CN110940821B - 一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统及其使用方法，属于微流控技术及模式生物线虫分析领域。该系统包括单线虫并行分析微流控芯片和便携式装置，所述的微流控芯片由线虫样品进样单元、单线虫并行分析单元和培养液分液单元按顺序连接而成；所述的便携式装置包括流体控制模块和无透镜显微成像模块。本发明所述微流控芯片系统尤其适用于自动化的单线虫并行控制、长期培养及实时观测，有利于更简便、快速、低成本的获得精确的单线虫分析结果，为模式生物线虫的进一步研究和应用提供有效的技术方案。

Description

一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统及其使用方法

技术领域

本发明属于微流控技术及模式生物线虫分析领域，具体涉及一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统及其使用方法。

背景技术

微流控芯片技术是一种在微米尺度操控流体的科学和技术，具有微型化、集成化、高通量、自动化且操作灵活等优势，正被越来越多地应用于细胞和微米尺度模式生物的研究中。秀丽隐杆线虫正是一种适用于微流控芯片技术的模式生物，基于微流控技术的线虫分析检测方法，可有效控制线虫的生存、检测环境，实现单线虫的分离和观测，获得更多、更准确的数据。但已有的微流控单线虫研究，要么难以进行自动化的单线虫并行进样、分离、固定等控制过程，要么尚未实现单线虫分离和长期培养、监测过程的集成；而且，常规方法一般使用传统显微镜对线虫进行观察和检测，但是传统显微镜存在体积大、视野小、价格高、难以实时观测和长期追踪等不足之处，在实际应用中存在诸多不便，限制了其应用范围。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统及其使用方法，该微流控芯片系统尤其适用于自动化的单线虫并行控制、长期培养及实时观测，有利于更简便、快速、低成本的获得精确的单线虫分析检测结果，为模式生物线虫的进一步研究和应用提供有效的技术方案。

为了实现上述目的，本发明提供了一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，包括微流控芯片和便携式装置，其中：

所述的微流控芯片从上到下依次由微通道结构层和芯片底板构成，并且微通道结构层和芯片底板紧密键合，所述微通道结构层由线虫样品进样单元、单线虫并行分析单元和培养液分液单元顺序连接而成；所述的线虫样品进样单元由并行排列的进样通道、冲洗通道和废液通道组成并与进样储液池连接，进样通道、冲洗通道和废液通道上均设有集成式微阀；所述的单线虫并行分析单元由若干并行排列的单线虫分析通道组成，每条单线虫分析通道由单线虫捕获结构和单线虫培养池构成；所述的培养液分液单元包括与单线虫并行分析单元连接的分液通道结构和培养液接口；

所述的便携式装置：包括流体控制模块和无透镜显微成像模块；所述的流体控制模块由多路流体控制单元和培养液控制单元构成，多路流体控制单元与线虫样品进样单元连接，培养液控制单元与培养液接口连接，可分别控制液体的流速；所述的无透镜显微成像模块包括光源、图像传感器和成像控制单元；所述成像控制单元上方依次为图像传感器、微流控芯片和光源，并且图像传感器与微流控芯片的底板层紧密贴合。

进一步地，上述技术方案中，所述微通道结构层为透气的弹性硅橡胶类材料，包括聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷PDMS，芯片底板为透光材料，包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC，所述芯片底板的厚度不大于1mm。

进一步地，上述技术方案中，所述集成式微阀为自动控制的电磁阀或机械阀，分别集成至线虫样品进样单元相应微通道上，用于控制各微通道的开闭状态。

进一步地，上述技术方案中，相邻的两个单线虫捕获结构之间与进样储液池的连接处为半圆弧形结构。

进一步地，上述技术方案中，所述单线虫分析通道的数量至少为4条或4条的偶数倍。

进一步地，上述技术方案中，所述单线虫捕获结构为两头粗、中间细的结构，单线虫捕获结构的最小宽度小于线虫样品的直径，深度与线虫样品的直径相当。

进一步地，上述技术方案中，所述单线虫培养池为椭圆形或圆形，单线虫培养池的直径大于线虫样品的最大长度，深度大于线虫样品的直径；单线虫培养池与分液通道结构之间设有连接结构，所述连接结构的宽度小于线虫样品的直径。

进一步地，上述技术方案中，所述光源在微流控芯片上的照射面积和所述图像传感器的成像视场可覆盖单线虫并行分析单元。

本发明还提供了便携式单线虫并行分析微流控芯片系统的使用方法，其包括以下步骤：

①微流控芯片准备：将微流控芯片放置于图像传感器上并固定，连接各流路的接口，开启培养液控制单元，通过培养液接口向微流控芯片结构中注入线虫培养液；

②线虫加样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，开启多路流体控制单元，将线虫样品注入进样储液池，随后持续注入培养液，使线虫逐渐进入单线虫分析通道并被固定于捕获结构，此时通道流动的阻力增加；

