CN108795753A - 一种封装平面电极芯片的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种封装平面电极芯片的装置，所述电极芯片直接注塑封装在外壳内部，呈扁平结构。还涉及一种与封装平面电极芯片的装置配合使用的电转染基座。本发明装置制备方法简单，成本低，结构简单，易于操作，同时可根据用户的需求，调整外壳的结构以适应不同的电极基座接口，适用性强，也可调整柱状腔体的容量大小，满足不同容量的细胞处理。

Description

一种封装平面电极芯片的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种平面电转染电极装置，特别是涉及一种新型的封装有平面电极芯片的电转染电极装置，利用封装有平面电极芯片的装置与电转染基座配合进行细胞电转染，并可直接进行细胞培养。

背景技术

电转染(也称电穿孔)是一种采用电场将外源性分子导入到活体生物细胞内的技术。早期公开的电转染装置，主要是平行板电极(如电极杯)，电极之间的距离远远大于细胞的典型尺度(20微米)，所以难以精确控制实际施加在细胞上的电场。同时，在两个平行板电极产生的电场中，电场E＝V/D(V为施加在两极板之间的电压，D为两极板之间的距离)，在极板之间的距离D较大的传统电转染系统中，需要的电压通常高达数千伏特。这给设计供电系统增加了难度。

例如CN1826408A公开了一种大容量离体电转染仪，包括：室，其体积为至少2毫升，其内部包含一对电转染电极；电转染介质，该电转染介质以悬浮液形式携带泡囊，并包含在所述室内，位于电转染电极之间，其中该介质的电导率为50～500mS/cm；脉冲电压电源，其与所述电转染电极电连接；及向电转染处理室中加入物质的装置和从该室中移除处理过的物质的装置。

WO2004050866A1中描述的微孔板被构造成带有矩形孔，具有镀在各个孔壁上的电极。一列8孔一侧上的所有电极共同连接于沿各列通过导线连接的镀敷迹线，同一列中孔的另一侧上的电极类似地共同连接。相应的电极连接存在于所有12列。然而，由于8个平行孔的低电阻，以及由于可获得的最大电容器的电容约为3200mfd，同时电击8个孔将最大时间常数限制为约20msec、电阻负载约为6.25ohms。在许多方案中，电击所有96个孔需要10分钟。通过将板降低到板支架内，使支架中的电导线与板中各个电极之间形成电接触，并使连接于12列各列的内部驱动器或继电器按顺序连通外部电源，从而实现向板的电能供应。然后按顺序向电极传递电脉冲。96-孔板和24-孔板使用相同大小和间隔的矩形孔，所有电导线和连接件位于形成板基部的“固体底板”中。这限制了孔的使用和电转染仪的多功能性。

CN101384697A公开了一种对多个样品进行电转染的电转染装置，所述电转染装置包括；包括多个孔的板，所述孔具有向上导向的开口和附连于所述孔内部的电极，所述电极具有超出所述开口的延伸件以提供接触区域；和具有电路的盖子，所述电路终结于暴露导线，所述导线被排布成使得当所述盖子闭合到所述板上时与所述接触区域形成电连接。该装置仅需通过与盖子中，而不是在板本身中或支持板的底板中的电导线相接触即能形成电连接。虽然该装置较之前的电转染装置在供电方式上有了较大的改进，但是仍然受限于平行板电极的弊端。

由于新型微电极芯片的出现，特别是CN101870949A公开的电极结构，使电极的间距做到很小，从而能让电转染所需电压大大的降低。然而，市场上的电转染仪器尚没有能够为微电极芯片提供定制式的需求，比如提供相应的电连接接口和能够灵活变换的波形。

虽然已有部分外观专利公开了电转染仪的外观结构，例如CN201430095254公开了一种细胞电转染仪器的外观设计，CN201530367481也公开了一种电转染仪，但是目前尚无关于采用微电极芯片进行电转染的基座装置。

