CN103403551B - 用于高样本通过量的磁流量细胞计数器 - Google Patents

用于高样本通过量的磁流量细胞计数器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种测量设备，其制造和在磁流量细胞计数器上的应用，其中微流体通道沿聚积路径布置，使得流动通过微流体通道的、被磁性标记的细胞样本在磁导向条上定向，通过磁体的磁场聚积在通道底部上，且在传感器上导引。在此，在支承传感器的半导体芯片的封装上实现了带有微流体通道的聚积路径。此结构保证了对于大样本体积的高通过量的长聚积路径。

Description

用于高样本通过量的磁流量细胞计数器
技术领域
本发明涉及一种流动中的磁性细胞检测。
背景技术
在细胞测量和细胞检测的范围内，除例如散射光或荧光测量的光学测量方法外，也已知磁性检测方法，其中待检测的细胞类型通过磁性标签可标记。
尤其，已知了用于磁性测量的方法，其中通过磁泳从复杂的细胞悬液中，例如从血液样本中选出被磁性标记的细胞。为此，此复杂的悬液必须首先被相应地制备，使得待检测的细胞可从其中分离。磁性标记尤其通过在复杂的细胞样本中引入细胞特定的标志来实现。磁泳目前用于分类被磁性标记的细胞或一般的磁性微粒。
在用于细胞检验的磁阻传感器的范围内，但也可以对于复杂悬液中的磁性标记的细胞在流过时动态地计数。为此，重要的是使细胞单独地相继地流动经过传感器，且使磁性标记的细胞足够靠近磁阻传感器地导引经过该磁阻传感器。
因此，在磁流量细胞计数器中，被标记的细胞在通道内靠近表面地运输经过磁体传感器。磁性标记的细胞靠近传感器是关键的，因为磁性标志的散射磁场-根据所述散射磁场最后通过传感器检测细胞-随距离三次方下降。
为保证被标记的细胞直接相邻传感器地经过该传感器，基本上可考虑，细胞样本流动通过的通道的直径构造为尽可能小。即，在极限情况中，通道直径的大小刚好使得单独的细胞可经过。在此，当然成问题的是所存在的污染物或干扰微粒很快地导致通道的阻塞。
而如果通道构造为更大，则一些被标记的细胞在传感器的作用范围之外经过传感器且因此未被检测的可能性也升高。这可通过被磁性标记的细胞在传感器上的聚积克服：已显示，尽可能长的聚积路径通过高达1cm的长度的微流体通道积极地导致在聚积路径结束处被磁性标记的细胞的几乎100%从复杂的悬液中聚积在通道底部上，使得可通过磁传感器进行检测。但在其上形成了磁泳部件的半导体基片上布置此类的场聚积路径导致了基片的高的纵横比，这除导致尤其是硅晶片的半导体基片的整个面积的高成本之外，也导致在制造过程中处理时的问题。流过的速度越高且在样本中的细胞浓度越高，则定向长度必须选择为越长，以便保证在通过传感器时刻被磁性标记的细胞的足够充分的聚积。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是创造一种用于磁性细胞检测的设备，所述设备实现了在样本通过体积提高的情况下的半导体芯片的缩小。
此技术问题通过一种根据权利要求1的用于磁流量细胞计数器的设备解决。对应的制造方法在权利要求10中给出。用于磁性细胞检测的方法在权利要求15中描述。本发明的有利的构造是从各属权利要求的主题。
根据本发明的用于磁流量细胞计数器的设备包括基片上的磁阻传感器和聚积路径。在此，聚积路径分为第一部分和第二部分。聚积路径的第二部分布置在基片上，聚积路径的第一部分布置在基片旁的载体上，使得聚积路径在基片的边缘上走向。
为形成尽可能长的聚积路径，而不为此必需放大其上构建了磁阻传感器的半导体基片，将聚积路径形成在基片旁。尤其，聚积路径和基片共享共同的载体，例如电路板。在此电路板上安装带有传感器的半导体基片，将其电连接且因此装入封装内，所述封装使电触点绝缘且被保护以防腐蚀以及防机械损坏。在此载体基片上或在安装于载体基片上的封装材料上现在可构造任意长度的聚积路径。例如，聚积路径可曲折地构造，且在通过弯曲部分连接的多个轨道内走向，直至所述聚积路径到达带有传感器的半导体芯片为止。尤其，为形成细胞样本可流动通过的通流室，使用封装材料。封装尤其以注塑方法进行，通过此方法可制造通流室。
