CN103865795B - 一种电压控制分选细胞的微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压控制分选细胞的微流控芯片，属于微流控芯片领域。包括液滴产生部，充电部，电压控制部和液滴收集部；所述液滴产生部包括海藻酸钠通道和与海藻酸钠通道垂直的油通道；所述充电部包括海藻酸钠通道和分布在海藻酸钠通道两侧的充电电极；所述电压控制部包括两条海藻酸钠子通道，皆与海藻酸钠通道相连，并且连接点有一三角形尖劈；两条海藻酸钠子通道的两侧皆分布充电电极，且海藻酸钠子通道在进入充电电极之前连接一注油管道。本发明装置通过对液滴进行充电，大大减小了分选时所需要的电压，从而减少了电压从零到峰值所需要的反应时间，大大提高了分选的可控性。

Description

一种电压控制分选细胞的微流控芯片
技术领域
本发明涉及一种电压控制分选细胞的微流控芯片，属于微流控芯片领域。
背景技术
基于液滴的微流控芯片，拥有很多优点，譬如：高效率，消耗试剂少，无污染，响应快速，体积小等。近些年来液滴微流控芯片成为化学和生物研究中最有前途的一个实验平台，它是操作和分析单个细胞的一种行而有效方法。注入的液滴可以进行单独分割，混合，运输，捕获和分选。目前有很多对液滴进行处理的方法，譬如：基于声学原理的方法，利用电磁的方法，基于电学的方法等。其中电学方法由于其反应时间短，容易实行以及很好的兼容性这一系列优点从而成为对液滴进行操作的最有前景的一种方法。
目前为止基于电学的方法，研究人员已经使用过：介电泳法（DEP），电润湿法，静电操作法等等来对液滴进行分离、合并，高效分选或者是得到一个液滴操作平台。上述无论什么方法都没有同时达到简洁、高效、易操作、无污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够简洁高效对细胞进行分选的微流控芯片。
本发明的提供的微流控芯片，包括液滴产生部，充电部，电压控制部和液滴收集部；
所述液滴产生部包括海藻酸钠通道和与海藻酸钠通道垂直的油通道；
所述充电部包括海藻酸钠通道和分布在海藻酸钠通道两侧的充电电极；
所述电压控制部包括两条海藻酸钠子通道，皆与海藻酸钠通道相连，并且连接点有一三角形尖劈；两条海藻酸钠子通道的两侧皆分布充电电极，且海藻酸钠子通道在进入充电电极之前连接一注油管道；
所述液滴收集部包括收集管道和收集容器，所述收集管道与海藻酸钠子通道连接。
海藻酸钠通道和海藻酸钠子通道里流动的是混合有细胞的海藻酸钠悬浮液，油通道里流动的是硅油。
液滴产生部里，从油通道注入硅油，作为连续相，从海藻酸钠通道注入混合细胞的海藻酸钠悬浮液(以下简称SA)，作为分散相，油的流速比SA的要快，从而可以夹断SA得到SA液滴，通过控制油与SA的流速，可以精密控制液滴的大小。
 充电部可以使含有细胞的海藻酸钠液滴产生感应电荷。
充电部利用加入电场来以非接触的方式对SA液滴进行预充电。当一个中性液滴流过微沟道中的充电电场的时候，在液滴表面会感应产生正负电荷。海藻酸钠通道末端（与海藻酸钠子通道交汇的地方）有一个尖劈，用以把充电后的SA液滴分离成分别带正负不同电荷的子液滴。通过预充电操作，分选电压和转换时间被大幅度减小。
 电压控制部可以控制带电液滴运动方向进而能够进入预先设定的通道。
电压控制部中，海藻酸钠子通道上游部分（连接注油管道之前）比较窄，下游部分（连接注油管道之后）比较宽，液滴从窄管道到宽管道速度会改变，可能使后面的液滴撞上前面的，所以需要避免碰撞的装置，其中注油管道可以用来改变SA液滴运动速度来解决上述碰撞问题。
充电部和电压控制部里的充电电极是均匀对称的，能在沟道部分产生均匀电场。电极是通过在电极沟道中注入中温银浆形成的，电极高度和沟道高度一样。这样做可以把电极和微流控沟道做到一层里，从而简化了芯片的制作过程。
 液滴收集部收集分选后得到的液滴。
具体到本发明的一个实施例，海藻酸钠通道和海藻酸钠子通道里流动的是混合有人体乳腺癌细胞（MCF-7）的海藻酸钠悬浮液。
作为一种优选，本发明的微流控芯片中海藻酸钠通道宽50μm，海藻酸钠子通道的上游宽度为100μm，下游宽度为200μm。
流经充电部的海藻酸钠通道要求窄，是因为希望液滴宽度跟通道宽度一致，充满通道，从而使得充电的时候液滴不偏转。海藻酸钠子通道下游宽是因为控制部要求通道适当宽一些，提供一个横向的空间来给液滴进行偏转。
本发明的微流控芯片工作时，通过显微镜，可以观察到一连串的液滴流过电压控制部，当带有MCF-7的SA子液滴流过来时，在电压控制部里的充电电极上加上一个瞬时高压脉冲，液滴在脉冲的作用下会偏转从而进入设定的目标细胞收集部，达到对特定的细胞进行分选的目的。
相比现有分选细胞的技术，本发明通过将电极沟道与微流控芯片液体流动沟道整合到一起，制作了简单的单层微流控分选芯片，而传统的电分选微流控芯片使用的电极通常是通过磁控溅射或者蒸镀的方法在载玻片上镀上一层相应的贵金属，相对于传统的分选芯片而言，此种芯片制作过程简易，设备简单，材料廉价，无污染。
与此同时，此技术制作的电极与流体通过的沟道具有相同的高度，是三维立体的，因而形成在电极中间的电场是均匀的，相比传统芯片，更易于对液滴充电与控制。
本发明装置通过对液滴进行充电，大大减小了分选时所需要的电压（从300V减小到30V），从而减少了电压从零到峰值所需要的反应时间，大大提高了分选的可控性，减小脉冲的电压峰值也为未来的小型化发展奠定了一定基础。
附图说明
图1分选细胞的微流控芯片的结构组成，其中：
1-液滴产生部, 2-充电部， 3-电压控制部，4-液滴收集部，5-海藻酸钠通道，6-油通道，7-充电电极，8-海藻酸钠子通道，9-尖劈， 10-注油管道， 11-收集管道，12-收集容器。
图2微流控芯片工作状态图。
具体实施方式
本发明的通过控制电压实现分选细胞的微流控芯片，包括液滴产生部1，充电部2，电压控制部3和液滴收集部4；
所述液滴产生部1包括海藻酸钠通道5和与海藻酸钠通道垂直的油通道6；
所述充电部2包括海藻酸钠通道5和分布在海藻酸钠通道5两侧的充电电极7；
所述电压控制部3包括两条海藻酸钠子通道8，皆与海藻酸钠通道5相连，并且连接点有一三角形尖劈9；两条海藻酸钠子通道8的两侧皆分布充电电极7，且海藻酸钠子通道8在进入充电电极7之前连接一注油管道10；
所述液滴收集部4包括收集管道11和收集容器12，所述收集管道11与海藻酸钠子通道8连接。
海藻酸钠通道5和海藻酸钠子通道8里流动的是混合有细胞的海藻酸钠悬浮液，油通道6里流动的是硅油。
本发明的微流控芯片中 ，海藻酸钠通道5和海藻酸钠子通道8高度是60μm。海藻酸钠通道5宽50μm，尖劈9高和宽分别为70μm和55μm。电压控制部里的充电电极7长400μm，高度比海藻酸钠子通道高度略高以保证海藻酸钠子通道中的电场是均匀的。充电电极7和海藻酸钠子通道间距为100μm。
收集管道11宽200μm。
本发明的微流控芯片，是通过标准的软光刻方法制作的。首先，按照之前描述的芯片结构用Coreldraw把模板图画出来。然后在硅片上镀一层SU-8 2050光刻胶模具。在获得了PDMS层并且不可逆的把它用氧等离子体绑定到玻璃两侧后，把微流控芯片放在120℃下烤2小时来增强疏水性和消除残余水。
本发明的微流控芯片，其中充电电极是通过在电极沟道中注入中等温度的银浆形成的，电极高度和沟道高度一样。
本发明的微流控芯片使用时，连接一电压控制系统。电压控制系统包括高压脉冲产生电路和控制这个脉冲的安卓移动应用程序。其脉冲的幅度、宽度、持续时间可以通过智能手机精确控制。
本发明的微流控芯片的一个应用实例，其中油滴的流速为140μL/h，混有人体乳腺癌细胞以及红细胞的海藻酸钠液体流速为20μL/h。这时候液滴直径为50μm。
充电部中充电电压为1500V，电压控制部里分选脉冲峰值为30V，脉冲作用时间为100ms。当在显微镜下观察到包裹有人体乳腺癌细胞（人体乳腺癌细胞尺寸比红细胞要大5-10倍）的液滴流过时，在电压控制部的充电电极上加上一个瞬时脉冲，这时候这个特定的带电液滴在电场下受到电场力作用，就会向一侧偏转，流向特定的收集部，到达分选分选人体乳腺癌细胞的目的。如图2所示。

