CN105203375A - 一种高通量的血浆分离器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高通量的血浆分离器件及其制备方法。该高通量的血浆分离器件包括芯片和与其键合的封盖，芯片上设有血液进样口、细胞出样口、血浆出样口、若干半圆形微流道以及布置于微流道中的微立柱栅栏；若干半圆形微流道中两两并联构成圆形结构，并联的两个半圆形微流道共用一个血液进样口和一个细胞出样口，所有半圆形微流道共用一个血浆出样口；微立柱栅栏将微流道分成内外两个流道，其中内流道的末端与细胞出样口相连，外流道的末端与血浆出样口相连，外流道的宽度从入口到出口逐渐增大；芯片上的微流道被封盖封闭。本发明的血浆分离器件具有通量高和可重复性高的特点，可以用于血浆和血细胞的分离，还可以用于其他功能微粒的分离。

Description

一种高通量的血浆分离器件及其制备方法

技术领域

本发明属于微机电系统领域，具体涉及一种用于生物样品分离、检测、分析的高通量血浆分离器件及其制备方法。

背景技术

二十一世纪是交叉学科发展的时代，特别是生物芯片的研制和基于微流控技术的生化检测技术。利用生化传感技术获取微量生物样品之间生化反应的信息是生物检测技术发展的一个重要内容。

结合生物技术和微机电系统(MEMS)技术的BioMEMS(生物微机电系统)技术可以将生命科学研究中的不连续分析过程(如样品制备、化学反应和分析检测)实现连续化、集成化、微型化，从而获得所谓的微全分析系统。该系统包括进样、分离、反应和检测，广义的系统还涉及到输运，其最终目标是在微芯片上实现化学全分析，以之取代常规分析实验室的所有功能。与传统仪器相比，微全分析系统具有体积小、重量轻、成本低、便携带、防污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点，对生物学、分析化学、医学等相关领域产生了革命性的影响，成为MEMS技术研究中的重要领域。

在微全分析系统的早期研究中，检测技术一直被研究得较多，获得了较快的发展。然而，样品分离等前处理技术作为该系统中不可或缺的组成部分，却发展相对缓慢，已经成为整个微全分析过程中的瓶颈，它制约着微量生化样品传感检测的发展。现有的样品前处理技术往往在片外实现，其主要缺点有费时、劳动强度大、难以实现自动化、精密度差、样品以及其他生化试剂消耗量大等，而且经常是测定误差的主要原因，进而影响微全分析系统的精度和应用的推广。传统的样品前处理技术已不能满足μTAS(Micrototalanalysissystem)发展的需要，有必要开发一种新的微量样品前处理技术。利用微加工技术制造的微型化生物样品预处理器，具有分析效率高、样品与试剂消耗少(微升级)、能耗低、集成度高等许多优点。这种微量样品前处理芯片在生物检测、毒物鉴定、DNA分析、细胞分离与富集、药物准备和药物输送等方面都会得到很广泛的应用，特别是在重大疾病检测方面，有时，需要2-3分钟内处理100-150mL的全血样品，直接分离出血清或血细胞，再进行相应的传感检测，并且保证细胞不破裂，因此，需要在片上分离芯片上实现高通量分离，同时，这也是当前样品片上高通量前处理技术在临床上应用的一个重大需求。

综上所述，高通量样品前处理技术是发展微全分析系统的关键技之一，其在临床重大疾病传感检测方面有广泛应用前景。因此，设计一种结构简单、体积小、便于集成的高通理全血样品前处理芯片，并开发这种高通量全血样品分离芯片的加工工艺，这种高通量分离技术具有广泛的应用前景和潜在社会经济效益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高通量的片上血浆分离器件，可利用MEMS体硅工艺和表面微机械加工技术制备。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高通量的血浆分离器件，包括芯片和与其键合的封盖，所述芯片上设有血液进样口、细胞出样口、血浆出样口、若干半圆形微流道以及布置于微流道中的微立柱栅栏；所述若干半圆形微流道中两两并联构成圆形结构，并联的两个半圆形微流道共用一个血液进样口和一个细胞出样口，所有半圆形微流道共用一个血浆出样口；所述微立柱栅栏将微流道分成内外两个流道，其中内流道的末端与细胞出样口相连，外流道的末端与血浆出样口相连，外流道的宽度从入口到出口逐渐增大；所述芯片上的微流道被所述封盖封闭。