有利地，聚积路径包括磁性导向条，所述导向条尤其是铁磁性的。作为用于导向条的铁磁性材料，例如可考虑镍。为此，也可使用铁磁合金。
在本发明的有利的构造中，尤其是微流体通道的通流室沿聚积路径形成，使得流动通过微流体通道的被磁性标记的细胞样本在聚积路径的磁性导向条上定向。即，磁性导向条和被磁性标记的细胞相互作用，使得细胞在细胞悬液内部进行定向，因此所述细胞的磁性标签的散射场通过传感器导致尽可能高的信号。
在本发明的另外的有利的构造中，设备包括磁体，所述磁体布置为使得流动通过微流体通道的被磁性标记的细胞样本通过此磁体的磁场聚积在通道底部上。即，除通过磁性导向条的导引外，磁体尤其是永磁体的磁场在细胞悬液内部的被标记的细胞上施加了磁性力，且所述被标记的细胞在从细胞悬液到通道底部的方向上运动。
被磁性标记的细胞的聚积和定向的优点是所述被磁性标记的细胞在通道底部附近的且因此靠近磁阻传感器的浓度升高。传感器为此而合适地安装在通道底部上，使得所述传感器可检测到基本上所有被标记的细胞。如果细胞在聚积和定向前仍在整个样本体积内均匀分布，则聚积和定向导致保证了传感器上的单独细胞检测。
在本发明的有利的构造中，微流体通道的第一部分和第二部分以及磁阻传感器布置为使得流动通过微流体通道的被磁性标记的细胞样本首先在聚积路径的第一部分上导引通过微流体通道的第一部分，且然后在聚积路径的第二部分上导引通过微流体通道的第二部分，且在传感器上导引。在此，微流体通道的第二部分和聚积路径的第二部分分别构造为，使得它们可修正分别与微流体通道的第一部分和聚积路径的第一部分的错移量。此类错移可在其上设有磁阻传感器的基片和其上又设有该基片的载体汇合在一起时实现。微流体通道以及第二聚积路径的第二部分导致，至少参考流动的被磁性标记的细胞样本聚积和定向修正该错移量。即到达传感器上的被磁性标记的细胞在通道底部上聚积且定向为如同在聚积路径以内不存在由于从载体到基片的过渡的错移。
尤其，聚积路径的最小长度为15000μm。但在此，基片尤其具有最高18000μm的最大长度。因为尤其是如硅的半导体基片很昂贵，所以小的面积需求具有很大优点。对于半导体基片的小的面积需求如下这样得以保证：在基片上仅需存在具有刚好补偿在将基片安装在载体上时的错移量的长度的聚积路径部分。但聚积和定向的主要部分可在载体上的聚积路径的第一部分内通过。
已显示，聚积路径的最小长度具有优点，即高浓度的细胞样本也可在聚积路径结束时，在通道底部上聚积为且因此沿聚积路径的磁性导引线定向为，使得在扫过磁阻传感器的时刻保证了单独细胞识别。
在半导体芯片和载体汇合在一起时，可出现典型地小于100μm的小的偏差，即错移。即，聚积路径的第一部分定向朝向一个不同于实际上设置磁阻传感器的点。为对其进行补偿，也在半导体芯片上在通向传感器的微粒体通道的最后的部分上也形成了聚积路径，所述聚积路径具有铁磁性的条，通过所述铁磁性的条将聚积的且定向的细胞向传感器集中。细胞尤其跟随层状流量断面。对于尽可能靠近传感器表面的通道底部的细胞的聚积，磁性条受到磁性梯度场，所述梯度场例如通过部件装置下方的永磁体生成，或通过磁流量细胞计数器的上方和下方的两个磁体生成。
设备的磁阻传感器尤其是GMR传感器(GMR=Giant Magnto Resistance或巨磁阻)，例如设备的磁阻传感器是TMR传感器(TMR=Tunnel MagnetoResistance或隧道磁阻)，或设备的磁阻传感器是AMR传感器(AMR=各向异性磁阻)。
