CN105842324B - 一种集成微流控芯片及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成微流控芯片及其工作方法，所述集成微流控芯片包括：细胞提纯功能区，即在圆弧形微流道的边缘布置有电极，对电极施加相同相位的交流电信号，通过调节施加电极上交流电信号的频率来控制圆弧形微流道中细胞所受介电泳力的大小，从而明显提高细胞分析的纯度和效率。当细胞培养液中混有比其质量更小的物质时，如细菌、蛋白质、核酸或其他高分子化合物等。经过分离提纯后，质量较大的细胞会因受到的相对较大的介电泳力和离心力而进入下一阶段的操作微流道，即质量较大的细胞会通过公共输送微流道进入药物测试区，微反应混合区，或对细胞进行微注射区等。

Description

一种集成微流控芯片及其工作方法

技术领域

本发明属于细胞生物学研究技术领域，具体是一种用于药物筛选，测试和细胞显微注射的实验装置。

背景技术

微流控(microfluidics)技术是一种针对极小量(10^-9-10^-18L)的流体进行操控的系统科学技术。微流控芯片(microfluidic chips)是微流控技术实现的主要平台和技术装置,其主要特征是容纳流体的有效结构(通道、反应室和其他某些功能部件)至少在一个维度上为微米级尺度。随着半导体微加工工艺技术在微流控芯片制备中的广泛应用,以及使用弹性材料进行多层构建等新技术的发展,人们已经可以将多种功能性元件和结构大规模集成在一块几个平方厘米大小的芯片上。这种包含多种结构或多个功能的、精确可控的复杂微流控芯片被称之为“集成微流控芯片”。集成微流控芯片在细胞培养特别是细胞微环境控制和单细胞培养上的优势明显,芯片体系可以自动化地进行大规模细胞培养、分离、富集以及分析步骤,大大减少了人为误差、人力资源和试剂消耗。与成熟的孔板技术相比,集成微流控芯片所消耗的试剂更少、实验通量更高,还可以摆脱孔板实验中边缘效应的干扰,具有很好的应用潜力。

但是现有的微流控集成芯片集成度较高，外部控制设备过于复杂，操作繁琐，对于生命科学研究人员来说，如何制造出功能强大、操作简便的集成微流控芯片，是需要不断改进的技术问题。此外，传统的高通量集成微流控芯片中的细胞及其他试剂的注入与回收存在许多芯片外的消耗，这些消耗存在于连接管道、移液附件、外置泵体等处，如何使生化反应尽可能多的在芯片内部进行也是需要解决的难题。针对以上问题有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成微流控芯片及其工作方法，以解决将细胞进行分离提纯的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种集成微流控芯片，包括：细胞提纯功能区。

进一步，所述集成微流控芯片包括：含有电极的石英基底、位于石英基底上的芯片本体，所述细胞提纯功能区位于芯片本体内；所述细胞提纯功能区包括：圆弧形微流道，电极的末端呈发散状分布于圆弧形微流道的内侧边缘，以及所述细胞提纯功能区还包括：与该圆弧形微流道的圆弧外侧相连通的公共输送微流道，与圆弧形微流道的圆弧内侧相联通的第一输出微流道；在细胞通过圆弧形微流道时，所述电极适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道、第一输出微流道。

进一步，所述芯片本体内还设有药物测试区，以及细胞培养液输入口；输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第一培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至药物测试区；以及所述药物测试区还连接有药物溶液输入口，并在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道从排放接口排出。

进一步，所述芯片本体内还设有微反应混合区；输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第二培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微反应混合区；以及所述微反应混合区还连接有反应用细胞溶液输入口，并在细胞混合后，通过第二排出微通道从排放接口排出。

进一步，所述芯片本体内还设有微注射区；输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第三培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微注射区；所述微注射区包括：与公共输送微流道相连通的注射微流道，与该注射微流道相连的注射腔，一微针的末端固定于注射腔后端，其针管部与注射输入口相连，所述微针的外壁与注射腔的内壁之间留有间隙，且该间隙与压力调节口相连通，以产生负压或正压；注射时，通过注射微流道的细胞在负压下从注射腔的前端进入并被微针刺入，注射输入口通过微针将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道从排放接口排出。

又一方面，本发明还提供了一种所述的集成微流控芯片的工作方法，其中所述集成微流控芯片包括：含有电极的石英基底、位于石英基底上的芯片本体，所述细胞提纯功能区位于芯片本体内；所述细胞提纯功能区包括：圆弧形微流道，电极的末端呈发散状分布于圆弧形微流道的内侧边缘，以及所述细胞提纯功能区还包括：与该圆弧形微流道的圆弧外侧相连通的公共输送微流道，与圆弧形微流道的圆弧内侧相联通的第一输出微流道；