进一步地，所述血浆分离器件还包括一外壳，所述芯片和所述封盖置于所述外壳内，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。

进一步地，所述若干半圆形微流道至少为两个。为两个时只能形成一个圆形结构，为提高分离效率，可以采用更多个半圆形微流道，即并联构成多个圆形结构，这些圆形结构呈中心对称分布，将共用的血浆出样口设置在中心。比如，芯片上设有8个半圆形流道、4个血液进样口、4个细胞出样口和1个血浆出样口；8个半圆形流道两两连接同一血液进样口和同一细胞出样口，并共同连接同一个血浆出样口。

进一步地，所述微立柱栅栏包含多个微立柱，微立柱之间的间隔小于2μm(优选略小于2μm)。

进一步地，所述微立柱的横截面为圆形，其直径为6-30μm；或者所述微立柱的横截面为正方形，其边长为6-30μm。

进一步地，所述半圆形微流道的半径为1000-1200μm，流道的宽度为400-500μm；所述血液进样口、细胞出样口、血浆出样口的直径为400-800μm。

进一步地，所述封盖为圆形或多边形，大小满足露出芯片出口即可；所述外壳为圆形或正方形，大小能够适合核心芯片尺寸即可。

进一步地，所述芯片的微流体通道、微立柱栅栏可以加工在硅片上，也可以利用模具复制的方式加工在聚合物材料上；封盖和外壳可以是聚合物材料或玻璃材料。

一种制备上述高通量的血浆分离器件的方法，包括如下步骤：

1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；

2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

4)在硅片正面深刻蚀硅，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆出样口，并去掉铝掩膜；

5)将背面的硅结构层减薄，在硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

6)深刻蚀形成细胞出样口、血浆出样口的通孔；

7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。

进一步地，上述方法还包括封装外壳的步骤，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。

一种制备上述高通量的血浆分离器件的方法，包括如下步骤：

1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；

2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

4)在硅片正面深刻蚀硅，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆出样口的模具，并去掉铝掩膜；

5)在步骤4)形成的模具上浇注聚合物材料并固化成型，然后脱模；

6)在细胞出样口和血浆出样口的位置打出通孔；

7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。

进一步地，上述方法还包括封装外壳的步骤，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。

本发明的血浆分离器件在使用时，利用微型泵或注射泵将血液样品从器件外壳的血液样品总入口注入，通过压力血液将分别从各个血液进样口进入核心芯片。微立柱栅栏将微流体通道由内至外依次分成内流道和外流道，内流道与细胞出样口相连，外流道与血浆出样口相连。本发明利用离心效应和微立柱栅栏的立柱间隙大小进行分离，具体是：当血液样品注入微流道后，由于内流道的宽度将逐渐减小，依靠运动惯性和弯曲微流道造成的涡流，能够通过微立柱间隙的血浆在微流道中运动过程中被分离到外流道，从芯片上的血浆出样口流出外壳上的血浆出样口，而大于微立柱间隙的血液细胞等在微流道中运动过程仍在内流道，将分别从芯片上的各个细胞出样口流出外壳上的细胞出样口。

本发明充分利用血液中的细胞特征尺寸，结合离心分离技术的优点以及MEMS工艺技术特点，提出了一种高通量的血浆分离器件，采用半圆状微流道、渐变型过滤柱过滤相结合，利用注射泵将血液品注入血浆分离器件，结合血液在流道中运动的惯性，通过一排间距小于2μm的过滤柱将血浆和血细胞分离。该血浆分离器件可以用于血浆和血细胞的分离，还可以用于其他功能微粒的分离。通过微流体系统集成，为形成包括采样、进样、分离、反应、检测功能的真正芯片提供加工技术、微封装技术和微生化芯片检测生化反应的微机理，可带来新的科学突破。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)器件结构设计简单，易于操作，具有通量高和可重复性高的特点；