一些贴壁生长的细胞在被消化成为细胞悬浮液状态下，其活性和性能都会改变。对这类细胞的电转染需要一种电极，使细胞能够在贴壁状态下实现电转染。平面电极芯片电极就是为满足这类需求设计的。

例如CN101870949A涉及的一种电穿孔芯片及基于电穿孔芯片的多孔板装置，采用多孔板与芯片上下分离的结构，多孔板采用玻璃或聚合物等透明材料制作，方便使用显微镜实时观察细胞在电穿孔过程中的变化。

但是上述专利中多孔板的大小都是固定的，不能根据需要处理的细胞量调整，细胞的培养和电穿孔是分开进行的，将经过电穿孔的细胞转移培养的过程中，其他因素的干扰会降低电穿孔的工作效率，且多孔板是一个整体，实际应用中有时并不需要多孔板上所有的孔进行处理，浪费了多孔板的空间。而且电极也是一个整体排列，形成电连接后，电极整体都会形成电场，而不需要对相应的多孔板进行处理时，既浪费了多孔板上形成的电场，也损耗了电极的使用寿命。

为了克服上述缺陷，CN103966090A公开了一种基于芯片可拆卸的电穿孔电极装置，包括：独立的电穿孔芯片模块，载体板，PCB电路板；所述的电穿孔芯片模块包括承载电极的基板、电极、芯片接线触点、细胞培养室，所述电极为环形，每两个为一对，包括相对设置的阳极和阴极，且阴极和阳极之间相互嵌套，所述的载体板包括多个下沉槽，每个下沉槽的尺寸比所述芯片基板的尺寸稍大，以使所述电穿孔芯片模块可拆卸的固定于下沉槽中，所述下沉槽至少有一侧的边缘开口，以用于芯片接线触点与PCB电路板上的触点连接形成电连接件，载体板底部与PCB板紧密连接；所述PCB电路板上设置多个触点和电路，电路将触点引出为外部连接触点，所述外部连接触点作为与外部电学连接的部件，将电脉冲引入到芯片中。

该专利提供一种为细胞电穿孔提供定制式需求，通用行强，电穿孔效果好、无化学污染、不会对细胞造成损伤、效率高，分别独立的、可拆卸的、无须转移培养、可以灵活调整细胞培养室容量的基于平面电极芯片的电穿孔电极装置。

但是上述电穿孔装置仍然是以多孔板为原型，通过电穿孔芯片的大小设计相应细胞培养室。而且电穿孔芯片模块作为一个整体，电极位于基板的表面或嵌入基板中，细胞培养室与基板紧密连接。在实际的加工制备过程中，细胞培养室与基板的紧密连接难度大，制作成本高。

对于平面电极芯片，目前尚没有形成统一的电连接接口，特别是需要与电转染基座进行配合使用的平面电极装置，各种不同规格的平面电极操作也存在较大差异。因此，亟需对平面电极的外观结构进行通用标准化。

发明内容

本发明涉及一种操作便捷、通用性好、兼容性好、移植性好、便于人工和机械化操作的封装平面电极芯片的装置，能够通过调整封装外壳和现有的生物设备和自动化仪器相兼容，实现平面电极电连接通用标准化的方式，进一步提高平面电极芯片的电转染效率。

本发明涉及一种封装平面电极芯片的装置，包括电极芯片、外壳、柱状腔体，所述电极芯片直接注塑封装在外壳内部，呈扁平结构。所述注塑是指工业产品生产造型的方法，将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品。

进一步本发明涉及一种封装平面电极芯片的装置，包括平面电极芯片、外壳和柱状腔体；所述外壳设置下沉凹槽结构，平面电极芯片能够水平嵌入凹槽结构的底部；柱状腔体置于平面电极芯片的正上方；外壳凹槽结构的一侧设置两个缺口，位置与尺寸对应平面电极芯片的引脚，用于形成电连接。

进一步所述平面电极芯片由衬底和电极组成，所述电极材料为选择具有高的电导率、良好的化学稳定性和无毒性的金，所述的电极形状为平面环形结构，每两个电极为一对，包括相对设置的阳极和阴极，且阴极和阳极之间相互嵌套。