所述工作方法包括：在细胞通过圆弧形微流道时，所述电极适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道、第一输出微流道。

进一步，所述集成微流控芯片还包括：与公共输送微流道相连通的适于单独工作的药物测试区、微反应混合区和微注射区；以及与药物测试区、微反应混合区和微注射区均连通的细胞培养液输入口和排放接口。

进一步，若药物测试区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第一培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至药物测试区；以及所述药物测试区还连接有药物溶液输入口，并在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道从排放接口排出。

进一步，若微反应混合区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第二培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微反应混合区；以及所述微反应混合区还连接有反应用细胞溶液输入口，并在细胞混合后，通过第二排出微通道从排放接口排出。

进一步，若微注射区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第三培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微注射区；所述微注射区包括：与公共输送微流道相连通的注射微流道，与该注射微流道相连的注射腔，一微针的末端固定于注射腔后端，其针管部与注射输入口相连，所述微针的外壁与注射腔的内壁之间留有间隙，且该间隙与压力调节口相连通，以产生负压或正压；注射时，通过注射微流道的细胞在负压下从注射腔的前端进入并被微针刺入，注射输入口通过微针将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道从排放接口排出。

本发明的有益效果是，细胞的分离提纯主要通过尺寸大小不同的细胞经过圆弧形微流道时所受的离心力和电泳力大小不同来实现的，由于在微观环境中流体流动状态为蠕动流，且流体的粘性占主导地位，因此仅仅依靠细胞经过圆弧形微流道是产生的离心力对细胞进行分离效果并不理想。故在圆弧形微流道的边缘布置有电极，对电极施加相同相位的交流电信号，通过调节施加电极上交流电信号的频率来控制圆弧形微流道中细胞所受介电泳力的大小，从而明显提高细胞分析的纯度和效率。当细胞培养液中混有比其质量更小的物质时，如细菌、蛋白质、核酸或其他高分子化合物等。经过分离提纯后，质量较大的细胞会因受到的相对较大的介电泳力和离心力而进入下一阶段的操作微流道，即质量较大的细胞会通过公共输送微流道进入药物测试区，微反应混合区，或对细胞进行微注射区等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为集成微流控芯片的整体结构示意图；

图2为含有电极的底层石英基片结构图；

图3为集成芯片的俯视图；

图4为微流道结构二维视图；

图5为微注射区的局部放大图；

图6为微注射区的主剖视图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种集成微流控芯片，包括：细胞提纯功能区。

具体的，所述集成微流控芯片包括：含有电极2的石英基底1、位于石英基底上的芯片本体12，石英基底1与芯片本体12键合在一起，石英基底1的厚度为0.5毫米且透明。其中芯片本体12例如但不限于采用PDMS(聚二甲基硅氧烷：(Polydimethylsioxane)简称PDMS，是一种高分子有机硅化合物。具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，五毒，不易燃，具有很好的生物兼容性)。

所述细胞提纯功能区位于芯片本体内；所述细胞提纯功能区包括：圆弧形微流道405，电极2的末端呈发散状分布于圆弧形微流道405的内侧边缘，以及所述细胞提纯功能区还包括：与该圆弧形微流道405的圆弧外侧相连通的公共输送微流道1101，与圆弧形微流道405的圆弧内侧相联通的第一输出微流道401；在细胞通过圆弧形微流道405时，所述电极2适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道1101、第一输出微流道401。进一步，通过微流泵将细胞从细胞输入口5，且通过细胞输入微流道501进入至圆弧形微流道405中，第一输出微流道401与小细胞流出口4相连，公共输送微流道1101与大细胞流出口11相连。

进行细胞提纯的原理是：由于细胞在圆弧形微流道405上运动时，质量相对较大的细胞受到的离心力和介电泳力也相对较大，其在圆弧形微流道上运动时，质量大的细胞靠近圆弧的外侧管壁，而质量相对较小的细胞靠近圆弧的内侧管壁，故经过圆弧形微流道405后，质量相对更大的细胞会进入微流道1101，而质量相对更小的物质会进入第一输出微流道401内，从而实现细胞的分析提纯。

本集成微流控芯片具备多种功能,具体实施方式如下：

优选的，所述芯片本体内还设有药物测试区14，以及细胞培养液输入口6，具体的，输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第一培养液微通道303将公共输送微流道1101中的细胞经测试流入微流道306带入至药物测试区14；以及所述药物测试区14还连接有药物溶液输入口6，药物溶液输入口6通过药物溶液微流道601与药物测试区14相连；在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道801从排放接口8排出。