(2)器件工作效率对流道中的液体流速依赖小，易于与外部灌注系统匹配；

(3)半圆形流道结构引入惯性力增强分离效率，且多个半圆形微流道并联结构能够有效实现很高的通量；

(4)通过微流体通道的设计，本发明血浆分离器件的结构紧凑，器件的总体积减小，分离效率提高，分离过程耗时短；

(5)器件样品入口仅有一个，血浆出样口仅有一个，易于灌注血液样品和收集经器件分离后的血浆样品。

附图说明

图1(a)和图1(b)是依照本发明实施例的血浆分离器件芯片的结构示意图，其中图1(b)是图1(a)的局部放大图；

图2(a)和图2(b)是依照本发明实施例的血浆分离器件的结构示意图，其中图2(a)是组装前各部分的示意图，图2(b)是组装后的示意图；

图3是依照本发明实施例的血浆分离器件制备工艺流程图；

图4是依照本发明另一实施例的血浆分离器件制备工艺流程图；

其中，1：芯片；2：芯片进样口；3：细胞出样口；4：血浆出样口；5：微流体通道；51：内流道；52：外流道；6：微立柱栅栏；7：封盖；8：外壳；9：总进样口；10：外壳细胞出样口；11：外壳血浆出样口；12：硅片；13：金属铝；14：光刻胶；15：PDMS；16：翻模模具。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种血浆分离器件，包括芯片1、封盖7和外壳8(如图2(a)所示)。所述芯片1如图1(a)和图1(b)所示，芯片1包括血液进样口2、细胞出样口3、血浆出样口4、八个半圆形微流道5以及布置于每个微流道中的微立柱栅栏6。所述血液进样口2共有四个，分别为左血液进样口21、下血液进样口22、右血液进样口23和上血液进样口24。所述细胞出样口3共有四个，分别为左细胞出样口31、下细胞出样32、右细胞出样口33和上细胞出样口34。本发明器件中芯片上的八个微流道5两两并联，形成一个圆形结构，并且两两共用一个血液进样口2和一个细胞出样口3，八个微流道5共用一个血浆出样口4。

本发明的血浆分离器件中微流体通道5内设有一排微立柱栅栏6，如图1(b)所示。所述微流道5被微立柱栅栏6分成内流道51和外流道52，从微流道5入口开始，外流道52的宽度逐渐增大，内流道51末端与细胞出样口3相连，外流道52末端与血浆出样口4相连。微立柱栅栏6的微立柱之间的距离小于2μm。微立柱栅栏6中每个微立柱的截面为圆形或正方形。圆形的分离效果最好，因此微立柱栅栏6中每个微立柱的截面优选为圆形。如果截面为圆形，其直径可取为6-30μm；如果截面为正方形，其边长可取6-30μm。尺寸小于6μm时，在加工或分离实验中，易造成立柱断裂，如果尺寸大于30μm时，容易加工，但分离沟道中用于分离的缝隙较少，分离效率分降低。

本发明的血浆分离器件是通过图2(a)所示的组装方式将所述芯片1、封盖7和外壳8三部分键合到一起组成，芯片被封盖和外壳夹住，结构如图2(b)所示。所述封盖7如图2(a)所示，为多边形或圆形结构，键合于芯片1上方，封闭所有微流道5，并且露出四个芯片上的血液进样口。所述外壳8如图2(a)所示，所述外壳8为一矩形或圆形腔式结构，包括顶部的血液总进样口9和底部的四个细胞出样口10以及血浆出样口11，在键合芯片时，细胞出样口10与芯片细胞出样口4连通，血浆出样口11与芯片血浆出样口3连通。

本发明的血浆分离器件在使用时，利用微型泵或注射泵将血液从器件的总进样口9注入，由于血液受压，将从芯片的四个血液进样口2进入微流道5，利用血液在微流道中运动时的惯性，血浆会被微立柱栅栏6分离到外流道52中，而血液中的血细胞等将被微立柱栅栏挡在内流道51中流动，内流道51中的血浆将会流到细胞出口3中，外流道52中的血浆将会流到血浆出口4中。分离后的血浆和细胞会分别从外壳的血浆出口11和血液出口10流出。

实施例1：在硅片上加工出血浆分离器件

本实施例的血浆分离器件的结构参见图1(a)、图1(b)、图2(a)和图2(b)，工艺流程参见图3，包括如下步骤：

(a)处理、清洗硅片12；

(b)淀积一层左右厚的金属铝薄膜13；

(c)在硅片正面甩光刻胶14、前烘、光刻、显影、后烘；

(d)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

(e)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅50～100μm左右，形成微流体通道5、微型立柱栅栏6、四个血液进样口2、四个细胞出样口3和血浆出样口4；并去掉铝掩膜；

