CN104140926A - 一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置及其方法 - Google Patents

一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置及其方法，所述装置主要包括PDMS微流控芯片及电磁微阀结构；PDMS微流控芯片包括储液孔A至储液孔F、检测通道、主通道、第一、第二聚焦通道、样品出口通道、目标细胞收集通道、电磁分选通道；当循环肿瘤细胞通过检测通道时，产生的电压信号被检测到并被送至NI采集卡和处理终端，处理终端通过NI采集卡发出电压信号，使电磁继电器闭合，继而使电磁微阀结构压迫其下方PDMS层，使其发生形变，从而从储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道中；本发明采用嵌入式电磁微阀结构为分选提供驱动力，样品采用电渗驱动和电渗聚焦；可全自动完成循环肿瘤细胞的检测和分选。

Description

一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置及其方法
技术领域
本发明涉及颗粒分选领域，具体的说是涉及一种在微流控芯片上从全血中进行全自动分选循环肿瘤细胞的装置及方法。 
背景技术
在生物、医学等领域，经常需要从较为复杂的样品中，分选出特定的目标细胞。如检测、分选并计数癌症患者血液中的循环肿瘤细胞(CTC，circulating tumor cell)的个数在在癌症诊断与治疗中显得愈发重要。 
传统的从全血中分选循环肿瘤细胞方法主要有密度梯度离心分离和免疫磁珠法，目前应用最广的是免疫磁珠法。离心分离方法需要的样品量都较大，而且耗时很长，需要利用尺寸较大的设备；免疫磁珠法必须先了解待测癌细胞的分子特征，设计出携带针对性抗体的免疫磁珠，因此不能适应于所有癌细胞的检测；并且对于不了解的癌细胞、或者不携带通用抗原的癌细胞，基于癌细胞抗原特征的免疫磁珠技术则无法发挥作用。 
微流控芯片被喻为21世纪生命科学的支撑技术，是便携式生化分析仪器的技术核心。该技术是通过构建微尺度的通道，将生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，能够在短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息，信息量是传统检测手段的成百上千倍。 
在微流控芯片上对血液样品中的循环肿瘤细胞进行分选已有一些研究的报道，如利用介电泳、流体动力、基于免疫磁珠和荧光分选法等。但该方法都存在不同程度的不足，如直流介电泳的方法需要施加较高的电场强度，极容易造成细胞裂解；流体动力学的方法需要精确控制各个压力，并且仅能有效工作很短的一段时间，在此之后，还需要利用显微镜进行液面调整；而荧光分选的方法需要对细胞进行荧光标记，并且需要搭建复杂的光学检测系统。 
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种全自动分选循环肿瘤细胞的装置及方法，本发明基于循环肿瘤细胞和血细胞体积上的差异，在微流 控芯片上采用库尔特检测和电磁微阀联合法，通过电渗驱动样品通过检测区，当检测到尺寸较大的循环肿瘤细胞时，检测系统自动控制电磁微阀动作，将循环肿瘤细胞分选至目标通道，从而实现对样品中循环肿瘤细胞的全自动检测、计数和分选。 
一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置，其特征在于： 
包括PDMS微流控芯片、与PDMS微流控芯片封接为一体的玻璃底片、直流电源、电压信号放大电路以及电磁微阀结构； 
所述PDMS微流控芯片包括储液孔A至储液孔F、检测通道、用于电渗输运细胞的主通道、分别与主通道连通，用于改变主通道内样品的流动宽度，使样品中的待检细胞依次通过检测通道的第一聚焦通道和第二聚焦通道、用于为收集其它血细胞提供通道的样品出口通道、用于为收集循环肿瘤细胞提供通道的目标细胞收集通道、用于为装置实现分选提供驱动力通道的电磁分选通道；所述电磁分选通道、样品出口通道和目标细胞收集通道均通过检测通道与主通道连通；所述储液孔A与主通道连通，储液孔B与第一聚焦通道连通，储液孔C与第二聚焦通道连通，储液孔D与目标细胞收集通道连通，储液孔E与电磁分选通道连通，储液孔F与样品出口通道连通； 
在上述储液孔A至储液孔F中均插入铂电极，其中储液孔A、储液孔B和储液孔C中的铂电极均与直流电源的正极相连；储液孔D、储液孔F中的铂电极均通过一个电阻R与直流电源负极相连，该电阻R两端通过导线连接至电压信号放大电路的输入端，电压信号放大电路的输出端连接至NI采集卡输入端，NI采集卡输出端连至处理终端；NI采集卡输出端与一电磁继电器输入控制端相连，电磁继电器一端和直流电源的负极相连，另一端通过电磁微阀结构和直流电源正极相连；当循环肿瘤细胞通过检测通道时，电阻R两端电压会发生改变，该变化的电压信号会被电压信号放大电路检测到；电压信号放大电路将该电压信号放大后送至NI采集卡和处理终端，处理终端通过NI采集卡发出相应的电压信号，使电磁继电器闭合，从而使电磁微阀结构在电磁场作用下，压迫电磁微阀结构下方PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道中； 
