CN106925358B - 一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片，该芯片由PDMS层、玻璃基底层和PCB板依次对准封装而成，PDMS层表面设有流道，所述流道由入口、突扩结构流道、检测流道、出口组成；突扩结构流道由与基底平行的矩形突扩结构和与基底垂直的矩形突扩结构组成，检测流道段的两侧设置有三对液体电极，利用PCB板上的信号接口接入相应模式的电源，对细胞进行直流模式和交流模式的电阻抗测量，本发明集成了细胞的中心位置聚焦和检测功能，使得细胞经过三维突扩结构能在流道中心位置聚焦，降低细胞聚焦位置的变化对细胞检测的影响，能进行多模式的电阻抗测量，可广泛应用于CTCs、血细胞等稀有细胞的生物学研究和疾病的早期诊断。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片领域，具体涉及三维突扩结构芯片中生物粒子的中心位置聚焦以及后续的电阻抗测量技术。
背景技术
近年来，随着一些领域的研究对象越来越微观化，微流控芯片的制造技术也在不断地发展。微流控芯片的制造技术主要有光刻技术和刻蚀技术、模塑法、软刻蚀、热压法、激光切蚀法、LIGA技术等。光刻技术是利用光刻胶、掩模和紫外光进行微加工的技术；刻蚀技术包括干刻、湿刻和等离子刻蚀技术，适用于硅、玻璃和石英等容易被化学试剂腐蚀的基片；模塑法、软刻蚀、热压法、激光切蚀法等技术主要适用于高分子聚合物，例如PDMS等。因此，根据上述芯片的加工技术，想要制造出具有三维突扩结构的微流控芯片是可行的。
微流控芯片因具有与细胞尺度相匹配的微米级腔道，已经成为单细胞研究的一种重要技术平台。近年来，出现了一些表征单细胞生物物理特性的微流控器件，如测量细胞质量（密度）的微通道谐振器、分析细胞机械性能的光延伸器和微管吸吮等，然而这些技术需要繁琐的加工过程、检测通量低、系统组成复杂，且需要昂贵的专业设备支持。因此，单细胞电阻抗测量技术引起了广泛关注。根据测量频率的特点，现有的微流控细胞电阻抗检测技术主要分为静态扫频测量和动态测量。静态扫频测量时将细胞固定在检测电极附近，通过施加不同频率的交流电信号，测量得到细胞的宽频阻抗谱。这种方法虽然能够获取准确的细胞电学特性，但检测耗时较长，且无法表征细胞的实时状态。动态单频测量能够实现细胞流动态的高通量检测，但因测量的频率有限，无法获得完整的细胞阻抗谱。已有将微流控芯片与电阻抗技术相结合的实验平台，但是该技术的有效实施很大程度上依赖细胞在微流控芯片内聚焦的位置，测量出来的结果具有不可避免的误差，且只能进行单一模式的检测。将能实现细胞中心位置聚焦的微流控芯片与单细胞多模式电阻抗测量技术结合，能有效的克服上述技术的局限。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种微流控芯片，该芯片利用特殊的三维突扩结构，即水平方向上的突扩结构和垂直方向上的突扩结构，使粒子在流道的中心位置聚焦，降低细胞的聚焦位置对后续细胞的电阻抗技术的影响，以及多模式的电阻抗检测方式，能够实现细胞的高通量、动态多频检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片；所述芯片由PDMS层、基底层、和PCB板层依次对准封装而成；芯片表面设有流道，所述流道由入口、直流道、出口组成；其中直流道分为突扩结构流道区域与检测流道区域，突扩结构流道由水平方向的突扩结构和垂直方向的突扩结构交替形成，突扩结构的截面为矩形，所述突扩结构流道的水平突扩结构与整个直流道以及垂直突扩的上半部分，利用软光刻技术，根据设计好的掩模经过曝光后得到具有一定厚度的水平突扩结构和整个直流道，再在该光刻胶上旋涂具有特定厚度的光刻胶，与之前曝光过后的结构对准，使用特定的掩模，得到具有特定厚度的垂直突扩结构的上半部分；垂直突扩结构的下半部分，利用刻蚀技术在基底层上刻蚀得到；在基底层上加工得到电极，选择聚合物图层材料，以最大限度的减小电极的双电层作用的影响，与流道构成缩进的结构，以降低电极电场的不均匀性的影响；所述的PCB板上加工有三个电极结构的各个输出端和输入端，以便不同模式信号的同时输入和输出；各个输出输入端与电极之间通过铜线和特定的能传导信号的金属架子连接起来，构成信号激励电极和信号响应电极。
本发明具有的有益效果是：
在特定的流速范围内，细胞在三维突扩结构流道中，将受到指向中心位置的明显的Hoop环向作用力，将使细胞逐渐地稳定在流道的中心位置上，当聚焦成束的细胞沿检测主流道运输到测量区域时，将先后经过三个液体电极结构，可以根据需要对电极施加特定模式的激励信号或同时施加两种模式的激励信号，通过PCB板上的信号接口，将采集到的信号连接到计算机上，利用特定的程序，便能对细胞进行实时的检测和分析，能够有效克服单一模式下电阻抗检测技术的局限性，同时，细胞将聚焦在流道的中心位置处，能够有效消除因为细胞聚焦位置变化而引起的信号的变化，提高检测的准确性，降低信号处理的难度。
