CN110918140A - 微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法。本发明为了减少主动式分选液滴细胞的缺点，利用有无细细胞的液滴的刚性与弹性(弹性变形性)差异再搭配脊状结构能够达到被动式分选(被动分类)，而免除染色或标定萤光且无须进行侦测与切换等复杂的连动式操控等复杂且精密程序。

Description

微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法
技术领域
本发明涉及微流控领域，特别涉及微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)又被称为芯片实验室(Lab-on-a-chip)，能在一个几平方厘米的微小芯片上集成传统的生物和化学实验室的基本功能，包括样品分离、制备、化学反应、检测等操作。
微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。
液滴微流控技术是微流控芯片技术的一个重要分支。液滴微流控技术是在传统的单相微流控芯片技术发展而来的，最早由芝加哥大学Rustem F.Ismagilov教授首先提出三入口T型微液滴芯片设计，并在之后的几年中得到广泛关注和应用。与单相微流控系统相比，由于其水/油两相分离的特征，具有如消耗样品和试剂量更少，混合速度更快不易造成交叉污染，易于操控等优势。因此，在污染物快速高通量检测，生物样本分离、培育，观察化学反应进度等领域中有着重要的应用。微液滴因具有通量高，无交叉污染等优势，其在喷墨打印、微混合、DNA分析、材料合成、蛋白质结晶等领域呈现出巨大的应用潜力。
微流体油包水液滴芯片可以用于液滴分离与收集，应用于生物，生化，医学等领域，其主要优点为出口产物量少可减少昂贵试剂量，体积微小可加速反应时间等。然而大多数使用的设计为结合检测与切换连动的主动式收集(主动排序)芯片，其设计不外乎使用荧光染色后搭配高阶显微镜摄像系统，或以昂贵且高阶荧光光学检测系统，搭配软件观察或荧光分析有无目标细胞后瞬间使用液体压力切换或阀门切换，使目标液滴被带往收集区。缺点为：1、细胞染需标定或染色；2、造成后续分子检测或测序上的困难度提高。
因此，提供一种自动式物理性分离细胞或液滴的微流控芯片及方法具有重要的现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法。本发明为了减少主动式分选液滴细胞的缺点，利用有无细细胞的液滴的刚性与弹性(弹性变形性)差异再搭配脊状结构能够达到被动式分选(被动分类)，而免除染色或标定萤光且无须进行侦测与切换等复杂的连动式操控等复杂且精密程序。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种微流控芯片，包括基片1，所述基片1设置有进样口2、进鞘口3、微流道4和出口6；
所述微流控芯片还包括脊状部件5；所述脊状部件5倾斜设置于所述基片1上且与所述微流道4的侧壁连接或倾斜设置于所述微流道4的顶端内壁；
所述进样口2、所述进鞘口3设置于所述微流道4的同侧；所述出口6设置于所述微流道4的另一侧；
所述进样口2、所述进鞘口3设置于所述脊状部件5的同侧；所述出口6设置于所述微流道4的另一侧；
所述脊状部件5凸出于所述微流道4的腔体。
在本发明的一些具体实施方案中，所述脊状部件5的一端与所述微流道4的其中一侧的内壁连接，所述脊状部件5的另一端与所述微流道4的另一侧的内壁不连接，以确保待分离粒子的液体能够顺利通过。
在本发明的一些具体实施方案中，所述脊状部件5的倾斜起始端靠近所述进样口2，所述脊状部件5的倾斜结束端靠近所述出口6。
在本发明的一些具体实施方案中，所述脊状部件5的所述倾斜起始端与所述微流道4的侧壁之间的夹角为25°～70°。
在本发明的另一些具体实施方案中所述脊状部件5的所述倾斜起始端与所述微流道4的侧壁之间的夹角为45°。
在本发明的一些具体实施方案中，当所述脊状部件5设置于所述基片1上时，所述脊状部件5与所述微流道4顶部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2。当所述脊状部件5设置于所述微流道4的顶端内壁时，所述脊状部件5与所述微流道4底部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2。
在本发明的一些具体实施方案中，所述脊状部件5的数目不少于1个。
在本发明的另一些具体实施方案中，所述脊状部件5的数目为10～30个。
本发明还提供了分离粒子的装置，包括所述的微流控芯片。
本发明还提供了所述的微流控芯片或所述的装置在分离粒子、液滴中是否包含细胞的鉴定中的应用；所述粒子包括液滴和/或细胞。
在本发明的一些具体实施方案中，所述粒子包括硬度不同的粒子、弹性不同的粒子和细胞核大小不同的细胞。
本发明还提供了一种粒子的分离方法，向所述的微流控芯片或所述的装置的所述进样口2通入待分离粒子，向所述进鞘口3通入鞘液，调整所述待分离粒子和所述鞘液的密度，使所述待分离粒子通过所述脊状部件5的挤压产生位移，收集。