当分选时间达到电磁继电器预设动作时间后，电磁继电器断开，从而使电磁微阀结构断电，样品恢复进入样品出口通道及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选。 
所述的电磁微阀结构包括设置于储液孔E上方的永磁铁以及贴附于储液孔E下方玻璃底片上的电磁铁；所述电磁铁一端与电磁继电器连接，另一端与直流电源正极相连；当循环肿瘤细胞通过检测通道时，电阻R两端电压会发生改变，该变化的电压信号会被电压信号放大电路检测到；电压信号放大电路将该电压信号放大后送至NI采集卡和处理终端，处理终端通过NI采集卡发出相应的电压信号，使电磁继电器闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片上的电磁铁通电，电磁铁通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁下移，从而压迫永磁铁下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入细胞收集通道中。 
一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的方法，包括如下步骤： 
1)样品以及缓冲液滴加步骤：将血细胞样品加入到储液孔A中；并向储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储液孔E和储液孔F中分别滴加缓冲液； 
2)接通直流电源对储液孔A中的血细胞样品进行电渗输运； 
3)当样品中无循环肿瘤细胞时，样品在电渗流的作用下全部通过样品出口通道输送至储液孔F； 
4)当样品中有循环肿瘤细胞通过检测通道时，电阻R两端电压会发生改变并被电压信号放大电路检测到；电压信号放大电路随后将该电压信号送至NI采集卡和处理终端，处理终端通过NI采集卡发出相应的电压信号，使电磁继电器闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片上的电磁铁通电，电磁铁通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁下移，从而压迫永磁铁下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入细胞收集通道中；当分选时间达到电磁继电器预设动作时间后，电磁继电器断开，从而使永磁铁断电，样品恢复进入样品出口通道及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选。 
实施本发明的微流控芯片上全自动分选循环肿瘤细胞的方法，具有以下有益效果：(1)采用嵌入式电磁微阀结构为分选提供驱动力，样品采用电渗驱动和电渗聚焦，并且采用基于AD620的迷你电压信号放大电路，整个装置的体积很小，可方便的发展为便携式仪器；(2)采用库尔特方法，基于循环肿瘤细胞和其它杂质细胞尺寸差异进行分选，无需进行其它标记，可简单、快速的获取检测结果；(3)本发明成本低、操作简单、分选精度高，可全自动完成循环肿瘤细胞的检测和分选。 
附图说明
图1为本发明的微流体芯片的一实施例的结构示意图； 
图2为本发明在微流控芯片上全自动分选细胞装置的一实施例的结构示意图； 
图3为本发明微流控芯片关于储液孔E部分的局部剖视图——电磁微阀断电未动作示意图； 
图4为本发明微流控芯片关于储液孔E部分的局部剖视图——电磁微阀通电动作示意图。 
图中：1、主通道，2、第一聚焦通道，3、第二聚焦通道，4、目标细胞收集通道，5、电磁分选通道，6、样品出口通道，7、永磁铁，8、检测通道，9、电压信号放大电路，10、NI采集卡，11、处理终端，12、电磁铁，13、电磁继电器，A、储液孔，B、储液孔，C、储液孔，D、储液孔，E、储液孔，F、储液孔，G、玻璃底片，H、PDMS微流控芯片。 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。 
本发明设计思路：微流控芯片H上的检测通道8的线宽很窄，当细胞经过检测通道8时，整个通道的电阻会发生变化，该变化由电压信号放大电路9检测到，从而产生一个相应的电压脉冲信号，该脉冲信号幅值的大小代表细胞的大小，该电压信号送至NI采集卡10和处理终端11，依据此原理，可以判定细胞是否是肿瘤细胞；当判定细胞是肿瘤细胞时，则由处理终端11中的程序通过NI采集卡10发出相应的电压信号，使电磁继电器13闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片上的电磁铁12通电，电磁铁12通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁7下移，从而压迫永磁铁7下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道4中；当分选时间达到电磁继电器13预设动作时间后，电磁继电器13断开，从而使永磁铁7断电，样品恢复进入样品出口通道6及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选。 