附图说明
图1为微流控芯片整体结构示意图；
图2为本发明对称三维突扩结构流道中细胞粘弹性聚焦的原理示意图；
图3为本发明对称三维突扩结构流道入口处和出口处的细胞分布示意图（左侧为入口右侧为出口）；
图4为本发明测量区域的局部放大图；
图5为连接件示意图；
图6为玻璃基底层的结构示意图；
图7为PDMS层的结构示意图。
附图标记列表：
11、PDMS层，12、基底层，13、PCB板层，211、入口，212、突扩结构流道区域，213、检测流道区域，214、出口，221、直流电阻抗测量电极涂层，222、交流电阻抗测量电极涂层，231、直流电阻抗测量电极，232、交流电阻抗测量电极，24、连接件，251、输入信号端口，252、输出信号端口，26、紧固件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明集成细胞三维聚焦和检测功能的微流控芯片示意图，芯片由PDMS层11、玻璃基底层12、PCB板层13共同组成，PDMS层11上形成具有突扩结构流道与检测流道的芯片流道，芯片流道包括流道入口（211）、突扩流道段（212）、检测流道段（213）、和出口（214），三对电极对称分布与检测流道的两侧，包括直流电阻抗测量电极（231）、电极涂层（221），以及交流电阻抗电极（232）、电极涂层（222），电极均加工在玻璃基底层12上，PDMS层11和玻璃基底层12对准封装组成，PCB板上有三个输入信号端口（251）和三个输出信号端口（252），信号端口（251、252）与电极（23）之间依靠连接件（24）传递信号，连接件（24）旋转固定在PCB板上，旋转杆上的螺丝压紧金属片就能与玻璃基底层的电极连成通路，同时也能固定玻璃基底层（12）在PCB板（13）上，通过紧固件（26）连接，使得玻璃基底层（12）和PCB板（13）可以分离开，以使得PCB板可以重复使用。
当细胞从流道入口进入微流控芯片，经过水平突扩和垂直突扩相间的流道段内时，细胞受到弹性力和Hoop环向作用力，如图2所示，细胞在该流道段内，不断的向流道的中心位置移动，当细胞到达检测流道段内时，已经形成了在流道中心位置聚焦的细胞束，且依次经过电极检测区域。细胞第一个经过的电极为直流模式的电阻抗测量，后续的两个电极为交流模式的电阻抗测量。直流模式的电阻抗测量方式简单，只需将输入信号接口与直流电源以及电阻相连并与输出信号接口和计算机构成回路。交流模式的电阻抗测量方式，输入信号接口与交流电源相连接，输出信号接口需要经过差分放大器和跨阻放大器，并与计算器相连。需要有专门的算法来对采集到的信号进行处理，减低器件的噪声，本发明中，细胞的聚焦位置在中心位置，所以每个细胞经过时，因为位置而产生的影响是相同的，不需要再考虑收集信号中细胞的聚焦位置的影响，降低了信号分析的难度，提高了精度。
Claims (1)
1.一种能实现细胞中心位置聚焦和检测的微流控芯片，其特征在于：该芯片由PDMS层（11）、玻璃基底层（12）、和PCB板（13）依次中心对准封装而成；
芯片表面设有流道，所述流道由入口、直流道、出口组成；其中直流道分为突扩结构流道区域与检测流道区域，突扩结构流道由水平方向的突扩结构和垂直方向的突扩结构交替形成，突扩结构的截面为矩形；
在检测流道两侧的玻璃基底层上有三对电极（23），所述电极包括直流电阻抗测量电极（231）、交流电阻抗测量电极（232），细胞第一个经过的电极为直流模式的电阻抗测量，后续的两个电极为交流模式的电阻抗测量，电极上设有涂层（221、222），涂层（221、222）的位置在电极上靠近检测流道的一端端头；
在PCB板上有信号输入端口（251）和信号输出端口（252），信号端口（251、252）与电极（23）之间的连接依靠连接件（24），连接件（24）旋转固定在PCB板上，玻璃基底层（12）与PCB板（13）通过紧固件（26）连接；
信号输入接口（251）、连接件（24）和直流电阻抗测量电极（231）以及其上的涂层（221）构成直流模式激励信号施加电路的一部分；直流电阻抗测量电极（231）和其上的涂层（221）、连接件（24）与信号输出接口（252）构成直流模式响应信号传感电路的一部分；信号输入接口（251）、连接件（24）和交流电阻抗测量电极（232）以及其上的涂层（222）构成交流模式激励信号施加电路的一部分，交流电阻抗测量电极（232）和其上的涂层（222）、连接件（24）与信号输出接口（252）构成交流模式响应信号传感电路的一部分；
突扩结构流道（212）的水平突扩结构和垂直突扩结构的上半部分利用软光刻技术得到阳模再用PDMS倒模得到；垂直突扩结构的下半部分利用刻蚀技术在玻璃基底层上得到。
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