进一步所述电极形状为立体环形电极，指在衬底的垂直方向的电极上设置立体电极阵列，每两个电极为一对，包括相对设置的阳极和阴极，且阴极和阳极之间相互嵌套。

进一步所述衬底选用具有很高的电阻率和透明的玻璃晶片或石英玻璃。

进一步所述平面电极芯片和柱状腔体直接注塑封装在外壳的下沉凹槽结构中。

进一步所述柱状腔体和下沉凹槽结构中对应设置螺纹，柱状腔体通过螺纹旋入下沉凹槽结构中。

进一步所述柱状腔体和下沉凹槽结构中对应设置锁紧滑块，柱状腔体通过锁紧滑块插入下沉凹槽结构中。

进一步所述外壳还包括手持结构，例如防滑手柄，方便电极的拿取。外壳材料为绝缘材料制成，优选透明的塑料材质。所述外壳可以通过铸模或机器切割制成。

进一步所述柱状腔体设置盖子，所述盖子内径尺寸与所述柱状腔体外径相匹配。用于保护柱状腔体内细胞溶液免于污染，盖子可选用硅胶材质。

进一步所述盖子内部设置立体电极阵列，所述电极阵列包括多个电极，所述多个电极上按时间周期分别施加第一极性的电脉冲和第二极性的电脉冲，其中，所述第一极性的电脉冲对应的电极的周围分别的都是第二极性的电脉冲对应的电极。

本发明涉及一种含有平面电极芯片的装置，其特征在于，包括平面电极芯片、外壳和柱状腔体；所述外壳设置下沉封闭水平凹槽结构，所述柱状腔体置于封闭水平凹槽结构中，柱状腔体内部设置至少三个水平格栅点，所述平面电极芯片可拆卸的位于格栅点上，电极面朝下，格栅点距离柱状腔体底部的距离在1-5毫米之间。

本发明所述的一种封装平面电极芯片的装置的用途，用于细胞电转染或细胞培养。

本发明涉及一种与所述的封装平面电极芯片装置配合使用的电转染基座，所述基座分别提供平面电极插口和电极杯插口。

进一步所述平面电极插口包括往返开关、母插片、平面电极滑块盖板、平面电极滑块；平面电极插入平面电极插口，进入平面电极滑块盖板和平面电极滑块，平面电极插到底，往返开关锁住平面电极滑块，平面电极两侧引脚与母插片形成电连接。

进一步所述电极杯插口包括两侧弹片、电极杯滑块，电极杯滑块两侧设置有往返开关，电极杯插入电极杯插口，电极杯滑块两侧往返开关锁住电极杯滑块，电极杯电极与两侧弹片电连接。

进一步所述平面电极插口和电极杯插口电连接相对独立控制。

本发明涉及一种电转染基座，所述基座含有上盖、上壳、后壳和底壳四部分，所述上盖通过轴心与上壳连接，轴心处设置有双杆扭簧、齿轮和阻尼齿轮，所述上盖前方有按钮，下方上壳对应位置有卡口，上盖闭合时，按钮与下方卡口锁住，所述基座提供两个插口，分别为平面电极插口和电极杯插口，平面电极插口和电极杯插口电连接相对独立控制；所述基座利用电源线与电转染脉冲发生仪连接，电极杯底壳和后壳通过螺钉固定。

进一步所述上盖采用透明的PC材料制成，有助于观察。

进一步所述平面电极为含有平面电极芯片的常规电极，电极两侧设置用于形成电连接的引脚，优选封装有平面电极芯片的平面电极；

进一步所述电极杯为本领域常规使用的立体电极杯；

进一步所述后壳、底壳、上壳采用ABS材质制成；

进一步电转染基座的使用方法，当上盖闭合时，按钮与下方卡口锁住。

进一步当使用者推动按钮，按钮与下方卡口分离，上盖在双杆扭簧和阻尼齿轮的作用下，慢慢打开。

本发明有益的技术效果

本发明的封装平面电极芯片的装置，立体环形电极阵列的电转染效率更高，平面环形电极和盖子内部设置的立体电极阵列的电场叠加后的电转染效率更高。

本发明的封装平面电极芯片的装置，制备方法非常简单，成本低，结构简单，易于操作，同时可根据用户的需求，调整外壳的结构以适应不同的电极基座接口，适用性强，也可调整柱状腔体的容量大小，满足不同容量的细胞处理，可以与电转染基座进行配合使用。

