CN109499631A - 一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔、捕获循环腔、目标捕获结构和第一阳极氧化铝多孔膜，其中过滤循环腔下侧与捕获循环腔相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜密封于过滤循环腔与捕获循环腔之间，捕获循环腔右侧与目标捕获结构相连，目标捕获结构底部为微流管道，并在微流管道底部安装有生物检测部件。本发明的有益之处在于：本发明的微流体芯片将芯片基片、阳极氧化铝多孔过滤膜和生物检测部件集于一体，实现从样品分离到检测的各种功能，可防止过滤膜的堵塞和颗粒附着，实现了纳米颗粒的精细分级过滤；本发明的微流体芯片加工尺寸小，结构紧凑，可根据检测目标和方法进行定制。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，属于微流控、纳米过滤和生物医学工程等领域。
背景技术
微流控芯片(microfluidics)或芯片实验室(Lab-on-a-chip)，指的是在一块芯片上构建的化学或生物实验室。从物理上说，微流控芯片是一种操控微小体积的流体在微小通道或构件中流动的系统，其中通道和构件的尺度为几十到几百微米。它把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、反应、分离、检测，细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，由微通道形成网络，辅以微泵和微阀门等微流体单元，可以控制流体贯穿整个微通道系统，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规化学或生物实验室的各种功能。芯片实验室器件实现了几乎所有的化学和生物实验室功能的自动化，小型化，并行化。
微流控芯片在生物学中最重要的应用领域是细胞生物学。现阶段在医学领域的重要应用之—是临床诊断，微流控芯片有可能对全球化的公共健康作出贡献，其中典型的工作是以“现场即时检测”(point of care)为代表的微流控芯片诊断。现场即时检测是现代临床检验的一个重要分支，它泛指医生或其他科研人员在中心实验室以外所做的任何实验室指标的检测，与中心实验室相比，这种检测具有小型、便携、快捷、方便等优点，适用于发达国家的家庭和发展中国家的边远贫困地区。芯片实验室是使现场实时检测理念付诸实施的理想平台，可能会对全球公共健康具有重要意义。
在很多情况下细胞的线性尺寸在10-100μm，恰好和现行的微流控芯片的构件尺寸相仿。然而，还有一部分新发现的对细胞活动起着重要作用的生物体，例如外泌体，尺寸在亚微米范围(30nm-120nm)。最近的研究已经阐明了外泌体不仅促进细胞间通讯，而且在癌症进展和转移中起重要作用。此外，有研究已经证明了癌细胞来源的外泌体能够改变其微环境的分子特征并建立适合癌细胞生存和转移的微环境。针对该类生物样本的一个首要问题是，如何高效的把他们从体液中分离出来。以外泌体为例，目前最好的分离外泌体的方法仍然是超速离心法，其中包括常规的样品处理和过滤步骤。然而，这个过程耗时(一般大于10小时)费力。此外，超速离心方法提取外泌体通常得率较低(5％至25％)，这有可能会由于外泌体实际量的不同从而使下游分析结果不准确，如miRNA和蛋白质分析等。另外市场上虽然已经有可以使用磁珠捕获外泌体，例如基于聚合物的外泌体分离试剂盒等，然而，这些试剂盒会非特异性地沉淀下所有外泌体大小的物质，并且需要额外的聚合物去除步骤来降低分子分析过程中的杂质背景。另外试剂盒的昂贵价格也使其难以在临床中去推广。与之相比，基于颗粒大小的过滤分离技术是另外一种操作较为简便的方式。将滤膜过滤与微流体芯片的优势结合起来，将会为提取外泌体带来一个全新的发展方向，具有很大的潜力，可以应用于各种基于外泌体的癌症研究。
发明内容
为解决现有生物体分离检测技术中的不足，本发明的目的在于提供一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，能够有效分离和检测亚微米尺寸的各类生物标志物。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔、捕获循环腔、目标捕获结构和第一阳极氧化铝多孔膜，其中过滤循环腔左右两侧分别设置过滤循环入口和过滤循环出口，过滤循环腔下侧与捕获循环腔相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜密封于过滤循环腔与捕获循环腔之间，捕获循环腔左侧设有捕获循环入口，捕获循环腔右侧与目标捕获结构相连，目标捕获结构底部为微流管道，并在微流管道底部安装有生物检测部件，目标捕获结构右侧设有捕获循环出口。