具体的，药物测试区14为圆形，且与药物测试区14相连通的相应微流道均与该测试圆形区域相切，这将保证细胞与药物充分接触，为其生化反应创造了有利条件。

所述细胞培养液输入口3连接有微流泵。

优选的，所述芯片本体内还设有微反应混合区15；输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第二培养液微通道302将公共输送微流道1101中的细胞经混合流入微流道307带入至微反应混合区15；以及所述微反应混合区15还连接有反应用细胞溶液输入口7，反应用细胞溶液输入口7通过反应用细胞微流道701与微反应混合区15相连，在细胞混合后，通过第二排出微通道802从排放接口8排出。

细胞通过公共输送微流道1101进入微反应混合区15，该区域采用半圆形设计，以使两股流体同时进入该区域时相互对冲，从而保证两股流体中的物质充分接触混合反应。

优选的，所述芯片本体内还设有微注射区；输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第三培养液微通道301将公共输送微流道1101中的细胞带入至微注射区；所述微注射区包括：与公共输送微流道1101相连通的注射微流道308，与该注射微流道相连的注射腔，一微针13的末端固定于注射腔后端，其针管部通过注射微流道901与注射输入口9相连，所述微针13的外壁与注射腔的内壁之间留有间隙，且该间隙与压力调节口10通过压力微流道1001相连通，以产生负压或正压；注射时，通过注射微流道308的细胞在负压下从注射腔的前端30801进入并被微针13刺入，注射输入口9通过微针13将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道903从排放接口8排出。

所述注射微流道308与注射腔的前端30801的交汇处变窄，以致每次仅通过一个细胞，当细胞移动至注射腔的前端30801时，产生负压，将细胞吸入注射腔内，通过微针13进行注射。

为了避免药物测试区、微反应混合区和微注射区发生干扰，在公共输送微流道1101末端、测试流入微流道306、混合流入微流道307、注射微流道308内分别加上微阀，以在药物测试区、微反应混合区和微注射区单独工作时，将相应区微流道对应的微阀打开，其余微阀关闭。

本集成微流控芯片具备多种功能，以起到节约样品和试剂的效果。

由于传统微流控芯片未实现集成化，功能十分单一，因此，在多个微流控芯片协同工作时，各芯片之间存在更多的管路连接，所以样品和试剂等液体消耗会很多；现在将各个功能集成在一微流控芯片中，就大大减少了管道和移液器等内部的液体输送；如果在一个需要进行连续测试或者反应的化学物质或者细胞，本集成微流控芯片能减少中间的操作流程。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2还提供了一种集成微流控芯片的工作方法。

所述集成微流控芯片的结构包括细胞提纯功能区，如实施例1所述，这里不再赘述。

所述工作方法包括：在细胞通过圆弧形微流道405时，所述电极2适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道1101、第一输出微流道401。

以及，本实施例中药物测试区、微反应混合区和微注射区的具体结构同样参见实施例1的相应内容，这里不再赘述。

并且，所述集成微流控芯片还包括：与公共输送微流道1101相连通的适于单独工作的药物测试区14、微反应混合区15和微注射区；以及与药物测试区、微反应混合区和微注射区均连通的细胞培养液输入口3和排放接口8。为了避免药物测试区、微反应混合区和微注射区发生干扰，在公共输送微流道1101末端、测试流入微流道306、混合流入微流道307、注射微流道308内分别加上微阀，以在药物测试区、微反应混合区和微注射区单独工作时，将相应区微流道对应的微阀打开，其余微阀关闭。

具体的，若药物测试区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第一培养液微通道303将公共输送微流道1101中的细胞带入至药物测试区14；以及所述药物测试区还连接有药物溶液输入口6，并在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道801从排放接口8排出。所述药物溶液输入口6连接有微流泵。

具体的，若微反应混合区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第二培养液微通道302将公共输送微流道1101中的细胞带入至微反应混合区15；以及所述微反应混合区还连接有反应用细胞溶液输入口7，并在细胞混合后，通过第二排出微通道从排放接口排出。所述反应用细胞溶液输入口7连接有微流泵。

具体的，若微注射区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口3相连通的第三培养液微通道301将公共输送微流道1101中的细胞带入至微注射区；注射时，通过注射微流道的细胞在负压下从注射腔的前端进入并被微针13刺入，注射输入口9通过微针13将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道803从排放接口8排出。用于产生正压或负压的压力调节口10和注射输入口9均连接有微流泵。

