CN110684656A - 一种基于sers技术的集成微流控芯片平台 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台。该平台划分为2个部分——培养与检测部分，两者通过连接通道连接，在该条通道上使用一个阀门堵头实现两部分的连通与隔离。培养部分由多条平行通道组成，具体通道数目取决于需要培养的细胞种类。通道与通道间通过以固定间距的三角形阵列隔开，以实现既隔离通道又能保证各通道内的细胞能进行物质交换的目的。检测部分则是由一条主通道与多条与其垂直的副通道组成，主通道连接到培养部分来引导培养液至检测部分从而进行分泌物的检验，副通道的数目则是由检验指标的数目来确定，一条副通道检验一个指标，具体检验通过具有SERS活性的纳米探针来实现。

Description

一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片设计与制备以及SERS纳米粒子制备技术,属于生物光子学 技术领域。
背景技术
以往利用微流控芯片技术来进行细胞培养与分泌物检测往往是在两块芯片上分别实现的，如此则需要将细胞培养液进行人工转移从而进行测量，在转移过程中可能会损害蛋白质的生物活性、降低蛋白质定量的准确性等, 并且也会带来额外的人力劳动。
发明内容
本发明需达到的目标是为了解决上述问题，提供一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台，将多种细胞的培养以及其分泌物的检测集成到一块芯片之上，从而实现细胞分泌物的原位检测，同时以一种比较简便且高灵敏度的方式进行检测。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台，包括培养模块和检测模块；培养模块包括细胞培养区域与培养液区域，各个区域都是一条一条平行的微通道，通道与通道之间通过一排按固定间隔排布的三角形阵列来实现相互的阻隔同时实现细胞与细胞或细胞与培养液间的物质交换。
细胞培养区域：主要分布在培养模块的中间区域，用于培养各种所需的细胞，通过将细胞加入水凝胶前导液中并通入该区域促使其凝胶化还能够使得细胞生长在3维环境中。
培养液区域：分布在培养模块的两侧，用于相应细胞培养液的存放，或者能够通入包含相应细胞的培养液以提供细胞的2维培养环境。
三角形阵列：按固定间隔排布的三角形阵列用于阻隔水凝胶前导液在液体状态时流入到相邻的通道中，由于液体存在接触角，只要间隔合适，当外力较小时（例如凝胶前导液自身液压），前导液能够完美地保持在自己相应的微通道中。待前导液凝胶化后，三角形阵列中的间隔又能够提供细胞与细胞或细胞与培养液进行物质交换的通道。
作为本发明的一种改进，检测模块用于检测细胞培养液中的分泌物。由主通道和与其垂直的数条副通道组成，主通道连接到培养模块用于引导培养液至检测模块部分以进行培养液中的分泌物检测。副通道的数目由待测量的指标数目确定。每条副通道上事先修饰相应指标物的对应抗体，待抗体捕获在培养液中相应的指标物之后，利用SERS活性探针进行定量检测。
作为本发明的一种改进，该芯片还应包含开关模块用于隔离培养和检测模块，根据需要连通两个部分进行检测。开关的具体实现可通过在连接两个模块的主通道上打出具有相应尺寸阀门堵头的孔来实现，利用堵头来堵住液体的流动。
作为本发明的一种改进，该芯片还包括探针模块，探针模块用于检测被抗体捕获的目标分析物的浓度，其具有SERS活性，能够测量出较强的SERS信号，并且具有特异性，仅捕获相应的目标分析物，探针的实现可借由在金属纳米粒子上修饰对应目标分析物的抗体以及拉曼信号分子来实现。
有益效果：
本发明的好处在于将多种细胞的培养与其分泌物的检测集成在了同一片芯片之上，省去了中间转移培养液的步骤，实现了原位检测。既提高了检测细胞分泌物的准确性又省去了额外的人力劳动。同时本发明的培养部分也能够给细胞提供3维的生长环境，更贴合人体的真实情况，使得模拟效果更佳。此外，通过借助SERS技术进行检测，使得检测具有了高灵敏度、快速响应以及更简单的操作性的优点。
附图说明
图1为本发明的芯片结构示意图。
图2 为本发明的SERS探针制备流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
如图1所述的一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台，包括培养模块和检测模块；培养模块包括细胞培养区域与培养液区域，各个区域都是一条一条平行的微通道，通道与通道之间通过一排按固定间隔排布的三角形阵列来实现相互的阻隔同时实现细胞与细胞或细胞与培养液间的物质交换。
细胞培养区域：主要分布在培养模块的中间区域，在本实施例中，b、c区域为细胞培养区域，用于培养各种所需的细胞，通过将细胞加入水凝胶前导液中并通入该区域促使其凝胶化还能够使得细胞生长在3维环境中。
培养液区域：分布在培养模块的两侧，图中a、d区域为培养液区域，用于相应细胞培养液的存放，或者能够通入包含相应细胞的培养液以提供细胞的2维培养环境。
三角形阵列：按固定间隔排布的三角形阵列用于阻隔水凝胶前导液在液体状态时流入到相邻的通道中，由于液体存在接触角，只要间隔合适，当外力较小时（例如凝胶前导液自身液压），前导液能够完美地保持在自己相应的微通道中。待前导液凝胶化后，三角形阵列中的间隔又能够提供细胞与细胞或细胞与培养液进行物质交换的通道。
检测模块用于检测细胞培养液中的分泌物。由主通道和与其垂直的数条副通道组成，主通道连接到培养模块用于引导培养液至检测模块部分以进行培养液中的分泌物检测。副通道的数目由待测量的指标数目确定。每条副通道上事先修饰相应指标物的对应抗体，待抗体捕获在培养液中相应的指标物之后，利用SERS活性探针进行定量检测。
该芯片还应包含开关模块1用于隔离培养和检测模块，根据需要连通两个部分进行检测。开关的具体实现可通过在连接两个模块的主通道上打出具有相应尺寸阀门堵头的孔来实现，利用堵头来堵住液体的流动。主通道和副通道的交界处设置有测量区域如图中的测量区域I、II。
在主通道上和副通道上设置有若干后续抽取培养区域的培养液用的抽液口2、3、4、5、6、7、8、9。
该芯片还包括探针模块，探针模块用于检测被抗体捕获的目标分析物的浓度，其具有SERS活性，能够测量出较强的SERS信号，并且具有特异性，仅捕获相应的目标分析物，探针的实现可借由在金属纳米粒子上修饰对应目标分析物的抗体以及拉曼信号分子来实现。
实施例1：
本例采用宫颈癌细胞（CaSki cells）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）作为共培养细胞的载体进行说明。
如图1所示，将混合有CaSki cells的凝胶前导液通入通道b中，并在通道c中通入纯凝胶前导液以模拟细胞外基质，待两条通道中的凝胶固化之后，在通道a通入宫颈癌细胞的培养液而在通道d中通入混有人脐静脉内皮细胞的细胞培养液以模拟人体血管化结构。以上步骤均在培养模块中完成。
事先在主通道上打好相应直径的孔，并用大头针堵头堵住整条主通道，培养模块在培养细胞的整个过程中堵头都封闭着这条主通道，由于内部空气阻力的存在，此堵头能够防止培养过程中分泌液流入检测模块而产生错误检测结果。
具有SERS活性的纳米探针以自己制备的球状金纳米颗粒为载体进行实现。如图2所示，首先将金纳米颗粒与拉曼信号分子4MBA进行搅拌使得拉曼信号分子成功修饰到金纳米粒子的表面。离心除去多余的拉曼分子。之后将对应所需检测物质的抗体加入到金纳米粒子溶液中进行搅拌使得抗体也修饰到金纳米粒子表面。离心之后就完成了具有SERS活性的纳米探针的制备，一种蛋白质检测指标就对应一种抗原即对应一种探针。
本例中以2种蛋白质的指标为准，分别为血管内皮生长因子VEGF以及血小板衍生生长因子PDGF，因此检测模块的副通道有2条。当需要进行检测时，首先将1-4号孔封闭，在2条副通道中利用微流泵与注射器将相应的抗体溶液通入完成衬底的修饰。之后，封闭5-8号孔，开启1-4号孔并在9号孔进行抽气使得主通道中被封闭的培养液能够流通至检测部分。最后再次封闭1-4号孔，开启5-8号孔，在2条通道中利用微流泵与注射器将相应的SERS探针通入进行检测。最后测量区域I、II的SERS信号来确定VEGF以及PDGF的浓度。