进一步的，前述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片中，还包括废液腔和第二阳极氧化铝多孔膜，所述捕获循环腔下侧与废液腔相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜密封于捕获循环腔与废液腔之间，废液腔下侧设有废液口。优选的，微流体芯片基片为CNC加工的亚克力材料芯片，并且通过亚克力胶将阳极氧化铝多孔膜密封在芯片内；或者为软光刻技术加工聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并通过PDMS将阳极氧化铝多孔膜密封在芯片内；或者为通过3D打印技术加工的高分子材料芯片，并直接将阳极氧化铝多孔膜在打印过程中封装在芯片内；或者为CNC加工的不锈钢材料芯片，并使用密封圈将阳极氧化铝多孔膜密封在芯片内。
进一步的，前述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片中，所述第一阳极氧化铝多孔膜纳米孔为两面开口，厚度为100nm～50μm，孔径为30nm～400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列或无序排列。
进一步的，前述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片中，所述第二阳极氧化铝多孔膜的纳米孔为两面开口，厚度为100nm～50μm，孔径为30nm～400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列或无序排列，并且第二阳极氧化铝多孔膜的纳米孔径小于第一阳极氧化铝多孔膜的纳米孔径。实际使用时，当含有纳米颗粒的溶液通过时，两级过滤结构双层循环结构可以实现特定大小范围纳米颗粒的过滤。
进一步的，前述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片中，所述生物检测部件为可替换的，可采用粘贴的方法将生物检测部件安装于微流管道底部。
进一步的，前述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片中，所述生物检测部件是用于进行生物体的基于光或者电化学的检测部件。
本发明的有益之处在于：第一，本发明的微流体芯片将芯片基片、阳极氧化铝多孔过滤膜和生物检测部件集于一体，是一个完备的芯片实验室结构，实现从样品分离到检测的各种功能；第二，微流体部分具有独特的循环过滤功能，可防止过滤膜的堵塞和颗粒附着；第三，阳极氧化铝多孔过膜孔径精细可控，孔径标准差系数小，通过两级过滤，可实现纳米颗粒的精细分级过滤；第四，本发明的微流体芯片加工尺寸小，结构紧凑，可根据检测目标和方法进行定制。本发明的微流体芯片特别针对目前亚微米级生物样品分离困难的问题，将纳米滤膜与微流控技术相结合，可快速实现将检测目标分离出来，并捕捉检测的目的。本发明的微流体芯片的基片，纳米滤膜和生物检测部件，其生产均基于目前工业化的加工方式，可进行不同参数的定制组合，以适应不同检测样品的具体情况。比如，芯片基片可使用不同材料(高分子或金属)，采用不同加工方式(软光刻，CNC，3D打印等)实现高精度、高产量或者复杂结构的生产，芯片中的微流体管道与芯片一体加工；阳极氧化铝多孔滤膜的厚度从100nm到50μm，孔径从30nm到400nm，可根据过滤颗粒的大小选择；检测部分可替换，根据目标物的生物特性，可选用不同的表面结构(可自行开发也可选用现有产品)，通过表面增强拉曼，电化学，流式细胞仪等手段进行后续检测分析。
附图说明
图1为集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片结构示意图，其中，第一阳极氧化铝多孔膜6和第二阳极氧化铝多孔膜12显示的是截面，生物检测部件9是结构俯视图。
图2为集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片的工作原理示意图。
图3是集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片上的阳极氧化铝多孔膜的SEM图。
图4是集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片上的生物检测部件的纳米锥阵列的SEM图。
附图标记：1-过滤循环腔，2-捕获循环腔，3-目标捕获结构，4-过滤循环入口，5-过滤循环出口，6-第一阳极氧化铝多孔膜，7-捕获循环入口，8-微流管道，9-生物检测部件，10-捕获循环出口，11-废液腔，12-第二阳极氧化铝多孔膜，13-废液口，14-第一蠕动泵，15-过滤液容器，16-第一止水夹，17-第二蠕动泵，18-第二止水夹，19-废液收集容器。
具体实施方式
实施例1
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
