CN103341372A - 一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构及其制作方法，该芯片包括样品液入口1，状阵列结构6，锥形聚焦结构7，微通道8，检测区4，扩流通道9，废液出口端5；柱状阵列结构6具有过滤样品液内部的团聚蛋白质杂质及其他大块生物固体杂质的作用；锥形聚焦结构7具有类似于传统的鞘流液系统的聚焦效果，使得细胞颗粒单个流入微通道8；微通道8通过通道束缚细胞使其单个通过检测区4。本发明所述芯片结构可以实现无鞘流液的聚焦作用而不产生堵塞从而减少了鞘流液的使用，同时保证了细胞颗粒单个通过检测区。该微流控芯片加工方法方便，所用的键合方法为常用的键合方法，操作简便，使用材料PDMS易于加工且具有良好的生物兼容性。

Description

一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于流式细胞仪的微流控芯片的结构及制备方法。

背景技术

流式细胞术是一种对处在液流中的细胞颗粒逐个进行自动分析和检测的技术。流式细胞仪（FCM）正是基于流式细胞术的基本原理，综合利用计算机技术、激光技术、机械力学、细胞化学、细胞免疫学等技术来实现细胞检测及分析功能的一种现代化生物医学仪器。其中样品聚焦是流式细胞仪的关键模块，整个聚焦过程是通过外力作用对样品液实现聚焦作用。但是整个系统体积庞大结构复杂价格昂贵，而微流控芯片技术的出现有望将细胞聚焦微型化，从而使整体系统微型化。

目前在微流控芯片上实现细胞聚焦的方法按有无鞘流液实现细胞聚焦分为两大类。一种是通过鞘流液聚焦的方式来实现细胞颗粒逐个通过检测区。比如文献：[1Golden JP,Kim JS,Erickson JS,Hilliard LR,Howell PB,Anderson GP,Nasir M,Ligler FS(2009)Lab Chip9:1942–1950；2Lee MG,Choi S,Park JK(2009).Lab Chip9:3155–3160；3Watkins N,Venkatesan BM,Toner M,Rodriguez W,Bashir R(2009).Lab Chip9:3177–3184]报道的直接使用鞘流液（2D或3D）同时对样品流形成包裹挤压作用，把样品流聚焦在通道中央处。参阅图1，传统的鞘流式微流控芯片利用外界注射泵从样品液入口1注入样品液，往鞘流液入口2注入鞘流液，然后样品液和另外两路鞘流液同时流到鞘流汇聚区3，鞘流液的挤压作用将样品液中的细胞颗粒包夹成线性排列流入鞘流通道18，而后通过检测区4，最后废液通过废液出口端5流出。该方法原理与传统的流式细胞仪的鞘流液聚焦的方式类似，通过引进鞘流液对样品液进行挤压包裹从而实现单个细胞颗粒流过检测区。该种方法引进鞘流液从而增加了整体液体的引入量，使得整个微流控芯片复杂化，同时也增加了引入样品液控制的难度。

另一种方法无需使用鞘流液，通过外界施加的场力或通道内流体产生的压力对细胞颗粒产生聚焦作用力从而实现聚焦作用使得细胞单个通过检测区。根据聚焦作用力的来源可以将无鞘流式聚焦方式分为主动式和被动式。主动式的聚焦方法如文献[4ShiJ,Mao X,Ahmed D,Colletti A,Huang TJ(2008).Lab Chip8:221–223；5Chu H,Doh I,Cho Y(2009)Lab Chip9:686–691；6Zhu J,Xuan X(2009a)30:2668–2675]报道的分别通过人为外界引入声场、直流偏置交流电场等外界场力将细胞颗粒聚焦成单个排列，最终实现单个细胞颗粒通过检测区。由于该种方法需要从外界引入其他的场力，从而复杂化了整个聚焦系统的结构，同时增加了整个微流控芯片的制作难度。