③剩余线虫清除：开启无透镜显微成像模块，实时观察线虫固定的情况；当所有单线虫捕获结构处均固定有单线虫后，关闭进样通道上的微阀，同时打开冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从冲洗通道注入培养液，将剩余的线虫从废液通道冲出；

④线虫进样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将固定于捕获结构处的线虫冲入单线虫培养池，此时可通过进样通道更换培养液，以保持线虫正常生长，并同步录制其运动视频；

⑤单线虫培养池中单线虫固定：打开废液通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和进样通道上的微阀，开启培养液控制单元，从培养液接口处注入培养液，将各单线虫培养池中的线虫冲入通道并最终固定于捕获结构处，此时可同时进行所有线虫无透镜显微成像检测；

⑥固定的单线虫释放：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将线虫再冲入单线虫培养池，从而实现单线虫可逆固定和释放。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明设计了单线虫并行分析微流控芯片，并匹配了基于无透镜显微成像技术的单线虫同步实时监测方法，可实现一定数量单线虫的并行控制、长期培养及实时观测，进一步提高了单线虫研究方法的实用性。

2.本发明通过微流控技术和光、机、电一体化设备的方法，有利于构建一体化、便携化、自动化、低成本的高通量单线虫培养与监测微流控芯片系统。

附图说明

图1是微流控芯片组成示意图；

图2是单线虫并行分析微流控芯片结构示意图；

图3是单线虫分析通道结构示意图；

图4是单线虫控制过程示意图；

图5是基于单线虫并行分析微流控芯片的便携式装置结构示意图；

图中：1、微流控芯片，11、微通道结构层，12、芯片底板；13、线虫样品进样单元，131、进样通道，132、冲洗通道，133、废液通道，134、集成式微阀，135、进样储液池；14、单线虫并行分析单元，141、单线虫捕获结构，142、单线虫培养池；15、培养液分液单元，151、分液通道结构，152、培养液接口；2、流体控制模块，21、多路流体控制单元，22、培养液控制单元；3、无透镜显微成像模块，31、光源，32、图像传感器，33、成像控制单元。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。本发明所述微流控芯片和装置的示意图中，结构尺寸均未标注，主要体现其结构构造，实际生产使用过程中，可以根据需要调整结构比例和尺寸。

实施例1

下面结合附图对本发明作进一步描述。图1示出了本发明微流控芯片组成示意图，图2为单线虫并行分析微流控芯片结构示意图；由1图所示，本发明单线虫并行分析微流控芯片1，由微通道结构层11及芯片底板12组成，单线虫并行分析微流控芯片由线虫样品进样单元13、单线虫并行分析单元14和培养液分液单元15按顺序连接而成。由图2-5所示，所述线虫样品进样单元13包括三个并行的通道，即进样通道131、冲洗通道132和废液通道133，三个通道均与进样储液池135连接；每个通道包括一个流体接口，每个通道上均设有一个集成式微阀134；单线虫并行分析单元14由若干组并行排列的单线虫捕获结构141和单线虫培养池142组成，每个单线虫捕获结构141靠近培养液分液单元15一侧设有单线虫培养池142，相邻两个单线虫捕获结构141之间与进样储液池135的连接处为半圆弧形结构，有利于线虫进入单线虫并行分析单元，当线虫进入单线虫捕获结构141处并被固定时，所在通道的流动阻力明显增加，从而阻止后续线虫的进入，确保单线虫分离；通过多路流体控制单元21和三个集成式微阀134的程序化控制，可自动完成线虫样品进样及单线虫分离。培养液分液单元15包括培养液接口152和分液通道结构151；由培养液接口152连出若干分液通道结构151，与单线虫培养池142连接。

所述单线虫并行分析单元14，包括若干并行排列的单线虫分析通道，可进行多条单线虫并行控制和同步检测；每条通道由两边粗、中间细的锥形的单线虫捕获结构141和单线虫培养池142组成，所述单线虫捕获结构141靠近单线虫培养池142一侧为锥形底部(见图3)，其中单线虫捕获结构141用于单线虫可逆固定，单线虫培养池142用于单线虫正常生长(如图4所示)，并通过无透镜显微成像模块3，实现所有单线虫同时显微成像检测和运动视频录制；所述单线虫培养池142的尺寸根据线虫成虫大小而设计，使培养池不但为线虫活动提供足够大的空间，而且可实现成像视场内同时观测多个培养池；同时，单线虫培养池142与分液通道结构151之间有细通道结构，细通道结构最小宽度小于线虫样品的直径，可将进入单线虫培养池142的单线虫限制在单线虫分析通道内，从而实现单线虫控制和长期追踪。

所述培养液分液单元15，由分液通道结构151和培养液接口152组成；每条单线虫分析通道在末端与一条分液通道相连，培养液接口152与培养液控制单元22连接，通过培养液控制单元22将培养液平均分配至各单线虫分析通道，从而实现多条单线虫的并行控制和可逆固定。