以上所述的设备的制造包括如下步骤：在半导体基片上制造磁阻传感器，将聚积路径的第二部分施加在半导体基片上，将半导体基片封装到载体上，以及将载体上的磁阻传感器的电触点的引出，最后形成聚积路径的第一部分。此方法的优点是使用小的半导体基片面积，使得可构建大的聚积路径。半导体芯片的封装是微系统技术中的通行的方法，所述封装用于绝缘、防腐蚀保护以及对接触的防损坏保护且将半导体芯片固定在例如电路板的载体上。封装和载体例如被进一步使用，使得在载体上形成了聚积路径的长的部分，使得在细胞悬液被导引到带有传感器的半导体芯片上之前进行随后主要的聚积和定向。
优点尤其在于，因此对于例如1细胞/μl的低浓度样本，可在低的硅消耗下实现带有大的体积通过量的大的聚积路径。因此，硅晶片足迹尽可能大地降低。“晶片”例如表示无壳体的半导体芯片，集成电子部件，半导体或传感器基片。当在半导体芯片上制成集成的传感器电路之后，将所述半导体芯片封装在“封装物”内，以保护半导体芯片不受损坏或腐蚀。为此，将半导体芯片首先安装在载体基片上，且集成电路的电触点导出到载体基片上。这例如通过接线或通过通孔敷镀实现。作为用于封装的材料，例如使用陶瓷或聚合物，例如环氧树脂。因此，封装是为完成可能受到环境影响的部件所必需的方法步骤。对于本发明的实施形式的此示例，用于本发明实施形式的例子现在提供双重使用此封装的很大优点，方法是一方面利用附加的面积以将聚积路径布置在其上，另一方面封装材料自身用于形成通流室且这尤其在单独的方法步骤中通过。
在本发明的有利的构造中，在方法中在半导体基片的封装步骤中，从封装材料中形成微流体通道。封装步骤可尤其通过注塑进行。因此，可通过注塑技术形成微流体通道。
在本发明的有利构造中，聚积路径的磁性导向条，尤其是聚积路径的第一部分的磁性导向条直接地沉积在通道底部上。为此，使用例如热蒸发或溅射的方法。因此，通过在封装材料上构造微流体通道，通过导向条的磁性导引装置布置在通道内部。
对于布置在半导体基片上的聚积路径的部分，磁性导向条又可直接沉积在半导体基片上。为此，又可使用热蒸发或溅射过程。
对于用于磁性细胞检测的方法，将被磁性标记的细胞样本注入以上所述的带有在半导体基片旁的附加的载体基片上的聚积路径的设备内。
通过外部场例如永磁体的磁场的聚积和通过铁磁性导轨的磁泳定向优选地在测量过程期间在原位进行。因此，要求对于被磁性标记的细胞的足够长的定向距离，以保证基本上100%的被标记细胞的希望的重新发现率。对于使用铁磁性导轨的聚积和定向距离的正好需要的长度的影响因素是：
1.细胞样本被泵送通过微流体通道的速度，
2.施加的聚积磁体的磁场强度，
3.超顺磁的被标记的细胞在悬液内的浓度，以及
4.所使用的标志的磁特征，
5.细胞悬液的成分和流变性，即例如其流动特征，和
6.被标记的细胞的类型及其在细胞表面上的同位素数量，且因此每细胞的顺磁标志的数量，这确定了待检测的散射场的强度。
细胞悬液尤其借助压力降低通过微流体通道泵送。压力降低可例如通过手动操作注射器或注射器系统产生。因此保证，出现无再循环的细胞样本的层流。因为细胞和包围细胞的复杂介质近似于具有相同的密度，所以在曲折形的流体通道的弯曲区域内也仅出现小的离心力，且被标记的细胞可保留在其轨道上。
因此在磁流量细胞计数器中，关键的是使被磁性标记的细胞很靠近磁阻传感器地从其旁边经过。因为细胞样本流过例如微流体通道的通流室，所以被标记的细胞必须在此通流室内靠近所述通流室的其处安装了磁阻传感器的内表面被运输。尤其，通道壁直接接触地安装在磁性传感器上。在替代的实施形式中，磁阻传感器嵌入通道壁内。优选地，使用超顺磁标签作为磁性标记。作为磁阻传感器，考虑GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。因此，使被磁性标记的细胞靠近传感器是关键的，因为磁性标记的散射磁场在近场区域内随距离的三次方下降。除了磁性标记的细胞聚积在传感器表面上外，被磁性标记的细胞的定向对于可检测性具有积极影响。在此，被磁性标记的细胞优选地在流过方向上定向为，使得磁性标记的磁场在传感器内导致尽可能明显的信号。在磁流量细胞计数器的情况中，要求尽可能精确地区分伪阳性信号和阳性信号。为此，必须可为阳性信号设置尽可能高的信号阈值，以将其与噪声信号分离。