在本发明的实施例中，如图1所示，玻璃底片G位于PDMS微流控芯片H下方，并与PDMS微流控芯片封接封接成一体； 
所述PDMS微流控芯片H包括储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储 液孔E、储液孔F、主通道1、第一聚焦通道2、第二聚焦通道3、目标细胞收集通道4、电磁分选通道5、样品出口通道6、永磁铁7和检测通道8； 
储液孔A与主通道1连接，储液孔B与第一聚焦通道2连接，储液孔C与第二聚焦通道3连接，储液孔D与目标细胞收集通道4连接，储液孔E与电磁分选通道5连接，储液孔F与样品出口通道6连接，电磁分选通道5、样品出口通道6和目标细胞收集通道4均与主通道1连接，第一聚焦通道2、第二聚焦通道3均与主通道1连接；如图2，在储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储液孔F中插入铂电极，储液孔A、储液孔B和储液孔C中的铂电极的均与直流电源的正极相连，储液孔D中的铂电极的通过电阻R与直流电源的负极相连，且直流电源负极通过该电阻R与储液孔F中的铂电极相连，所述电阻R两端通过导线连接至电压信号放大电路9的两个输入端，电压信号放大电路9的输出端连接至NI采集卡10输入端，NI采集卡10输出端连至掌上电脑(本例处理终端11优选便捷的掌上电脑)，NI采集卡10输出端与电磁继电器13输入控制端相连，电磁继电器13一端和直流电源的负极相连，另一端通过电磁铁12和直流电源正极相连。 
如图3、图4，设置于储液孔E的PDMS层上方的永磁铁7以及贴附于储液孔E下方玻璃底片G上的电磁铁12构成电磁微阀结构，该电磁微阀结构利用电磁铁与永磁铁之间的配合，通过电磁动作来产生一个液体的推力，实现对颗粒&细胞的分选；具体的所述电磁铁12一端与电磁继电器13连接，另一端与直流电源正极相连；当存在循环肿瘤细胞时，循环肿瘤细胞通过检测通道时，会产生相应的电压信号并被电压信号放大电路9检测到；电压信号放大电路9将该电压信号送至NI采集卡10和掌上电脑，掌上电脑通过NI采集卡发出相应的电压信号，使电磁继电器13闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片G上的电磁铁12通电，电磁铁12通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁7下移，从而压迫永磁铁7下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道中。 
其中，电压信号放大电路9采用基于AD620的差分放大电路。PDMS微流控芯片H的制作方法为：采用软光刻技术soft-lithography加工出所需的PDMS微流控芯片H；即通过打印掩模、使用SU-8负光刻胶，通过紫外曝光在硅基晶片上加工出具有主通道和混合液注入通道的阳膜，然后在晶片上浇注少量聚二甲基硅氧烷PDMS，采用恒温真空炉，在70～80℃条件下固化3～4个小时获得具 有储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储液孔E、储液孔F、主通道1、第一聚焦通道2、第二聚焦通道3、目标细胞收集通道4、电磁分选通道5、样品出口通道6、检测通道8的PDMS微流控芯片H。将永磁铁7放置在储液孔E的正上方，继续浇筑PDMS，采用恒温真空炉，在70～80℃条件下固化3～4个小时，此时永磁铁7就浇筑在PDMS芯片H内部了。 
采用微流控芯片上全自动分选循环肿瘤细胞装置进行全自动分选循环肿瘤细胞胞的方法，包括如下步骤： 
1)样品以及缓冲液滴加步骤：将血细胞样品加入到储液孔A中；并向储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储液孔F中分别滴加缓冲液； 
2)接通直流电源对储液孔A中的血细胞样品进行电渗输运； 
3)当样品中无循环肿瘤细胞时，样品在电渗流的作用下全部通过样品出口通道6输送至储液孔F； 
4)当样品中存在循环肿瘤细胞时，循环肿瘤细胞通过检测通道8时，会产生相应幅值的电压信号并被电压信号放大电路9检测到；电压信号放大电路9接着会将该电压信号送至NI采集卡10和掌上电脑11，掌上电脑11中的程序通过NI采集卡10发出一电压信号，使电磁继电器13闭合，从而使电磁铁12通电，电磁铁12通电后产生磁场，吸引永磁铁7下移，从而压迫永磁铁7下方PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入收集通道中；当分选时间达到电磁继电器预设动作时间后，电磁继电器13断开，从而使电磁铁12断电，样品恢复进入样品出口通道6及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选； 
本发明所述缓冲液为任意可实现本发明技术方案的缓冲液，例如磷酸盐缓冲液或者硼酸盐缓冲液。作为优选技术方案，当选用硼酸盐缓冲液作时，硼酸盐缓冲液的pH值为8-9。 
制作PDMS微流控芯片H的液体PDMS可以为任意可实现本发明技术方案的材料，例如Sylgard184硅树脂。 