在本发明的一些具体实施方案中，所述待分离粒子的Y方向移动距离与脊状部件5的组数之关系为1/4W<K*D2<W(其中，D1为刚性、弹性或尺寸较小的粒子的偏移量，D2为刚性、弹性或尺寸较大的粒子的偏移量，K为脊状结构5的组数，W为微流道4的宽度；如图3所示)，脊状部件5之间的间距须大于粒子通过脊状部件5后由挤压状态回复至原本型态的移动距离。
本发明提供的微流控芯片或包括该微流控芯片的装置的有益效果包括但不限于：
1.利用有无细胞的液滴刚性(刚性)与弹性(弹性变形性)特性，无需荧光标定方法，也无需使用现今常见的利用高阶摄像系统或高阶荧光分析方法辨别配合压力切换或阀门切换系统进行分离，可保持细胞原有特性，且简化分离操控的复杂度。
2.进样部1与进鞘部2主要将所有液滴做集中效果，也可设置两个进鞘部2将进样部1压缩集中于中间(鞘流会增加使用液体量)。
3.根据脊状部件5对有无细胞的液滴的刚性与弹性等本身物物理力学特性可达到连续被动式分离的效果，无须搭配额外硬体设备判别与连动切换系统。
4.脊状部件5与微流道4顶部的间隙约为目标细胞直径的1/10～1/2，在本发明的一些具体实施方案中，待分离粒子约为20-25微米，而间隙尺寸使用10微米。脊状结构斜度25～70°，优选使用45°(使在最少脊状结构而液滴在x与y方向上两者受到最大的弹力)；平均每10组脊状结构可使空液滴仅位移Δy约6微米，有细胞之液滴ΔY约18微米；在本发明的一些具体实施方案中，使用30组。
5.本发明提供的微流控芯片也可反向操作，如图2将脊状部件5制作于微流道顶部内壁，溶液的密度比液滴重，使含有液滴的细胞往下沉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示本发明提供的脊状部件5设置于基片上的微流控芯片示意图；其中图1(a)示所述微流控芯片的示意图；图1(b)示俯视图；图1(c)示脊状部件5；图1(d)示空液滴受力示意图；图1(e)示含有细胞的液滴的受理示意图；
图2示本发明提供的脊状部件5设置于微流道4顶部内壁的微流控芯片示意图；
图3示本发明提供的脊状部件5的数目、间距与待分离粒子直径的关系；
其中，1-基片；2-进样口；3-进鞘口；4-微流道；5-脊状部件；6-出口。
具体实施方式
本发明公开了一种微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供的微流控芯片、含有该微流控芯片的装置及其分离粒子的方法中所用部件、原料及试剂均可由市场购得。
下面结合实施例，进一步阐述本发明：
本发明提供了一种微流控芯片，包括基片1，所述基片1设置有进样口2、进鞘口3、微流道4和出口6；微流控芯片还包括脊状部件5；脊状部件5倾斜设置于基片1上且与微流道4的侧壁连接或倾斜设置于微流道4的顶端内壁；进样口2、进鞘口3设置于微流道4的同侧；出口6设置于微流道4的另一侧；进样口2、进鞘口3设置于脊状部件5的同侧；出口6设置于微流道4的另一侧；脊状部件5凸出于微流道4的腔体。
脊状部件5的一端与微流道4的其中一侧的内壁连接，脊状部件5的另一端与微流道4的另一侧的内壁不连接，以确保待分离粒子的液体能够顺利通过。
脊状部件5的倾斜起始端靠近进样口2，脊状部件5的倾斜结束端靠近出口6。以便液滴或细胞在随着液体流向通过脊状部件5时产生位移，根据不同细胞或液滴的位移不同，对液滴或细胞进行分离。
脊状部件5的倾斜起始端与微流道4的侧壁之间的夹角为25°～70°。更优选的，脊状部件5的倾斜起始端与微流道(4)的侧壁之间的夹角为45°。当脊状部件5设置于基片1上时，脊状部件5与微流道4顶部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2。当脊状部件5设置于微流道4的顶端内壁时，脊状部件5与微流道4底部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2。更优选的，脊状部件5的高度与微流道4顶部或底部的间隙为待分离粒子直径的1/2。脊状部件5的数目不少于1个。脊状部件5的数目为10～30个。
在本发明的一些具体实施方案中，脊状部件5与微流道4顶部的间隙约为目标细胞直径的1/10～1/2，例如：待分离粒子约为20-25微米，而间隙尺寸使用10微米。脊状结构斜度25～70°，优选使用45°(使在最少脊状结构而液滴在x与y方向上两者受到最大的弹力)；平均每10组脊状结构可使空液滴仅位移Δy约6微米，有细胞之液滴ΔY约18微米；在本发明的一些具体实施方案中，使用30组。
本发明还提供了分离粒子的装置，包括上述微流控芯片。
本发明还提供了上述微流控芯片或装置在分离粒子、液滴中是否包含细胞的鉴定中的应用；粒子包括液滴和/或细胞。粒子包括硬度不同的粒子、弹性不同的粒子和细胞核大小不同的细胞。
本发明还提供了一种粒子的分离方法，向微流控芯片或装置的进样口2通入待分离粒子，向进鞘口3通入鞘液，调整待分离粒子和鞘液的密度，使待分离粒子通过脊状部件5的挤压产生位移，收集。所述待分离粒子的Y方向移动距离与脊状部件5的组数之关系为1/4W<K*D2<W(其中，D1为刚性、弹性或尺寸较小的粒子的偏移量，D2为刚性、弹性或尺寸较大的粒子的偏移量，K为脊状结构5的组数，W为微流道4的宽度；如图3所示)，脊状部件5之间的间距须大于粒子通过脊状部件5后由挤压状态回复至原本型态的移动距离。