(f)将键合后的硅玻璃片的背面减薄硅片，可以采用干法、湿法或CMP的方法；硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

(g)深刻蚀出细胞出样口3和血浆出样口4；划片；

(h)通过翻模或者机械加工，加工出封盖7和外壳8，材质为PDMS或玻璃等有机物材质，将封盖和外壳分别与芯片正面和背面分别键合。

实施例2：用聚合物加工出血浆分离器件

本实施例的血浆分离器件的结构参见图1(a)、图1(b)、图2(a)和图2(b)，工艺流程参见附图4，包括如下步骤：

(a)处理、清洗硅片12；

(b)淀积一层左右厚的金属铝薄膜13；

(c)在硅片正面甩光刻胶14、前烘、光刻、显影、后烘；

(d)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

(e)在硅片正面深刻蚀(ICP)硅100μm左右，形成微流体通道5、微型立柱栅栏6、四个进样口2、四个细胞出样口3和血浆出样口4的翻模模具；并去掉铝掩膜；

(f)处理、清洗硅结构模具，并在其表面涂上脱模剂；将无气泡的PDMS15均浇在硅结构的模具上，并静置平坦化，然后在80℃烘箱中烘烤1小时左右；将固化了PDMS从硅模具16上剥离，并切分每个单元；该步骤可以将PDMS与其固化剂按10：1的比例混合，并充分搅拌，用真空泵去除PDMS中的气泡，将无气泡的PDMS均浇在模具上；

(g)在每个单元上相应的细胞出样口3和血浆出样口4位置打出通孔；

(h)通过翻模或者机械加工，加工出封盖7和外壳8，材质为PDMS或玻璃等有机物材质，将封盖和外壳分别与加工好的每个芯片单元正面和背面分别键合。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种高通量的血浆分离器件，其特征在于，包括芯片和与其键合的封盖，所述芯片上设有血液进样口、细胞出样口、血浆出样口、若干半圆形微流道以及布置于微流道中的微立柱栅栏；所述若干半圆形微流道中两两并联构成圆形结构，并联的两个半圆形微流道共用一个血液进样口和一个细胞出样口，所有半圆形微流道共用一个血浆出样口；所述微立柱栅栏将微流道分成内外两个流道，其中内流道的末端与细胞出样口相连，外流道的末端与血浆出样口相连，外流道的宽度从入口到出口逐渐增大；所述芯片上的微流道被所述封盖封闭。

2.如权利要求1所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：还包括一外壳，所述芯片和所述封盖置于所述外壳内，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。

3.如权利要求1或2所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：所述半圆形微流道的数量为至少两个，由半圆形微流道两两并联构成的各个圆形结构呈中心对称分布，所述血浆出样口设置在中心。

4.如权利要求1或2所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：所述微立柱栅栏包含多个微立柱，微立柱之间的间隔小于2μm。

5.如权利要求4所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：所述微立柱的横截面为圆形，其直径为6-30μm；或者所述微立柱的横截面为正方形，其边长为6-30μm。

6.如权利要求1或2所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：所述半圆形微流道的半径为1000-1200μm，流道的宽度为400-500μm；所述血液进样口、细胞出样口、血浆出样口的直径为400-800μm。

7.如权利要求1或2所述的高通量的血浆分离器件，其特征在于：所述芯片采用硅或者聚合物材料，所述封盖和外壳采用聚合物材料或玻璃材料。

8.一种制备权利要求1所述高通量的血浆分离器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；

2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

4)在硅片正面深刻蚀硅，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆出样口，并去掉铝掩膜；

5)将背面的硅结构层减薄，在硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

6)深刻蚀形成细胞出样口、血浆出样口的通孔；

7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。

9.一种制备权利要求1所述高通量的血浆分离器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；

2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；

3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；

4)在硅片正面深刻蚀硅，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆出样口的模具，并去掉铝掩膜；

5)在步骤4)形成的模具上浇注聚合物材料并固化成型，然后脱模；

6)在细胞出样口和血浆出样口的位置打出通孔；

7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于：还包括封装外壳的步骤，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。