实施例2
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
实施例3
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6使用密封圈密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6膜厚50μm，纳米孔径为400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列。
实施例4
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6纳米孔为两面开口，厚度为50μm，孔径为200nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列；所述第二阳极氧化铝多孔膜12的纳米孔为两面开口，厚度为50μm，孔径为100nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列。
实施例5
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6纳米孔为两面开口，厚度为20μm，孔径为300nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列；所述第二阳极氧化铝多孔膜12的纳米孔为两面开口，厚度为1μm，孔径为150nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列。
所述生物检测部件9为进行了表面修饰的，具有表面增强拉曼效应的金纳米锥阵列结构，结构参数：锥高250nm，间距125nm，顶部直径40nm，底部直径125nm。
实施例6
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6纳米孔为两面开口，厚度为10μm，孔径为150nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为无序排列；所述第二阳极氧化铝多孔膜12的纳米孔为两面开口，厚度为500nm，孔径为80nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为无序排列。
所述生物检测部件9为进行了表面修饰的，具有表面增强拉曼效应的金纳米线阵列结构，纳米线直径150nm，周期600nm。生物检测部件9通过粘贴的方法置于微流管道底部，并且可替换成其他生物检测部件。
实施例7
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6纳米孔为两面开口，厚度为100nm，孔径为120nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列；所述第二阳极氧化铝多孔膜12的纳米孔为两面开口，厚度为100nm，孔径为30nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为无序排列。
所述生物检测部件9为进行了表面修饰的，具有表面增强拉曼效应的金纳米孔阵列结构，纳米孔直径200nm，周期700nm。生物检测部件9通过粘贴的方法置于微流管道底部，并且可替换成其他生物检测部件。
实施例8
一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，由过滤循环腔1、捕获循环腔2、目标捕获结构3和第一阳极氧化铝多孔膜6，其中过滤循环腔1左右两侧分别设置过滤循环入口4和过滤循环出口5，过滤循环腔1下侧与捕获循环腔2相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜6密封于过滤循环腔1与捕获循环腔2之间，捕获循环腔2左侧设有捕获循环入口7，捕获循环腔2右侧与目标捕获结构3相连，目标捕获结构3底部为微流管道8，并在微流管道8底部安装有生物检测部件9，目标捕获结构3右侧设有捕获循环出口10。
还包括废液腔11和第二阳极氧化铝多孔膜12，所述捕获循环腔2下侧与废液腔11相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜12密封于捕获循环腔2与废液腔11之间，废液腔11下侧设有废液口13。
所述第一阳极氧化铝多孔膜6纳米孔为两面开口，厚度为50μm，孔径为400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为无序排列；所述第二阳极氧化铝多孔膜12的纳米孔为两面开口，厚度为30μm，孔径为100nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列。