被动式的样品聚焦方法如文献[7Aoki R,Yamada M,Yasuda M,Seki M(2009).Microfluid Nanofluid6:571–576；8Park J,Song S,Jung H(2009).Lab Chip9:939–948；9Di Carlo D,Irimia D,Tompkins RG,Toner M(2007)Proc Natl Acad Sci104:18892–18897]报道的分别利用流体分离后回流作用力、流体惯性升力与涡流效用作用力、惯性迪恩流升力等将细胞颗粒聚焦成单个排列，最终实现单个细胞颗粒通过检测区。由于该种方法无需引入鞘流液和外界场力从而芯片结构更加紧凑，但是该方法不仅需要对液体进行较精确的控制，而且细胞颗粒位置波动比较大而不利于后续光学检测，同时需要较大的样品量及较长的通道流通过程，而至整体微流控芯片体积较大。

无论上述哪类细胞颗粒聚焦方式都没有真正在微流控芯片上实现简易的细胞颗粒聚焦使细胞颗粒单个排列通过检测区，同时根据美国NASA研究表明鞘流液等液体压力作用的聚焦方式在微重力环境中将难于实现其颗粒稳定聚焦功能。专利公开号为US：2009/0042241A1的专利中采用了简易的缩口型的无鞘流细胞颗粒聚焦方式，虽然此种方式能够建议的实现细胞颗粒的聚焦，但是其使用通道为细小通道，容易因大颗粒杂质而引起流动通道的堵塞，最后使得整个芯片失效。因此在保证细胞排成单列逐个通过检测区而不影响检测结果准确性的前提下解决上述几个问题，需要对现有的微流控结构进行创新设计，使之能够实现细胞颗粒聚焦的功能同时具有防止细胞颗粒流动通道堵塞的作用，又便于加工制备，具有较好的经济性及实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够防止通道堵塞实现细胞颗粒无鞘流聚焦的新型流式细胞仪用微流控芯片结构，以及加工制备这种结构的一种工艺方法。本发明的技术方案是：

参阅图2，一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构，主要包括样品液入口1，状阵列结构6，锥形聚焦结构7，微通道8，检测区4，扩流通道9，废液出口端5；所述样品液入口1与注射泵引入接口尺寸相配；柱状阵列结构6位于锥形聚焦结构7靠近样品液入口1处，相邻两排微柱之间的尺寸间隔为d1，d1满足：d0<d1<d2，其中，d0为注入样品液中最大细胞直径，d2为微通道8的横截面宽度，从而使得柱状阵列结构6具有过滤样品液内部的团聚蛋白质杂质及其他大块生物固体杂质的作用，而保证整个芯片能够正常工作；锥形聚焦结构7具有类似于传统的鞘流液系统的聚焦效果，使得细胞颗粒单个流入微通道8，其展开角度20°～60°；微通道8通过通道束缚细胞使其单个通过检测区4，微通道8横截面宽度d2满足：d0<d2<1.5d0，检测区4为光学检测系统检测光束照亮的区域；扩流通道9主要实现对检测后的废液进行疏散，而不会因为微通道8过小而无法及时使液体流出通道；废液出口端5用于连接引出芯片的导管，使得废液流出整个微流控芯片。

参阅图3，其工作过程：

首先样品液在外界注射泵的压力推动作用下，从样品液入口1流入；在流经柱状阵列结构6时，尺寸大于微柱间隔的团聚蛋白质杂质及大体积团聚杂质10被过滤掉，而小于微柱间隔的细胞颗粒11通过柱状阵列结构6流入锥形聚焦结构7；细胞颗粒11在锥形聚焦结构7的聚焦作用下单个流入微通道8；而后单个细胞颗粒在微通道8内流经检测区4，在光束的照射下产生相对应的光学信号；然后样品液流入扩流通道9，最后通过废液出口端5流出整个芯片，从而完成整个工作过程。

一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构的制备方法，采用厚胶模具与氧等离子体键合方法进行键合，具体过程包括如下步骤：即

