CN110591889B - 一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器 - Google Patents

一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器。其特征是：由激光器(1、2、9)、声光调制器3、同轴双波导光纤连接器4和11、同轴双波导光纤5和8、微流芯片6、微位移台7、拉曼光谱仪10、微处理器12、物镜13、CCD14和显示器15组成。同轴双波导光纤5的环形芯用于捕获细胞，对于捕获的细胞，同轴双波导光纤8的环形芯激发细胞的拉曼光谱，中间芯接收拉曼光谱信号；拉曼光谱仪10将接收到的拉曼光谱数据发送到微处理器12，微处理器12根据不同的拉曼光谱控制声光调制器3改变同轴双波导光纤5中间芯辐射的光场强度，从而实现细胞的分选。本发明对于捕获的细胞，可以任意挑选并使其流向指定的微流通道，可广泛用于细胞分选、分析等领域。

Description

一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，对于捕获的细胞，可以任意挑选并推到指定的微流通道，属于微流控芯片技术领域。
(二)背景技术
1975年，一种微型化的气相色谱装置问世(Terry S C,Jerman J H,Angell J B.Agas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer[J].IEEETransactions on Electron Devices,1979,26(12):1880-1886.)，为仪器的微型化道路奠定了基础。20世纪90年代，Manz等人首次提出微型全分析系统的概念(Manz A,Graber N,Widmer H M.Miniaturized Total Chemical-Analysis Systems—A Novel Concept forChemical Sensing[J].Sensors and Actuators B Chemical,1990,1(1-6):244-248.)。
微型全分析系统又被称为“芯片实验室”，也被称为“微流控芯片”，其主要特征是集成化与微型化。它把化学或生物实验室的基本操作单元集成在一块微米尺度的芯片上，可控流体通过微流通道网络贯穿整个系统，自动完成生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等。
细胞是生物体基本的结构和功能单位。已知除病毒之外的所有生物均由细胞所组成，但病毒生命活动也必须在细胞中才能体现。所以，单细胞分析对于细胞内生命过程的机理解释具有重要的作用。
近年来，细胞研究已经深入到分子水平上，可以帮助我们理解细微差异导致生物现象，也可以帮助我们理解细胞内微小变化所导致的疾病。通过在分子水平上研究细胞，我们可以阐明细胞内各化学成分之间的关系和相互作用，进而发现生物体的生长、分化、遗传、变异等基本生物活动的规律。
微流控芯片是目前细胞分析的重要平台。微流控芯片可以将不同操作单元技术灵活组合，具有集成化与微型化的特点。
很多研究人员对微流控细胞操控进行了大量研究。如2016年，苑亚鹏等研究人员提出了一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，申请号为CN201620318365.3，通过通道分选元件控制各细胞分选通道所对应铂电极与是否有电渗流动，来实现将当前待分选的细胞分选至所需通道，该装置采用电渗驱动样品，无需外加泵等设备，实现了细胞分选。2017年，金百冶等研究人员提出了一种针对尿路上皮癌的尿脱落肿瘤细胞微流控芯片检测技术，申请号为CN201710054628.3，通过三个整体呈弧形排布的柱状凸起构成的细胞分选器，柱状凸起之间存在间隙，弧形开口作为液流入口，中间柱状凸起两侧的间隙作为液流出口，两个液流出口呈对称分布，实现了尿液中各类细胞的分离捕获。同年，董华等研究人员人提出了一种耦合介电泳和空间分离的微流控细胞分选芯片及方法，申请号为CN201711166610.9，在分选芯片的电极施加交流电场，不同的细胞因自身介电性质的差异在交流电场中产生不同的介电力，从而在主通道内发生程度不同的偏移；与此同时，流动的细胞还受到因主通道收缩膨胀结构而产生的横向迁移力，这两种作用的耦合导致不同种类的细胞从不同出口流出，实现细胞的分选。2018年，谭秋林等人提出了集成单细胞捕获的微流控细胞分选芯片，申请号为CN201810537146.8，包括基底和细胞捕获器，基底上溅射有电极对，细胞捕获器包括上捕获层和下捕获层，上捕获层和下捕获层对准键合后形成细胞捕获阵列和微流通道。利用细胞受到的介电泳力大小或者方向不同而实现分离，利用微捕获结构来捕获单细胞。
