测的重要方法和途径。

基于可调节微磁场的细胞阵列芯片是一种基于MEMS微加工技术、具有图形化微线圈阵列的芯片，它具有磁场梯度大、图形化效率高等特点。其工作原理如下：利用图形化微线圈阵列形成梯度磁场，即在线圈区域内能产生一个中间磁感应强度大，外围磁感应强度逐渐减小的磁场，这样的磁场就会像一个无形的牢笼，将磁性颗粒向中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚。而我们可以将细胞通过特定方法连接上磁性颗粒，即可将细胞和磁性颗粒作为一个带磁性的整体（此方法我们已经掌握），所以我们可以通过图形化的微线圈形成的图形化梯度磁场捕获细胞，从而实现细胞的图形化。

近年来随着微纳制造技术的高速发展，利用微纳制造技术制作的芯片实验室成为下一代单细胞检测的工具。目前单细胞阵列手段主要分为两类：一类是利用生物化学手段在基板上对细胞外基质、多肽或者其他聚合物进行图形化，造成细胞对基板上不同位置的亲和性的差异，从而实现图形化。2006年加州大学伯克利分校的Dino Di Carlo,Liz Y. Wu等人用PDMS制作了一套微流体系统来对细胞进行拦截，从而形成单细胞阵列；由于这类方法将细胞限制在基板上而易造成细胞的变形和凋亡，不适合用于诊断和细胞动态分析。

另一类是利用物理的方法，如微流体、介电泳、微磁场等方法对细胞进行定位。2003年M. Fre′ne′a等人利用负介电泳原理设计了一套微电极阵列，实现了单细胞定位。这些方法对细胞的危害较小，且方便进行疾病诊断、药物筛选以及细胞动态分析等操作，但只实现了细胞定位，没有实现单细胞图形化。

而2008年KosukeIno等人采用磁性阳离子脂质体（MCL）标记细胞后，利用电火花加工后的具有针状表面铁块配合永磁铁形成高梯度磁场阵列从而实现了单细胞定位，实现了细胞图形化，但装置的制作工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服目前单细胞图形化芯片效率低、周期长的问题，提供一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片。

一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，由基底层、接地层、第一绝缘层、微线圈阵列层、第二绝缘层、铁磁体层、第三绝缘层依次层叠而成，所述第一绝缘层、第二绝缘层、铁磁体层和第三绝缘层上分别刻蚀有导电窗口；所述微线圈阵列层由微线圈阵列和正极焊盘构成，其中微线圈阵列共用一个正电极，并通过第一绝缘层的导电窗口连接到接地层；所述铁磁体层对应微线圈阵列层的微线圈有通孔阵列；

所述导电窗口的边长为15-25μm。

所述基底层为载玻片。

所述接地层为Ti、Cu中的一种或两种，其厚度为280-320nm。

所述微线圈阵列层的正极焊盘能通过第二绝缘层到第三绝缘层的导电窗连接到外部电源正极。

所述微线圈阵列层的材料为Ti、Cu中的一种或两种，线圈线宽为10μm-15μm，扎数为5或6，单个微线圈整体直径为280-320μm，线圈厚度为400nm-600nm。

所述第一、二绝缘层的材料为Si或SiO₂，厚度均为180-220nm。

铁磁体层的通孔阵列的通孔直径为1μm-15μm。

所述第三层绝缘层为SiO₂。

本发明的有益效果为：利用图形化微线圈阵列形成梯度磁场，形成一些列无形的磁性颗粒牢笼，将磁性颗粒向中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁场内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚，提高了细胞图形化的效率，缩短细胞图形化的周期，同时使单细胞图形化操作步骤得到简化。

附图说明

图1整体芯片的截面图；

图2是微线圈阵列示意图；

其中各标号为：1-基底层，2-接地层，3-第一绝缘层，4-微线圈阵列层，5-第二绝缘层，6-铁磁体层，7-第三绝缘层，8-导电窗口，9-正极焊盘，10-微线圈阵列，11-通孔阵列。

图3掩膜版显微镜照片（左为阳板，右为阴板）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明提出的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，由基底层、接地层、第一绝缘层、微线圈阵列层、第二绝缘层、铁磁体层、第三绝缘层依次层叠而成，所述第一绝缘层、第二绝缘层、铁磁体层和第三绝缘层上分别刻蚀有导电窗口；所述微线圈阵列层由微线圈阵列和正极焊盘构成，其中微线圈阵列共用一个正电极，并通过第一绝缘层的导电窗口连接到接地层；所述铁磁体层对应微线圈阵列层的线圈有通孔阵列，如图1所示。