步骤1：清洗单抛硅片基底；

步骤2：在经过清洗的硅基底抛光面上涂敷厚度为1.5d0的SU-8光刻胶；

步骤2：以微流控芯片结构为掩模版结构，利用紫外光对SU-8光刻胶进行曝光；

步骤4：对经过曝光后的SU-8光刻胶进行显影，形成所需的SU-8结构，从而获得相对应的SU-8阳模具；

步骤5：用铝箔纸将所获得的SU-8阳模具围起来形成一个浇铸模具；

步骤6：将PDMS预聚体与偶联剂混合物抽真空后倒入浇铸模具，并将其置于烤箱中烘烤固化；

步骤7：将铝箔纸与固化后的PDMS及硅基底剥离，并将固化后的PDMS与模具剥离，得到所需的PDMS结构；

步骤8：利用打孔器在PDMS结构对应位置上打出所需的样品液注入口和废液出口，从而得到所需的微流控芯片结构；

步骤9：将步骤8所得的微流控芯片结构及载玻片清洗干净并吹干，后利用氧等离子体对微流控芯片结构和载玻片的贴合表面进行处理，最后将两者贴合在一起；

步骤10：将步骤9所得贴合组件放入烤箱中烘烤，冷却取出得到具有细胞聚焦功能微流控芯片。

本发明所述用于流式细胞仪的微流控芯片结构，可以实现无鞘流液的聚焦作用而不产生堵塞从而减少了鞘流液的使用，同时保证了细胞颗粒单个通过检测区。该微流控芯片加工方法方便，所用的键合方法为常用的键合方法，操作简便，使用材料PDMS易于加工且具有良好的生物兼容性。

附图说明

图1是传统的鞘流式微流控芯片的平面结构示意图

图2是本发明提出的无鞘流式微流控芯片的平面结构示意图

图3是本发明提出的无鞘流式微流控芯片的工作过程平面示意图

图4是本发明提出的用于流式细胞仪的微流控芯片结构的一种制备工艺示意图。

图中：1样品液入口，2鞘流液入口，3鞘流汇聚区，4检测区，5废液出口，6柱状阵列结构，7锥形通道，8微通道，9扩流通道，10大体积团聚杂质，11血细胞颗粒，18鞘流通道100紫外光，20单抛硅片基底，21SU-8光刻胶，22掩模版，23SU-8结构，24PDMS预聚体与偶联剂混合物，25PDMS结构，26样品液注入口，27废液出口，28载玻片，29微流控芯片，201抛光面，30微流控芯片结构，300铝箔纸。

具体实施方案

本实施例中一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构，该结构用于对人体血液样品进行细胞计数，注入样品液中最大细胞直径d0=25μm，主要包括样品液入口1，状阵列结构6，锥形聚焦结构7，微通道8，检测区4，扩流通道9，废液出口端5；所述样品液入口1与注射泵引入接口尺寸相配；柱状阵列结构6位于锥形聚焦结构7靠近样品液入口1处，相邻两排微柱之间的尺寸间隔为d1=35μm，从而使得柱状阵列结构6具有过滤样品液内部的团聚蛋白质杂质及其他大块生物固体杂质的作用，而保证整个芯片能够正常工作；锥形聚焦结构7具有类似于传统的鞘流液系统的聚焦效果，使得细胞颗粒单个流入微通道8，其展开角度40°；微通道8通过通道束缚细胞使其单个通过检测区4，微通道8横截面宽度d2=40μm，检测区4为光学检测系统检测光束照亮的区域；扩流通道9主要实现对检测后的废液进行疏散，而不会因为微通道8过小而无法及时使液体流出通道；废液出口端5用于连接引出芯片的导管，使得废液流出整个微流控芯片。

参阅图3，其工作过程：

首先样品液在外界注射泵的压力推动作用下，从样品液入口1流入；在流经柱状阵列结构6时，尺寸大于微柱间隔的团聚蛋白质杂质及大体积团聚杂质10被过滤掉，而小于微柱间隔的细胞颗粒11通过柱状阵列结构6流入锥形聚焦结构7；细胞颗粒11在锥形聚焦结构7的聚焦作用下单个流入微通道8；而后单个细胞颗粒在微通道8内流经检测区4，在光束的照射下产生相对应的光学信号；然后样品液流入扩流通道9，最后通过废液出口端5流出整个芯片，从而完成整个工作过程。

一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构的制备方法，采用厚胶模具与氧等离子体键合方法进行键合，具体过程包括如下步骤：即