所述生物检测部件9为进行了表面修饰的微小电极结构，电极尺寸3mm×3mm，可进行电化学检测。生物检测部件9通过粘贴的方法置于微流管道底部，并且可替换成其他生物检测部件。
本发明的工作原理如图2所示，图中箭头表示样品液流动方向：本发明的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片的过滤循环入口4连接第一蠕动泵14，第一蠕动泵14连接过滤液容器15，过滤液容器15再与过滤循环出口5相连，并且在过滤液容器15与过滤循环出口5相连的管道上设置第一止水夹16；捕获循环入口7连接第二蠕动泵17，第二蠕动泵17再与捕获循环出口10相连，并且在第二蠕动泵17与捕获循环出口10相连的管道上设置第二止水夹18；废液口13与废液收集容器19相连。工作时，将待测样品液加入过滤液容器15，第一蠕动泵14启动后，待测样品液从过滤循环入口4进入过滤循环腔1，然后从过滤循环出口5流回，形成“过滤循环流”。通过调整第一止水夹16，限制过滤循环出口5流量，从而增大过滤循环腔1内液体压力。当过滤循环腔1内的压力达到能够克服第一阳极氧化铝多孔膜6的孔道所产生的阻力时，部分液体将开始流过膜的孔道，由此实现“边循环边过滤”的功能。过滤循环的输入流量＝循环流出量+过滤流出量。在输入量一定的情况下，通过调节第一止水夹16，可改变过滤循环出口5的流量，使过滤循环腔1内压力产生变化，由此调节第一阳极氧化铝多孔膜6的跨膜压力差，控制待测样品液过滤的速度。在过滤的同时，循环流横向流过第一阳极氧化铝多孔膜6的表面，起到冲刷第一阳极氧化铝多孔膜6表面的作用，可以有效防止颗粒在第一阳极氧化铝多孔膜6表面的附着，提高滤膜的使用效率。捕获循环入口7、第二蠕动泵17和捕获循环出口10之间的待测样品液形成“捕获循环流”，“捕获循环流”同样使用上述“过滤循环流”原理，通过调整第二止水夹18来实现捕获循环腔2内的“边循环边过滤”的功能。第二阳极氧化铝多孔膜12和废液腔11对待测样品液进行二级过滤，二级过滤的作用为去除一级滤出液中的比目标检测物更小的颗粒，防止这些颗粒对目标检测物的检测产生干扰(假阳性)。同样，“捕获循环流”横向流过过二级滤膜(即第二阳极氧化铝多孔膜12)，起到冲刷的作用，因此目标颗粒不会附着于二级滤膜(即第二阳极氧化铝多孔膜12)表面，能够多次循环流经目标捕获结构3的区域，由此增加了目标检测物的捕获几率，可以有效防止漏检(假阴性)的发生。
Claims (6)
1.一种集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：由过滤循环腔(1)、捕获循环腔(2)、目标捕获结构(3)和第一阳极氧化铝多孔膜(6)，其中过滤循环腔(1)左右两侧分别设置过滤循环入口(4)和过滤循环出口(5)，过滤循环腔(1)下侧与捕获循环腔(2)相连，并且将第一阳极氧化铝多孔膜(6)密封于过滤循环腔(1)与捕获循环腔(2)之间，捕获循环腔(2)左侧设有捕获循环入口(7)，捕获循环腔(2)右侧与目标捕获结构(3)相连，目标捕获结构(3)底部为微流管道(8)，并在微流管道(8)底部安装有生物检测部件(9)，目标捕获结构(3)右侧设有捕获循环出口(10)。
2.根据权利要求1所述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：还包括废液腔(11)和第二阳极氧化铝多孔膜(12)，所述捕获循环腔(2)下侧与废液腔(11)相连，并且将第二阳极氧化铝多孔膜(12)密封于捕获循环腔(2)与废液腔(11)之间，废液腔(11)下侧设有废液口(13)。
3.根据权利要求1所述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：所述第一阳极氧化铝多孔膜(6)纳米孔为两面开口，厚度为100nm～50μm，孔径为30nm～400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列或无序排列。
4.根据权利要求2所述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：所述第一阳极氧化铝多孔膜(6)和第二阳极氧化铝多孔膜(12)的纳米孔为两面开口，厚度为100nm～50μm，孔径为30nm～400nm，内部孔道笔直平行不交叉，纳米孔阵列为有序六角排列或无序排列，并且第二阳极氧化铝多孔膜(12)的纳米孔径小于第一阳极氧化铝多孔膜(6)的纳米孔径。
5.根据权利要求1所述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：所述生物检测部件(9)为可替换的。
6.根据权利要求1所述的集成阳极氧化铝多孔膜的微流体芯片，其特征在于：所述生物检测部件(9)是用于进行生物体的基于光或者电化学的检测部件。
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