基于电渗流原理设计的微流控芯片，虽然具有结构简单，易于携带等优点，但高压电场比较容易破坏细胞内部结构，严重时甚至会导致细胞溶膜的失活，造成假阴性结果。此外，产生电渗流需要制作电极，增加了芯片的复杂性。依据物理尺寸差异实现细胞分选的微流芯片，摆脱了常规方法对于病理医生主观经验的依赖，且全程无创，但是其结构复杂，尤其呈弧形排布的柱状凸起加工极为困难。应用介电电泳法分选细胞是将一种本身不带电、但可以被不同程度极化的细胞在不均匀电场中产生侧向移动，这种方法操作精确且不会破坏待检测物，以及易于与其它设备集成等优点，但这种方法受外界电场影响较大，很容易产生误差。并且，大多数基于介电电泳法设计的微流控芯片，也需要在微流芯片内集成电极，极大的增加了加工难度。
本发明针对以上背景技术的不足，提出一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器。该细胞分选器的微流芯片的细胞通道一边放置两根同轴双波导光纤。其中一根同轴双波导光纤的环形芯用于激发细胞拉曼光谱，中间芯用于接收拉曼光谱信号；另一根同轴双波导光纤的环形芯用于捕获细胞，中间芯用于辐射不同的光场强度，不同地光场强度可以将细胞推向不同的层流，使细胞流向不同的分选通道，从而实现细胞的分选。本发明提出的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，具有对细胞操控高灵敏度高、对细胞活性几乎无损伤、芯片容易加工等优点，同时分选多种细胞，分选效率高等优点。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种操控灵敏度高、对细胞活性几乎无损伤、分选效率高、芯片容易加工的微流芯片。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：它由激光器(1、2、9)、声光调制器3、同轴双波导光纤连接器4和11、同轴双波导光纤5和8、微流芯片6、微位移台7、拉曼光谱仪10、微处理器12、物镜13、CCD14和显示器15组成。所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，同轴双波导光纤5的环形芯用于捕获细胞，对于捕获的细胞，同轴双波导光纤8的环形芯激发细胞的拉曼光谱，中间芯接收拉曼光谱信号；拉曼光谱仪10将接收到的拉曼光谱数据发送到微处理器12，微处理器12根据不同的拉曼光谱控制声光调制器3改变同轴双波导光纤5中间芯辐射的光场强度，从而将细胞推向不同的层流，使细胞流向不同的分选通道，从而实现细胞的分选。进一步的，所述的微流芯片6由基底和盖板37组成。
进一步的，所述的微流芯片6的基底，其特征是：它由底座16、同轴双波导光纤保护管17、组织液注入管18、细胞液注入管19、连接孔20、盖板固定槽21、废液排出管22、细胞排出管23、细胞液通道24、主通道25、废液通道26、废液池27、细胞分选通道29、31和33、细胞存放池28、30和32、同轴双波导光纤存放槽34和35、组织液注入通道36组成。
进一步的，所述的微流芯片的盖板37，其特征是：其尺寸与基底相同，在盖板里加工有凹槽38和卡销板39。
优选的，细胞液和组织液通过微注射泵注入。
优选的，所述的细胞液通道24、组织液注入通道36、同轴双波导光纤存放槽34和35、废液池27、细胞存放池28、30和32的一端加工有连接孔6，所述的组织液注入管18、细胞液注入管19、同轴双波导光纤保护管17、废液排出管22、细胞排出管23均与所述的连接孔6通过连接剂紧密相连。
优选的，所述的底座16和盖板37通过卡销板39和盖板固定槽21固定相连。
优选的，同轴双波导光纤5端面为棱台状，使环形芯传输的光能汇聚从而捕获细胞。
优选的，同轴双波导光纤8端面为棱台状，且中间芯端面研磨加工有微透镜，用于收集更多的光信号。微透镜前端镀有膜，用于滤除激发光干扰信号。
优选的，同轴双波导光纤5通过同轴双波导光纤保护管17放入同轴双波导光纤存放槽34不固定。同轴双波导光纤8通过同轴双波导光纤保护管17放入同轴双波导光纤存放槽35并固定。
优选的，激光器1通过同轴双波导光纤连接器4与同轴双波导光纤5的环形芯相连，用于捕获细胞；激光器2与声光调制器3连接并通过同轴双波导光纤连接器4与同轴双波导光纤5的中间芯相连，声光调制器3与微处理器12相连，可以控制微处理器12改变激光器2发出的辐射强度，从而将捕获的细胞推向不同的层流，实现细胞的分选。
优选的，激光器9通过同轴双波导光纤连接器11与同轴双波导光纤8的环形芯相连用于激发细胞拉曼光谱，拉曼光谱仪10通过同轴双波导光纤连接器11与同轴双波导光纤8的中间芯相连，用于接收细胞的拉曼光谱。