上述芯片其制备过程为：

步骤1: 将4英寸圆形Pyrex双面抛光玻片，用泡洗液清洗并烘干；

步骤2: 在玻璃上均匀溅射一层Ti(50nm)/Cu(200nm)/Ti(50nm)作为接地层；

步骤3: 用PECVD沉积200nm SiO2作为第一绝缘层；

步骤4:用导电窗口掩膜版干法刻蚀绝缘层，形成导电连接窗口。导电连接窗口刻蚀到金属层停止；

步骤5:利用lift-off工艺制作正极焊盘和微线圈阵列，即用线圈掩膜版光（如图3所示）刻后均匀溅射一层Ti(100nm)/Cu(300nm)/Ti(100nm)，之后剥离光刻胶；

步骤6:用PECVD沉积200nm SiO2作为第二绝缘层；

步骤7:利用lift-off工艺制作带孔铁磁体层，即用导电窗口掩膜版光刻后均匀溅射一层Ti(30nm)/Fe(500nm)/Ti(30nm)，之后剥离光刻胶，为铁磁体层，其通孔阵列的通孔直径为1μm-15μm；

步骤8:用PECVD沉积500nm SiO2作为第三绝缘层；

步骤9:用焊盘掩膜版干法刻蚀绝缘层，形成导电窗口。导电窗口的边长大为20μm，导电连接窗口分别刻蚀到相应的金属层停止；

步骤10:划片、去胶并清洗。

其中为线圈阵列层的设计如图2所示，其中线圈3线宽10-15μm，线圈之间的间隙为18-22μm，支路线宽230-250μm，主路线宽2宽为940-980μm，焊盘1大小1500X1500μm。

该发明基于以下理论，当顺磁体未达到磁饱和状态时，顺磁体在真空中受到的磁力大小如公式（1-1）所示。

$F_M=\frac{\mathrm{\χV}}{{\mathrm{\μ}}_0}B\▿B---(1-1)$

其中χ为磁化系数；V为顺磁体体积；μ₀为真空磁导率；B为磁感应强度；

为磁感应强度梯度。

当顺磁体达到磁饱和状态时，其磁化强度为一常数，不随磁感应强度的变化而变化，此时磁力大小与磁感应强度的梯度成正比，如公式（1-2）所示。

$F_M=m\▿B---(1-2)$

其中m为磁化强度；

为磁感应强度梯度。以上两式中的磁力F_M和磁感应强度B均为矢量，磁力方向与磁感应强度梯度的方向一致，指向|B|值大的方向。

当线圈阵列通上恒定的直流电后，可形成高梯度的微磁场阵列。即在各线圈区域能产生一个中间磁感应强度大，外围磁感应强度逐渐减小的磁场，这样就形成一个磁陷阱，能将磁性颗粒向陷阱中心吸引，磁性颗粒一旦进入磁陷阱内部，若没有足够的力就无法使其脱离该磁场的束缚。同时为将线圈阵列产生的磁陷阱直径大小控制在与细胞直径大小相匹配的范围内，本发明添加了一层带孔阵列的铁磁体层，它能将线圈阵列产生的磁场起到过滤作用，将磁陷阱大小控制在细胞直径大小，且能够增大磁场梯度，同过公式（1-1、1-2）能够看出，带孔阵列的铁磁体层能够加大磁性颗粒的捕获精度和能力，从而可以实现更准确、高效率的单细胞图形化，并且缩小了细胞图形化的周期。

Claims (10)

1.一种基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：由基底层、接地层、第一绝缘层、微线圈阵列层、第二绝缘层、铁磁体层、第三绝缘层依次层叠而成，所述第一绝缘层、第二绝缘层、铁磁体层和第三绝缘层上分别刻蚀有导电窗口；所述微线圈阵列层由微线圈阵列和正极焊盘构成，其中微线圈阵列共用一个正电极，并通过第一绝缘层的导电窗口连接到接地层；所述铁磁体层对应微线圈阵列层的微线圈有通孔阵列；

2.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述导电窗口的边长为15-25μm。

3.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述基底层为载玻片。

4.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述接地层为Ti、Cu中的一种或两种，其厚度为280-320nm。

5.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述微线圈阵列层的正极焊盘能通过第二绝缘层到第三绝缘层的导电窗连接到外部电源正极。

6.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述微线圈阵列层的材料为Ti、Cu中的一种或两种，线圈线宽为10μm-15μm，扎数为5或6，单个微线圈整体直径为280-320μm，线圈厚度为400nm-600nm。

7.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述第一、二绝缘层的材料为Si或SiO₂，厚度均为180-220nm。

8.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述铁磁体层的材料为Fe，其厚度为500-600nm。

9.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：铁磁体层的通孔阵列的通孔直径为1μm-15μm。

10.根据权利要求1所述的基于可调节微磁场的细胞阵列芯片，其特征在于：所述第三层绝缘层为SiO₂。

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