Claims (5)

1.一种基于SERS技术的集成微流控芯片平台，包括培养模块和检测模块，其特征在于：所述的培养模块包括细胞培养区域与培养液区域，各个区域都是一条一条平行的微通道，通道与通道之间通过一排按固定间隔排布的三角形阵列来实现相互的阻隔同时实现细胞与细胞或细胞与培养液间的物质交换；
所述的细胞培养区域分布在培养模块的中间区域，用于培养各种所需的细胞，通过将细胞加入水凝胶前导液中并通入该区域促使其凝胶化还能够使得细胞生长在3维环境中；
所述的培养液区域分布在培养模块的两侧，用于相应细胞培养液的存放，或者能够通入包含相应细胞的培养液以提供细胞的2维培养环境；
所述的按固定间隔排布的三角形阵列用于阻隔水凝胶前导液在液体状态时流入到相邻的通道中，待前导液凝胶化后，三角形阵列中的间隔作为细胞与细胞或细胞与培养液进行物质交换的通道。
2.根据权利要求1所述的基于SERS技术的集成微流控芯片平台，其特征在于：所述的检测模块用于检测细胞培养液中的分泌物；由主通道和与其垂直的数条副通道组成，主通道连接到培养模块用于引导培养液至检测模块部分以进行培养液中的分泌物检测；副通道的数目由待测量的指标数目确定；每条副通道上事先修饰相应指标物的对应抗体，待抗体捕获在培养液中相应的指标物之后，利用SERS活性探针进行定量检测。
3.根据权利要求2所述的基于SERS技术的集成微流控芯片平台，其特征在于：还包括开关模块，所述的开关模块用于隔离培养和检测模块，根据需要连通两个部分进行检测。
4.根据权利要求3所述的基于SERS技术的集成微流控芯片平台，其特征在于：所述的开关模块通过在连接两个模块的主通道上打出具有相应尺寸阀门堵头的孔来实现，利用堵头来堵住液体的流动。
5.根据权利要求3所述的基于SERS技术的集成微流控芯片平台，其特征在于：还包括探针模块，所述的探针模块用于检测被抗体捕获的目标分析物的浓度，其具有SERS活性，能够测量出较强的SERS信号，并且具有特异性，仅捕获相应的目标分析物。
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