掌上电脑11可以为可实现本发明技术方案的任意型号的掌上电脑，例如型号为iPAQ112的惠普掌上电脑。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。 

Claims (3)

1.一种在微流控芯片上实现全自动分选循环肿瘤细胞的装置，其特征在于： 
包括PDMS微流控芯片(H)、与PDMS微流控芯片(H)封接为一体的玻璃底片(G)、直流电源、电压信号放大电路(9)以及电磁微阀结构； 
所述PDMS微流控芯片(H)包括储液孔A至储液孔F、检测通道(8)、用于电渗输运细胞的主通道(1)、分别与主通道(1)连通，用于改变主通道(1)内样品的流动宽度，使样品中的待检细胞依次通过检测通道(8)的第一聚焦通道(2)和第二聚焦通道(3)、用于为收集其它血细胞提供通道的样品出口通道(6)、用于为收集循环肿瘤细胞提供通道的目标细胞收集通道(4)、用于为分选提供驱动力通道的电磁分选通道(5)；所述电磁分选通道(5)、样品出口通道(6)和目标细胞收集通道(4)均通过检测通道(8)与主通道(1)连通；所述储液孔A与主通道(1)连通，储液孔B与第一聚焦通道(2)连通，储液孔C与第二聚焦通道(3)连通，储液孔D与目标细胞收集通道(4)连通，储液孔E与电磁分选通道(5)连通，储液孔F与样品出口通道(6)连通； 
在上述储液孔A至储液孔F中均插入铂电极，其中储液孔A、储液孔B和储液孔C中的铂电极均与直流电源的正极相连；储液孔D、储液孔F中的铂电极均通过一个电阻R与直流电源负极相连，该电阻R两端通过导线连接至电压信号放大电路(9)的输入端，电压信号放大电路(9)的输出端连接至NI采集卡(10)输入端，NI采集卡(10)输出端连至处理终端(11)；NI采集卡(10)输出端与一电磁继电器(13)输入控制端相连，电磁继电器(13)一端和直流电源的负极相连，另一端通过电磁微阀结构和直流电源正极相连；当循环肿瘤细胞通过检测通道(8)时，电阻R两端电压会发生改变，该变化的电压信号被电压信号放大电路(9)检测到；电压信号经电压信号放大电路(9)放大后送至NI采集卡(10)和处理终端(11)，处理终端(11)通过NI采集卡(10)继而会发出相应的电压信号，使电磁继电器(13)闭合，从而使电磁微阀结构压迫其下方PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道(4)中； 
当分选时间达到电磁继电器(13)预设动作时间后，电磁继电器(13)断开，从而使电磁微阀结构断电，样品恢复进入样品出口通道(6)及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选。 
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的电磁微阀结构包括设置于储液孔E上方的永磁铁(7)以及贴附于储液孔E下方玻璃底片(G)上的电磁铁(12)；所述电磁铁(12)一端与电磁继电器(13)连接，另一端与直流电源正极相连；当循环肿瘤细胞通过检测通道(8)时，会产生相应的电压信号并被电压信号放大电路(9)检测到；电压信号放大电路(9)将该电压信号送至NI采集卡(10)和处理终端(11)，处理终端(11)通过NI采集卡(10)发出相应的电压信号，使电磁继电器(13)闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片(G)上的电磁铁(12)通电，电磁铁(12)通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁(7)下移，从而压迫永磁铁(7)下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入细胞收集通道(4)中。 
3.一种基于上述装置实现全自动分选循环肿瘤细胞的方法，其特征在于：包括如下步骤： 
1)样品以及缓冲液滴加步骤：将血细胞样品加入到储液孔A中；并向储液孔A、储液孔B、储液孔C、储液孔D、储液孔E和储液孔F中分别滴加缓冲液； 
2)接通直流电源对储液孔A中的血细胞样品进行电渗输运； 
3)当样品中无循环肿瘤细胞时，样品在电渗流的作用下全部通过样品出口通道输(6)送至储液孔F； 
4)当样品中有循环肿瘤细胞通过检测通道(8)时，电阻R两端电压会发生改变，并被电压信号放大电路检测到；电压信号放大电路(9)随后将该电压信号放大并送至NI采集卡(10)和处理终端(11)，处理终端(11)通过NI采集卡(10)发出相应的电压信号，使电磁继电器(13)闭合，从而使贴附于储液孔E下方玻璃底片(G)上的电磁铁(12)通电，电磁铁(12)通电后产生磁场，吸引储液孔E上方的永磁铁(7)下移，从而压迫永磁铁(7)下方的储液孔E的PDMS层发生形变，使储液孔E排出一部分液体，推动循环肿瘤细胞流入目标细胞收集通道(4)中；当分选时间达到电磁继电器(13)预设动作时间后，电磁继电器(13)断开，从而使永磁铁断电，样品恢复进入样品出口通道(6)及储液孔F中，从而实现循环肿瘤细胞的全自动分选。 
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