Claims (4)

1. 一种电压控制分选细胞的微流控芯片，其特征在于，包括液滴产生部（1），充电部（2），电压控制部（3）和液滴收集部（4）；
所述液滴产生部（1）包括海藻酸钠通道（5）和与海藻酸钠通道（5）垂直的油通道（6）；
所述充电部（2）包括海藻酸钠通道（5）和分布在海藻酸钠通道（5）两侧的充电电极（7）；
所述电压控制部（3）包括两条海藻酸钠子通道（8），皆与海藻酸钠通道（5）相连，并且连接点有一三角形尖劈（9）；两条海藻酸钠子通道（8）的两侧皆分布充电电极（7），且海藻酸钠子通道（8）在进入充电电极（7）之前连接一注油管道（10）；海藻酸钠通道（5）宽50μm，海藻酸钠子通道（8）的上游宽度为100μm，下游宽度为200μm；
所述液滴收集部（4）包括收集管道（11）和收集容器（12），所述收集管道（11）与海藻酸钠子通道（8）连接。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，海藻酸钠通道（5）和海藻酸钠子通道（8）里流动的是混合有人体乳腺癌细胞的海藻酸钠悬浮液。
3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，海藻酸钠通道（5）和海藻酸钠子通道（8）高度是60μm。
4.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，尖劈（9）高和宽分别为70μm和55μm。
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