工作原理：脊状分离部设计为在基片1上设置倾斜的脊状部件5，该结构如图1(b)中并未填满整个流道，剩余高度约为目标粒子直径的1/10～1/2，优选1/2，倾斜起始端为靠近进样口2一侧，结束端为另一侧靠近出口6处。当液滴流至通道内脊状部件5，由于微粒经过脊状部件5时产生形体的变形，如图1(d)，当液滴被流体流力(FD)带至脊状部件5上时会产生形变受到挤压，此时因脊状部件5挤压而产生出与垂直于反作用弹力(FR)，液滴受流体流力(FD)与弹力(FR)之合力沿着脊状部件5流出，此时也会受到回复之弹力影响，而合力使液滴稍微往上；液滴经过脊状部件5前后的位移差为(ΔY)。
较软的微粒由于弹性力(FR)小容易受到流体的带动力(FD)而产生较小的位移(ΔY)；相对的，较硬的微粒会受到较大的弹力(FR)而易于随着结构的方向移动，产生较大的位移(ΔY)，通过设计多根脊状部件5，可以将硬度不同的粒子进行分离。
在本发明的另一具体实施方案中，本发明如图1(c)，利用本发明提供的微流控芯片或包括该微流控芯片的装置对单一细胞的液滴进行有无细胞的判定，当空液滴经过脊状部件5时属于较软的粒子且弹性系数较小，会挤压通过脊状部件5，且通过脊状部件5后弹出的切线力道较弱，结果会随着流体的方向往出口一流动，有细胞的液滴则会因为液滴内的细胞带有细胞核，挤压形变能力较差，而造成较晚挤进脊状部件5中，而又因细胞的弹性大于液滴，造成液滴带着细胞穿过脊状部件5时弹出的切线力道较强(较无细胞的液滴强)，导致切线偏移量更大，而连续偏移流至与进鞘口3同侧的出口6。
在本发明的另一具体实施方案中，本发明提供的微流控芯片或包括该微流控芯片的装置可应用于分离液滴中不同大小细胞核或细胞弹性的细胞(如：肿瘤细胞与白血球细胞，正常细胞与病变细胞等)，透过粒子本身不同硬度与弹性速度的物理力学性质产生不同大小的偏移。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括基片(1)，所述基片(1)设置有进样口(2)、进鞘口(3)、微流道(4)和出口(6)；
所述微流控芯片还包括脊状部件(5)；所述脊状部件(5)倾斜设置于所述基片(1)上且与所述微流道(4)的侧壁连接或倾斜设置于所述微流道(4)的顶端内壁；
所述进样口(2)、所述进鞘口(3)设置于所述微流道(4)的同侧；所述出口(6)设置于所述微流道(4)的另一侧；
所述进样口(2)、所述进鞘口(3)设置于所述脊状部件(5)的同侧；所述出口(6)设置于所述微流道(4)的另一侧；
所述脊状部件(5)凸出于所述微流道(4)的腔体。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述脊状部件(5)的倾斜起始端靠近所述进样口(2)，所述脊状部件(5)的倾斜结束端靠近所述出口(6)。
3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述脊状部件(5)的所述倾斜起始端与所述微流道(4)的侧壁之间的夹角为25°～70°。
4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，当所述脊状部件(5)设置于所述基片(1)上时，所述脊状部件(5)与所述微流道(4)顶部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2；当所述脊状部件(5)设置于所述微流道(4)的顶端内壁时，所述脊状部件(5)与所述微流道(4)底部的间隙为待分离粒子直径的1/10～1/2。
5.如权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述脊状部件(5)的数目不少于1个。
6.如权利要求5所述的微流控芯片，其特征在于，所述待分离粒子的Y方向移动距离与脊状部件5的组数之关系为1/4W<K*D2<W，D1为刚性、弹性或尺寸较小的粒子的偏移量，D2为刚性、弹性或尺寸较大的粒子的偏移量，K为脊状结构(5)的组数，W为微流道(4)的宽度。
7.分离粒子的装置，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的微流控芯片。
8.如权利要求1至6任一项所述的微流控芯片或如权利要求7所述的装置在分离粒子、液滴中是否包含细胞的鉴定中的应用；所述粒子包括液滴和/或细胞。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述粒子包括硬度不同的粒子、弹性不同的粒子和细胞核大小不同的细胞。
10.一种粒子的分离方法，其特征在于，向如权利要求1至6任一项所述的微流控芯片或如权利要求7所述的装置的所述进样口(2)通入待分离粒子，向所述进鞘口(3)通入鞘液，调整所述待分离粒子和所述鞘液的密度，使所述待分离粒子通过所述脊状部件(5)的挤压产生位移，收集。
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