当上述各区的功能分别完成后，细胞培养液输入口3继续输入相应液体，将各区域内的溶液或细胞从从排放接口8排出。

所述药物测试区14、微反应混合区15和微注射区无需考虑顺序，可以按照任意步骤进行操作。

如果细胞经过分离提纯后无需进行其他操作，则只需关闭测试流入微流道306、混合流入微流道307、注射微流道308内的微阀，打开公共输送微流道1101内的微阀，将分析提纯后的大细胞从大细胞流出口11排出。

如果仅仅只使用该集成微流控芯片内的某一个功能(分离提纯除外)，则可以直接将待操作细胞从细胞培养液输入口3注入芯片，通过调节相关微阀开闭，就能将细胞引入指定功能区域。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种集成微流控芯片，其特征在于，包括：细胞提纯功能区；

所述集成微流控芯片包括：含有电极的石英基底、位于石英基底上的芯片本体，所述细胞提纯功能区位于芯片本体内；

所述细胞提纯功能区包括：圆弧形微流道，电极的末端呈发散状分布于圆弧形微流道的内侧边缘，以及

所述细胞提纯功能区还包括：与该圆弧形微流道的圆弧外侧相连通的公共输送微流道，与圆弧形微流道的圆弧内侧相联通的第一输出微流道；

在细胞通过圆弧形微流道时，所述电极适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道、第一输出微流道；

所述芯片本体内还设有微注射区；

输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第三培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微注射区；

所述微注射区包括：与公共输送微流道相连通的注射微流道，与该注射微流道相连的注射腔，一微针的末端固定于注射腔后端，其针管部与注射输入口相连，所述微针的外壁与注射腔的内壁之间留有间隙，且该间隙与压力调节口相连通，以产生负压或正压；

注射时，通过注射微流道的细胞在负压下从注射腔的前端进入并被微针刺入，注射输入口通过微针将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道从排放接口排出。

2.根据权利要求1所述的集成微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体内还设有药物测试区，以及细胞培养液输入口；

输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第一培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至药物测试区；以及

所述药物测试区还连接有药物溶液输入口，并在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道从排放接口排出。

3.根据权利要求2所述的集成微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体内还设有微反应混合区；

输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第二培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微反应混合区；以及

所述微反应混合区还连接有反应用细胞溶液输入口，并在细胞混合后，通过第二排出微通道从排放接口排出。

4.一种根据权利要求1所述的集成微流控芯片的工作方法，其特征在于，

所述集成微流控芯片包括：含有电极的石英基底、位于石英基底上的芯片本体，所述细胞提纯功能区位于芯片本体内；

所述细胞提纯功能区包括：圆弧形微流道，电极的末端呈发散状分布于圆弧形微流道的内侧边缘，以及

所述细胞提纯功能区还包括：与该圆弧形微流道的圆弧外侧相连通的公共输送微流道，与圆弧形微流道的圆弧内侧相联通的第一输出微流道；

所述工作方法包括：

在细胞通过圆弧形微流道时，所述电极适于输入相应频率的交流电以控制细胞所受介电泳力，以将细胞根据质量大、小分流至公共输送微流道、第一输出微流道。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，

所述集成微流控芯片还包括：与公共输送微流道相连通的适于单独工作的药物测试区、微反应混合区和微注射区；以及

与药物测试区、微反应混合区和微注射区均连通的细胞培养液输入口和排放接口。

6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，

若药物测试区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第一培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至药物测试区；以及

所述药物测试区还连接有药物溶液输入口，并在药物测试反应结束后，通过第一排出微通道从排放接口排出。

7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，

若微反应混合区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第二培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微反应混合区；以及所述微反应混合区还连接有反应用细胞溶液输入口，并在细胞混合后，通过第二排出微通道从排放接口排出。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，

若微注射区工作，则输入的细胞培养液通过与细胞培养液输入口相连通的第三培养液微通道将公共输送微流道中的细胞带入至微注射区；

所述微注射区包括：与公共输送微流道相连通的注射微流道，与该注射微流道相连的注射腔，一微针的末端固定于注射腔后端，其针管部与注射输入口相连，所述微针的外壁与注射腔的内壁之间留有间隙，且该间隙与压力调节口相连通，以产生负压或正压；

注射时，通过注射微流道的细胞在负压下从注射腔的前端进入并被微针刺入，注射输入口通过微针将待注射外源物质注入细胞内，待注射完成后，通过正压使已完成注射的细胞推出注射腔，且该细胞经过第三排出微通道从排放接口排出。