与将被磁性标记的细胞单独地在传感器上导引的方法(通过使所述细胞在微流体通道内受到微流体通道的直径约束，使得仅单独的细胞可经过所述微流体通道)相比，该方法的优点是实现了直接从未准备的复杂悬液中的基本上100%的单独细胞检测。因此，客服了所述的机械分离细胞的很大的缺点，即，所述机械分离细胞导致流体系统的堵塞。在此类测量设备中，也可精确地地单独确定直径不同的无磁性标记的细胞。细胞例如具有在3μm至30μm的范围内的直径，优选地将细胞导引通过很多直径为10倍至1000倍的更宽的微流体通道。传感器或传感器阵列在此横向于流动方向布置，且例如根据细胞直径具有30μm的宽度。
附图说明
本发明的实施形式以典型的方式参考附图的图1至图6描述：
图1示出了通过微流体通道和基片的横截面，
图2示出了带有磁力线的对应的俯视图，
图3又示出了通过微流体通道和基片的横截面，和
图4示出了带有磁力线的对应的俯视图，
图5示出了通过微流体通道和基片的另外的横截面，和
图6示出了通过微流体通道和基片的另外的横截面，
图7示出了曲折的聚积路径，
图8示出了在聚积路径的第一弯曲部内的磁性导引线。
具体实施方式
图1示出了通过测量设备的实施形式的横截面，且图2示出了对应的俯视图。图3在横截面中示出了本发明的替代实施例且图4示出了对应的俯视图。
用作测量传感器20的基片的半导体芯片12安装在载体板13上。载体板13例如是电子部件的电路板，尤其是铜电路板。电路板13具有触点17，所述触点17例如在图1a和图2a中所示是通过载体板13的引线(Durchführung)。即，触点17将载体板13的上侧和背侧电连接。在此，在半导体芯片12上的测量传感器20的触点通过接线和相应的线电连接装置18与通孔敷镀装置或触点17连接，如在图1中所示，或替代地如在图3中所示通过所谓的硅穿孔28与载体板13的触点17电连接。
在半导体芯片12的部分上，尤其是带有电触点18、28的部分上沉积了封装材料16且因此将半导体芯片12与载体板13连接。触点17、18、28通过封装材料16电绝缘，以及被保护以防腐蚀或机械损坏。未被封装材料16覆盖而暴露的半导体芯片12的部分具有磁阻传感器20。现在，越过封装材料16，细胞样本90可在此被暴露的带有传感器20的半导体芯片的区域上流动。为此，聚积路径10布置越过基片12的边缘。如通过被磁性标记的细胞90和虚线箭头所示，产生了细胞样本90越过传感器20的流动。为此，尤其在测量设备的上方或下方设有永磁体，在所述永磁体的磁场中将被标记的细胞90聚积在封装材料16上且聚积在半导体芯片12上，即在该磁场内将被标记的细胞90导引到封装材料16上，且导引向半导体芯片12。除细胞90在传感器表面上的聚积外，细胞90附加地沿机械的导引线15定向，所述导引线15在图1a至图2b中也分别在横截面中且在俯视图中可见。在横截面中仅可见单独的磁性导引线15朝磁传感器20的方向以聚积路径10的中间轨迹导引。在图1b和图2b中的俯视图中示出了磁导引线15的看似鱼骨形式的优选的布置构造。磁导引线15以小于90°的角度指向聚积路径10的中心线且因此将被磁性标记的细胞90从聚积路径10的边缘向聚积路径10的中心路程导引，使得所述被磁性标记的细胞90可在中心在磁阻的电阻20上导引。
聚积路径10的突出基片12的边缘的大部分处在封装材料16上，所述封装材料16可任意地大面积地沉积。即，基载体板13决定了测量设备的总尺寸。在其上可很简单且廉价地实现大的聚积路径10。如果被磁性标记的细胞90到达带有传感器20的半导体芯片12，则所述细胞90已聚积在传感器表面上且相应地定向。但在半导体芯片12上传感器20前的短的距离又具有短的聚积路径600，所述聚积路径600可用于补偿封装材料16上的聚积路径与传感器20的可能的错移601。如在图4中标记的此类错移601可在将半导体芯片12安装在载体13上时发生。但小的偏差601可通过短的聚积路径600补偿，而无需更长的聚积路径10。因此，在半导体芯片12上的短的聚积路径600足以，所述聚积路径600的总尺寸不明显地提高，但被磁性标记的细胞90在中心在传感器20上导引。