本发明首次提出与平面电极芯片配合使用的电转染基座，并首次设计了可以通用的平面电极插口，有望使平面电极电连接形成标准化。

本发明中提供的电极基座，需要配合电转染脉冲发生仪主机使用，可以方便的接入电转染仪主机，提供平面电极和电极杯两种电转染方案，实现细胞高效电转染。

本发明的电转染基座使用操作简单，全程无污染，可以实现不同通量的细胞电转染，满足客户实验需求。同时本发明的电转染基座可提供与电极杯兼容的插口，以满足不同大小的平面电极和立体电极杯选择使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1电转染基座结构示意图；

图2封装平面电极装置结构示意图；

图3封装平面电极装置成品示意图；

图4平面环形电极芯片结构示意图；

图5立体环形电极芯片结构示意图；

图6盖子内部设置电极阵列示意图；

其中，1-上盖；2-双杆扭簧；3-齿轮；4-轴心；5-阻尼齿轮；6-后壳；7-往返开关；8-母插片；9-电源线；10-底壳；11-自攻螺钉；12-弹片；13-电极杯滑块；14-平面电极滑块盖板；15-平面电极滑块；16-上壳；17-平面电极；18-平面电极盖；19-电极杯；20-按钮；21-平面电极插口；22-电极杯插口；23-盖子；24-柱状腔体；25-电极芯片；26-外壳；27-金电极负极；28-玻璃衬底；29-金电极正极，30-第一电极电极线或电极片，31-第二电极电极线或电极片，32-立体电极阵列。

具体实施方式

实施例一

封装平面环形电极芯片的制备方法

首先制备平面环形电极芯片，采用半导体工业用的标准铬板(有铬覆膜的玻璃或石英玻璃板)，用激光光刻技术刻上电极图形，再通过溅射技术把金覆盖在铬层上，制作出平面电极芯片；然后利用制备外壳的模具制备外壳，选择能够加热后固化的塑料作为外壳的材料，将制备得到的平面电极芯片注塑封装到外壳下沉凹槽的底部，然后将柱状腔体置于平面电极芯片的上方。

实施例二

封装立体环形电极芯片的制备方法

首先制备立体环形电极，采用半导体工业用的标准铬板(有铬覆膜的石英玻璃板)，在其上覆上所需厚度的铬，用激光光刻技术刻上电极图形，用等离子体蚀刻技术除去电极之外的部分，制成立体环形电极，再通过溅射技术把金覆盖在铬层上，制作出立体环形电极。利用制备外壳的模具制备外壳，选择能够加热，后固化的塑料作为外壳的材料，将制备得到的立体环形电极注塑封装到外壳前部的柱状腔体的底部，然后将柱状腔体置于立体环形电极的上方。

实施例三

柱状腔体与凹槽的连接方式螺纹或滑块连接

首先制备平面环形电极芯片，采用半导体工业用的标准铬板(有铬覆膜的玻璃或石英玻璃板)，用激光光刻技术刻上电极图形，再通过溅射技术把金覆盖在铬层上，制作出平面电极芯片；然后利用制备外壳的模具制备外壳，选择能够加热后固化的塑料作为外壳的材料，将制备得到的平面电极芯片注塑封装到外壳下沉凹槽的底部；或者所述柱状腔体和外壳的下沉凹槽结构中对应设置螺纹，柱状腔体通过螺纹旋入下沉凹槽结构中；或者所述柱状腔体和外壳的下沉凹槽结构中对应设置锁紧滑块，柱状腔体通过锁紧滑块嵌入下沉凹槽结构中；同时在柱状腔体与平面电极芯片接触面之间压置一个环形垫圈，形成底部密封的柱状腔体。