步骤1：如图4(a)，提供的单抛硅片基底20，用5%的HF对其进行浸泡清洗，后用去离子水进行喷淋清洗；

步骤2：如图4(b)，在步骤1中获得的硅基底20的抛光面201上涂敷厚度为40μm的SU-8光刻胶21。

步骤3：如图4(c)所示提供掩模版22，此掩模版为图2中微流控芯片结构的曝光图案，利用紫外光100对SU-8光刻胶21进行曝光；

步骤4：对经过步骤3曝光后的SU-8光刻胶21进行显影，形成所需的SU-8结构23，从而获得如图4(d)所示的SU-8阳模具；

步骤5：用铝箔纸300将步骤4所获得的SU-8阳模具围起来形成一个如图4(e)所示的浇铸模具；

步骤6：将PDMS预聚体与偶联剂混合物24抽真空后倒入浇铸模具，并将其置于70°C的烤箱中烘烤1.5h固化，固化后如图4(f)所示；

步骤7：将铝箔纸300剥离，并将固化后的PDMS与模具剥离，得到所需的PDMS结构25，如图4(g)所示；

步骤8：利用打孔器在PDMS结构25设计的对应位置上打出所需的样品液注入口26和废液出口27，从而得到所需的微流控芯片结构30，如图4(h)所示；

步骤9：将步骤8所得的微流控芯片结构30及载玻片28清洗干净并吹干，后利用氧等离子体对微流控芯片结构30和载玻片28的贴合表面进行处理，最后将两者贴合在一起；

步骤10：将步骤9所得贴合组件放入烤箱中60°C烘烤2小时，最后冷却取出得到具有细胞聚焦功能的微流控芯片29，如图4(i)。

由上述10个步骤完成微流控芯片的制备过程。

Claims (3)

1.一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构，其特征在于：主要包括样品液入口（1）、状阵列结构（6）、锥形聚焦结构（7）、微通道（8）、检测区（4）、扩流通道（9）、废液出口端（5）；所述柱状阵列结构（6）位于锥形聚焦结构（7）靠近样品液入口（1）处，相邻两排微柱之间的尺寸间隔为d1，d1满足：d0<d1<d2，其中，d0为注入样品液中最大细胞直径，d2为微通道（8）的横截面宽度；锥形聚焦结构（7）的聚焦效果，使得细胞颗粒单个流入微通道（8）；微通道（8）通过通道束缚细胞使其单个通过检测区（4），微通道（8）横截面宽度d2满足：d0<d2<1.5d0，检测区（4）为光学检测系统检测光束照亮的区域；扩流通道（9）主要实现对检测后的废液进行疏散；废液出口端（5）用于连接引出芯片的导管，使得废液流出整个微流控芯片。 

2.一种用于流式细胞仪的微流控芯片结构，其特征在于：所述锥形聚焦结构（7）展开角度20°～60°。 

3.一种如权利要求1或2所述微流控芯片结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤： 

步骤1：清洗单抛硅片基底； 

步骤2：在经过清洗的硅基底抛光面上涂敷厚度为1.5d0的SU-8光刻胶； 

步骤2：以微流控芯片结构为掩模版结构，利用紫外光对SU-8光刻胶进行曝光； 

步骤4：对经过曝光后的SU-8光刻胶进行显影，形成所需的SU-8结构，从而获得相对应的SU-8阳模具； 

步骤5：用铝箔纸将所获得的SU-8阳模具围起来形成一个浇铸模具； 

步骤6：将PDMS预聚体与偶联剂混合物抽真空后倒入浇铸模具，并将其置于烤箱中烘烤固化； 

步骤7：将铝箔纸与固化后的PDMS及硅基底剥离，并将固化后的PDMS与模具剥离，得到所需的PDMS结构； 

步骤8：利用打孔器在PDMS结构对应位置上打出所需的样品液注入口和废液出口，从而得到所需的微流控芯片结构； 

步骤9：将步骤8所得的微流控芯片结构及载玻片清洗干净并吹干，后利用氧等离子体对微流控芯片结构和载玻片的贴合表面进行处理，最后将两者贴合在一起； 

步骤10：将步骤9所得贴合组件放入烤箱中烘烤，冷却取出得到具有细胞聚焦功能微流控芯片。 

Images