在图5中示出了测量设备上的微流体通道50的可能的实施形式。图5又示出了载体基片13，在所述载体基片13上半导体芯片12通过接线18接触。又示出了封装16，所述封装将电触点17、18绝缘且保护。此外，横截面通过磁导引线15示出，被磁性标记的细胞90沿所述磁导引线15导引。封装材料16和半导体芯片12的表面几乎可以说是微流体通道50的底部，被磁性标记的细胞90聚积在所述底部上。封装材料16尤其以注塑方法施加使得形成微流体通道50，通过所述微流体通道50可导引细胞样本90。尤其，此通道50具有用于细胞样本90的出入口11，所述出入口11在图5中通过出入的箭头表示。图5示出了其中通道壁通过封装材料16实现的示例，且在所述示例中测量设备或微流体通道50通过包封19从上方封闭。
图6又示出了通过替代的实施形式的横截面。与图5不同，为此封装材料16不构造为通道壁，而是在将电绝缘17、18封闭的封装步骤之后，在载体板13上且在封装材料16上沉积通过注塑待加工的另外的材料49，由所述材料49形成了微流体通道50。
横截面显示，微流体通道50又从上方封闭且具有仅一个通过箭头表示的出入口11。也示出，被磁性标记的细胞90又聚积在通道底部上，即在基片12上尤其在磁导引线15上且然后在半导体芯片12和基片20上。
图7示出了曲折的聚积路径10的俯视图。聚积路径10具有三个直的部分路径，所述部分路径通过三个弯曲部K1、K2相互连接。聚积路径10构造为用于被磁性标记的细胞90在通道底部上的定向和聚积。即，图7示出了微流体通道50，所述微流体通道50沿聚积路径10安装，使得被导引通过此微流体通道50的细胞样本90受到永磁体的磁力以便聚积在通道底部上，且与磁导引线15进行磁相互作用。在图7中所示的磁导引线15沿聚积路径10直接在基片12上走向，所述基片12尤其是半导体芯片12的表面。磁导引线15沿直的第一部分路径与聚积路径10的中心线成锐角地走向，且因此将被磁性标记的细胞90导引到通道中部。磁导引线15沿第一弯曲部K1从聚积路径10的边缘走向，即也从微流体通道50的边缘向聚积路径10的中心走向。在此示例中示出了总是沿通道中心布置的中心磁导引线。此外，图7在聚积路径10的俯视图中示出了细胞样本流入到微流体通道内的入口11。
在图8中示出了带有聚积路径的第一弯曲部K1的聚积路径10的部分。在图8中示出了磁导引线15的替代的实施形式。作为平面地在中心线上走向的替代，所述磁导引线15也可以是不同半径的半圆形线，所述半圆形线分别以与微流体通道50的通道壁的固定的距离描述一条轨道。在此示例中，细胞样本内的被磁性标记的细胞90在此轨道上被导引通过弯曲部K1。箭头示意了细胞样本的通过聚积路径10的弯曲部K1的流动方向。

Claims (16)

1.一种用于磁流量细胞计数器的设备，带有：
-半导体基片(12)上的磁阻传感器(20)，和
-聚积路径(10)，其中
所述聚积路径(10)具有第一部分和第二部分，其中所述第二部分布置在所述半导体基片(12)上且所述第一部分布置在所述半导体基片(12)旁的载体(13)的相应位置上，使得所述聚积路径(10)延伸超出所述半导体基片(12)的边缘，所述聚积路径(10)具有磁导向条(15)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述磁导向条(15)是铁磁性的。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中设计成微流体通道(50)的通流室沿所述聚积路径(10)形成，使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁性标记的细胞样本(90)在所述磁导向条(15)上定向。