拉曼光谱仪10与微处理器12相连，可以将接收到的拉曼光谱实时传输到微处理器12。微处理器12与显示器15相连，可以实时显示细胞的拉曼光谱及处理结果。
优选的，微流芯片6放在微位移台上，同轴双波导光纤5捕获的细胞可以通过移动微位移台将其从细胞流中移动到其他的层流。
优选的，微流芯片6上方有物镜13和CCD14，CCD14与显示器相连，用于对微流芯片通道内的实时成像。
优选的，所述的微处理器可以为DSP、单片机等。
优选的，所述的基材可以为石英、PMMA、塑料片等。
优选的，所述的组织液可以是鞘液，也可以是蒸馏水或其他细胞培养液。
本发明至少具备以下的明显优点：
(1)提出一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器。相比较于其他已提出的细胞分选微流芯片，本发明具有无创、易加工等优点。
(2)将同轴双波导光纤操纵功能集成在微流芯片内，具有高集成度、操作灵活等优点。
(3)能够测出细胞的拉曼光谱并且同时分选多种细胞，效率高。
(四)附图说明
图1是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器系统结构示意图。由激光器1、2和9、声光调制器3、同轴双波导光纤连接器4和11、同轴双波导光纤5和8、微流芯片6、微位移台7、拉曼光谱仪10、微处理器12、物镜13、CCD14和显示器15组成。
图2一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器底座结构示意图。由底座16、同轴双波导光纤保护管17、组织液注入管18、细胞液注入管19、连接孔20、盖板固定槽21、废液排出管22、细胞排出管23组成。
图3是基于同轴双波导光纤的细胞分选微流芯片的微流通道结构平面示意图。由细胞液通道24、主通道25、废液通道26、废液池27、细胞分选通道(29、31、33)、细胞存放池(28、30、32)、同轴双波导光纤存放槽34和35、组织液注入通道36组成。
图4是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器盖板37结构示意图。盖板37上加工有凹槽38和卡销板39。
图5是同轴双波导光纤8的结构示意图。同轴双波导光纤5的端面需要研磨，环形芯用于捕获；中间芯前端加工有微透镜40用于汇聚收集光，微透镜40前需镀一层特殊膜41，用于滤除干扰信号。801为同轴双波导光纤的环形芯，802为同轴双波导光纤的中间芯，803为捕获的细胞。
图6是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片拉曼分选示意图。5和8都为同轴双波导光纤。通过移动微流芯片下的位移台，使同轴双波导光纤5从细胞流601中捕获细胞，捕获细胞后，反向移动位移台，将捕获的细胞拉到旁边的层流。同轴双波导光纤8的环形芯激发细胞的拉曼光谱，中间芯接收拉曼光谱信号并传到微处理器中，微处理器根据拉曼光谱信号，通过声光调制器改变同轴双波导光纤8的中间芯的光场强度，从而将细胞推向不同的层流，实现细胞分选。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器系统结构示意图。图2是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器底座结构示意图。图3是基于同轴双波导光纤的细胞分选微流芯片的微流通道结构平面示意图。图4是一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器盖板37结构示意图。参阅图1、图2、图3和图4，本发明提供一种技术方案：一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：它由激光器(1、2、9)、声光调制器3、同轴双波导光纤连接器4和11、同轴双波导光纤5和8、微流芯片6、微位移台7、拉曼光谱仪10、微处理器12、物镜13、CCD14和显示器15组成。
所述的基于同轴双波导光纤的细胞分选器的底座16的制作：取两块面积相同厚度不同的基材A和B，两块基材打磨光滑，通过水平仪检测后把一块厚的基材A放入微加工系统上；
用微加工系统将基材A加工出一个凸台，并在凸台四周加工出一个盖板固定槽21。接着加工微流通道，即同轴双波导光纤17、组织液通道36、细胞通道24、主通道25、废液通道26、细胞分选通道(29、31、33)；
优选的，主通道25前一半的宽度为Wμm，例如100μm～250μm；主通道后一半的宽度比前一半加宽一倍，其目的是减小流速，方便光操控。
接着用微加工系统加工出废液池27、细胞存放池(28、30、32)、连接孔20；