实施例四

盖子内部设置立体电极阵列

首先制备平面环形电极芯片，采用半导体工业用的标准铬板(有铬覆膜的玻璃或石英玻璃板)，用激光光刻技术刻上电极图形，再通过溅射技术把金覆盖在铬层上，制作出平面环形电极芯片；然后利用制备外壳的模具制备外壳，选择能够加热后固化的塑料作为外壳的材料，将制备得到的平面电极芯片注塑封装到外壳下沉凹槽的底部，然后将柱状腔体置于平面电极芯片的上方。利用制备外壳的模具制备盖子，盖子内部设置矩阵式针电极阵列，盖子扣到柱状腔体上部时，针电极接近平面电极芯片但不接触，针电极阵列排布与平面电极芯片上的电极图形保持一致，平面电极芯片通电后，两者之间形成一个立体电场空间。

实施例五

柱状腔体设置格栅点

首先制备平面环形电极芯片，采用半导体工业用的标准铬板(有铬覆膜的玻璃或石英玻璃板)，用激光光刻技术刻上电极图形，再通过溅射技术把金覆盖在铬层上，制作出平面环形电极芯片；然后利用制备外壳的模具制备外壳，选择能够加热后固化的塑料作为外壳的材料，将柱状腔体注塑封装到外壳下沉凹槽的底部，形成底部密封的柱状腔体；柱状腔体上端内部水平面上设有三个格栅点，将制备得到的平面电极芯片倒扣于柱状腔体内，由三个格栅点支撑。

实施例六

悬浮细胞电转染

收集处于对数生长期的MDCK(狗肾上皮细胞)，转速800转/分离心5分钟，弃上清，用电穿孔缓冲液重悬细胞，使得细胞的密度为2×10³个/微升，加入需要电转染转入细胞的质粒pEGFP-C3，使质粒的浓度为20微克/毫升，轻柔混合均匀。在本发明制备得到的封装有平面电极芯片的装置中，将混好的细胞悬液20微升均匀滴加至封装有平面电极芯片的装置的柱状腔体，然后将所述装置与电转染基座形成电连接，同时配合电转染仪器使用，采用如下条件进行电刺激：电压100伏特，脉冲宽度0.2毫秒，脉冲次数3次，脉冲间隔2秒。电转染结束后，在每个芯片上滴加200微升含10％血清的DMEM培养基，再加入0.2-1毫升培养基，将封装有平面电极的装置置于培养箱内培养，培养条件：温度37℃，二氧化碳浓度5％。24小时后在荧光显微镜下观察，可成功观察到90％以上的细胞有绿色荧光表达。

表1不同形状和种类的电极的电转染效率

电极种类	电转染效率
		实施例一	90.6％b
实施例二	96.8％a
		实施例四	95.3％a
实施例五	90.2％b

上述实验结果表明，平面电极上设置立体电极阵列能够提高细胞电转染效率，比平面电极的电转染效率提高6.8％。

平面电极与盖子上的电极阵列双重电场的叠加，也能够提高细胞电转染效率，比平面电极的电转染效率提高5.3％。

平面电极置于柱状腔体的格栅点上，其电转染效率与置于柱状腔体底部的电转染效率相当。

实施例七

利用电转染基座与平面电极进行电转染的方法，平面电极加入细胞溶液后，盖上平面电极盖，插入电转染基座上壳前部平面电极插口，进入内部平面电极滑块和平面电极滑块盖板，平面电极插到底后，往返开关锁住平面电极滑块，此时平面电极两侧引脚与母插片形成电连接，平面电极通电进行电转染，电转染完毕后，再次按下平面电极，在往返开关的作用下，平面电极与母插片断开电连接并弹出。