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述设备具有磁体，所述磁体布置为使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁性标记的细胞样本(90)由于所述磁体的磁场而聚积在通道底部上。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述微流体通道(50)的第一部分和第二部分以及所述磁阻传感器(20)布置为，使得流动通过所述微流体通道(50)的、被磁性标记的细胞样本(90)首先在所述聚积路径(10)的第一部分上导引通过所述微流体通道(50)的第一部分，然后在所述聚积路径(10)的第二部分上导引通过所述微流体通道(50)的第二部分，且在所述磁阻传感器(20)上导引通过，其中所述微流体通道(50)和聚积路径(10)的第二部分构造为使得通过它们能在流动的被磁性标记的细胞样本的聚积和定向方面修正分别与微流体通道(50)和聚积路径(10)的第一部分的错移。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述聚积路径(10)的长度至少为15000μm。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述半导体基片(12)在其最大延伸上至多为18000μm。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述磁阻传感器(20)具有GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。
9.一种用于制造根据权利要求1至8中一项所述的设备的方法，所述方法带有如下步骤：
-在半导体基片(12)上制造磁阻传感器(20)，
-将聚积路径(10)的第二部分施加在所述半导体基片(12)上，
-将所述半导体基片(12)封装到载体(13)上且将所述磁阻传感器(20)的电触点(17、18、28)引出到所述载体(13)上，
-在所述半导体基片(12)旁的载体的相应位置上形成聚积路径(10)的第一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，其中封装半导体基片(12)的步骤进行为使得由封装材料(16)形成微流体通道(50)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中在一个步骤中通过注塑形成微流体通道(50)。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述聚积路径(10)的第一部分的磁导向条(15)直接地沉积在所述通道底部上。
13.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述聚积路径的第二部分的磁导向条(15)直接地沉积在所述半导体基片(12)上。
14.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述聚积路径(10)的第一部分的磁导向条(15)通过热蒸发或溅射直接地沉积在所述通道底部上。
15.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述聚积路径的第二部分的磁导向条(15)通过热蒸发或溅射直接地沉积在所述半导体基片(12)上。
16.一种用于磁性细胞检测的方法，其中将被磁性标记的细胞样本(90)注射到根据权利要求1至8中一项所述的设备内。
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