优选的，各废液池和细胞存放池的半径为Rμm，例如200μm～250μm；
将光纤保护管17、组织液注入管19、细胞注入管18、废液排出管22、细胞排出管23分别与所述的对应连接孔20相连，并用连接剂粘接在一起；
所述基于光操纵的微流芯片盖板37的制作：把薄的基材B放入微加工系统的工作台上，加工出卡销板39和弧形缺口38；
在盖板固定槽21涂一层薄胶，将盖板37上的卡销板39插入盖板固定槽21内，并加强的压力，使得盖板与底座结合。
将同轴双波导光纤5和8端面进行研磨，使环形芯传输的光能汇聚在一起。
调整研磨后的同轴双波导光纤8的角度，继续研磨加工微透镜40，使其能够收集更多的信号。在透镜前镀一层特殊膜41，滤除激发光等干扰信号。
同轴双波导光纤5通过同轴双波导光纤保护管17放入同轴双波导光纤存放槽34不固定。同轴双波导光纤8通过同轴双波导光纤保护管17放入同轴双波导光纤存放槽35并固定。
激光器1通过同轴双波导光纤连接器4与同轴双波导光纤5的环形芯相连，用于将细胞流中的细胞捕获。通过移动微位移台7，可以将捕获的细胞移动到旁边的层流。激光器9通过同轴双波导光纤连接器11与同轴双波导光纤8的环形芯相连用于激发细胞拉曼光谱信号，细胞发出拉曼光谱信号由同轴双波导光纤8的中间芯接收。可以根据细胞的拉曼光谱控制声光调制器12改变激光器2辐射的光场强度，从而任意推向指定层流，从而实现细胞分选。

Claims (7)

1.一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：它由第一激光器(1)、第二激光器(2)、第三激光器(9)、声光调制器(3)、第一同轴双波导光纤连接器(4)和第二同轴双波导光纤连接器(11)、第一同轴双波导光纤(5)和第二同轴双波导光纤(8)、微流芯片(6)、微位移台(7)、拉曼光谱仪(10)、微处理器(12)、物镜(13)、CCD(14)和显示器(15)组成，所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，第一同轴双波导光纤(5)的环形芯用于捕获细胞，对于捕获的细胞，第二同轴双波导光纤(8)的环形芯激发细胞的拉曼光谱，中间芯接收拉曼光谱信号；拉曼光谱仪(10)将接收到的拉曼光谱数据发送到微处理器(12)，微处理器(12)根据不同的拉曼光谱控制声光调制器(3)改变第一同轴双波导光纤(5)中间芯辐射的光场强度，从而将细胞推向不同的层流，使细胞流向不同的分选通道，从而实现细胞的分选，微流芯片(6)上方有物镜(13)和CCD(14)，CCD(14)与显示器(15)相连，用于对微流芯片通道内的实时成像；细胞的拉曼光谱也可以通过微处理器(12)传到显示器(15)上显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是所述的第一同轴双波导光纤(5)端面为棱台状，使环形芯传输的光能汇聚从而捕获细胞。
3.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是所述的第二同轴双波导光纤(8)为棱台状，且中间芯端面研磨加工有微透镜，用于收集更多的光信号；微透镜前端镀有膜，用于滤除激发光干扰信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：第一同轴双波导光纤(5)通过同轴双波导光纤保护管(17)放入第一同轴双波导光纤存放槽(34)不固定，第二同轴双波导光纤(8)通过同轴双波导光纤保护管(17)放入第二同轴双波导光纤存放槽(35)并固定。
5.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：第一激光器(1)通过第一同轴双波导光纤连接器(4)与第一同轴双波导光纤(5)的环形芯相连，用于将细胞流中的细胞捕获，通过移动微位移台(7)，可以将捕获的细胞移动到旁边的层流，第三激光器(9)通过第二同轴双波导光纤连接器(11)与第二同轴双波导光纤(8)的环形芯相连用于激发细胞拉曼光谱信号，细胞发出拉曼光谱信号由第二同轴双波导光纤(8)的中间芯接收，微处理器(12)可以根据细胞的拉曼光谱控制声光调制器(3)改变第二激光器(2)辐射的光场强度，从而把细胞送入指定层流，实现细胞分选。
6.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，其特征是：制作微流芯片的基材可以为石英、PMMA、塑料片。
7.根据权利要求1所述的一种基于同轴双波导光纤的微流芯片细胞分选器，所述的微处理器可以为DSP、单片机。
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