实施例八

利用电转染基座与电极杯进行电转染的方法，将装有细胞溶液的电极杯插入电转染基座上壳上方电极杯插口，进入电极杯滑块，电极杯滑块两侧设置有两个往返开关，电极杯插入后，两侧往返开关锁住电极杯滑块，电极杯电极与两侧弹片电连接，电极通电，电极杯内进行电转染，电转染完毕后，再次按下电极杯，在电极杯滑块两侧往返开关的作用下，电极杯与两侧弹片断开电连接并弹出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并不限制本发明，不能认定本发明的实施方式只局限于这些实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理和构思的前提下，还可以做出若干改进或润饰，都应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，包括平面电极芯片和外壳；所述平面电极芯片直接注塑封装在外壳内部，呈扁平结构。

2.根据权利要求1所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，包括平面电极芯片、外壳和柱状腔体；所述外壳设置下沉凹槽结构，平面电极芯片能够水平嵌入凹槽结构的底部；柱状腔体置于平面电极芯片的正上方；外壳凹槽结构的一侧设置两个缺口，位置与尺寸对应平面电极芯片的引脚，用于形成电连接。

3.根据权利要求2所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述平面电极芯片由衬底和电极组成，所述的电极形状为平面环形结构或立体环形结构，每两个电极为一对，包括相对设置的阳极和阴极，且阴极和阳极之间相互嵌套，所述衬底为玻璃晶片。

4.根据权利要求2-3任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述平面电极芯片和柱状腔体直接注塑封装在外壳的下沉凹槽结构中。

5.根据权利要求2-3任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述柱状腔体和下沉凹槽结构中对应设置螺纹，柱状腔体通过螺纹旋入下沉凹槽结构中。

6.根据权利要求2-3任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述柱状腔体和下沉凹槽结构中对应设置锁紧滑块，柱状腔体通过锁紧滑块插入下沉凹槽结构中。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述外壳还包括手持结构。

8.根据权利要求2-6任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述柱状腔体设置盖子，所述盖子内径尺寸与所述柱状腔体外径相匹配。

9.根据权利要求8所述的一种封装平面电极芯片的装置，其特征在于，所述盖子内部设置立体电极阵列，所述电极阵列包括多个电极，所述多个电极上按时间周期分别施加第一极性的电脉冲和第二极性的电脉冲，其中，所述第一极性的电脉冲对应的电极的周围分别的都是第二极性的电脉冲对应的电极。

10.一种含有平面电极芯片的装置，其特征在于，包括平面电极芯片、外壳和柱状腔体；所述外壳设置下沉封闭水平凹槽结构，所述柱状腔体置于封闭水平凹槽结构中，柱状腔体内部设置至少三个水平格栅点，所述平面电极芯片可拆卸的位于格栅点上，所述平面电极芯片由衬底和电极组成，所述的电极形状为平面环形结构或立体环形结构，每两个电极为一对，包括相对设置的阳极和阴极，且阴极和阳极之间相互嵌套，所述衬底为玻璃晶片。

11.一种根据权利要求1-10任一项所述的一种封装平面电极芯片的装置的用途，其特征在于，用于细胞电转染或细胞培养。

12.一种与权利要求1-9任一项所述的一种封装平面电极芯片装置配合使用的电转染基座，其特征在于，所述基座分别提供平面电极插口和电极杯插口。

13.根据权利要求12所述电转染基座，其特征在于，所述平面电极接口包括往返开关、母插片、平面电极滑块盖板、平面电极滑块；平面电极插入平面电极插口，进入平面电极滑块盖板和平面电极滑块，平面电极插到底，往返开关锁住平面电极滑块，平面电极两侧引脚与母插片形成电连接。

14.根据权利要求12所述电转染基座，其特征在于，所述电极杯插口包括两侧弹片、电极杯滑块，电极杯滑块两侧设置有往返开关，电极杯插入电极杯插口，电极杯滑块两侧往返开关锁住电极杯滑块，电极杯电极与两侧弹片电连接。

15.根据权利要求12-14任一项所述电转染基座，其特征在于，所述平面电极插口和电极杯插口电连接相对独立控制。