本实施例中所用的微流控芯片含有8条单线虫分析通道(见图2)，芯片尺寸为40mm×21mm×4mm；其中，单线虫捕获结构的最小通道宽度为22μm，深度为50μm，可实现秀丽隐杆线虫L4期幼虫的进样和分离；单线虫培养池为椭圆形结构，直径为1.5mm×1.35mm，可满足单个秀丽隐杆线虫成虫的正常活动需求。微流控芯片为两层结构，上层微通道结构层11采用软光刻法加工，由聚二甲基硅氧烷(PDMS)在SU-8模板上浇注而成，下层芯片底板12为平板玻璃、厚度为0.5mm，两层的封接面经等离子体清洗仪处理后贴合，实现紧密键合，随后在相应通道处固定三个集成式微阀134，即可得到所需的微流控芯片。

实施例2

图5是基于单线虫并行分析微流控芯片的便携式装置结构示意图；由图可知，本发明便携式装置，包括流体控制模块2和无透镜显微成像模块3；所述的流体控制模块2，由多路流体控制单元21和培养液控制单元22构成，多路流体控制单元21与线虫样品进样单元13的并行通道连接，培养液控制单元22与培养液接口152连接，可分别控制线虫进样、分离、可逆固定等过程中培养液的流速，实现单线虫的并行控制和长期培养；所述的无透镜显微成像模块3，包括光源31、图像传感器32和成像控制单元33；所述光源31和图像传感器32分别位于微流控芯片1的上方和下方，且光源31照射的面积和图像传感器32的成像视场可覆盖单线虫并行分析单元14的整个区域；同时，图像传感器32与微流控芯片的芯片底板12紧密贴合，成像控制单元33位于图像传感器32下方，以获得清晰的无透镜显微成像结果。

本实施例中所用多路流体控制单元为精密注射泵，光源为白光LED，图像传感器为CMOS，成像视场为8.8×13.2mm²，可满足实施例1中微流控芯片单线虫并行分析单元的检测需求。

实施例3

本发明所述便携式单线虫并行分析微流控芯片系统的使用方法，其包括以下步骤：

①微流控芯片准备：将微流控芯片放置于图像传感器上并固定，连接各流路的接口，开启培养液控制单元，通过培养液接口向微流控芯片结构中注入线虫培养液；

②线虫加样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，开启多路流体控制单元，将线虫样品注入进样储液池，随后持续注入培养液，使线虫逐渐进入单线虫分析通道并被固定于捕获结构，此时通道流动的阻力增加；

③剩余线虫清除：开启无透镜显微成像模块，实时观察线虫固定的情况；当所有单线虫捕获结构处均固定有单线虫后，关闭进样通道上的微阀，同时打开冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从冲洗通道注入培养液，将剩余的线虫从废液通道冲出；

④线虫进样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将固定于捕获结构处的线虫冲入单线虫培养池，此时可通过进样通道更换培养液，以保持线虫正常生长，并同步录制其运动视频；

⑤单线虫培养池中单线虫固定：打开废液通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和进样通道上的微阀，开启培养液控制单元，从培养液接口处注入培养液，将各单线虫培养池中的线虫冲入通道并最终固定于捕获结构处，此时可同时进行所有线虫无透镜显微成像检测；

⑥固定的单线虫释放：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将线虫再冲入单线虫培养池，从而实现单线虫可逆固定和释放。

Claims (10)

1.一种便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：包括微流控芯片和便携式装置，其中：

所述的微流控芯片由线虫样品进样单元、单线虫并行分析单元和培养液分液单元顺序连接；所述的线虫样品进样单元由并行排列的进样通道、冲洗通道和废液通道组成并与进样储液池连接，进样通道、冲洗通道和废液通道上均设有集成式微阀；所述的单线虫并行分析单元由若干并行排列的单线虫分析通道组成，每条单线虫分析通道由单线虫捕获结构和单线虫培养池构成；所述的培养液分液单元包括与单线虫并行分析单元连接的分液通道结构和培养液接口；

所述的便携式装置：包括流体控制模块和无透镜显微成像模块；所述的流体控制模块由多路流体控制单元和培养液控制单元构成，多路流体控制单元通过连接管路和芯片接口分别与进样通道、冲洗通道和废液通道相连，培养液控制单元与培养液接口连接；所述的无透镜显微成像模块包括光源、图像传感器和成像控制单元；所述成像控制单元上方依次为图像传感器、微流控芯片和光源；

所述单线虫捕获结构为两头粗、中间细的结构；

单线虫培养池与分液通道结构之间设有连接结构，所述连接结构的宽度小于线虫样品的直径。

2.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述微流控芯片由上到下依次由微通道结构层和芯片底板组成。

3.根据权利要求2所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述微通道结构层为透气的弹性硅橡胶材料，包括聚二甲基硅氧烷；芯片底板为透光材料，包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸酯PC，所述芯片底板厚度不大于1mm。

4.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述集成式微阀为自动控制的电磁阀或机械阀。

5.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：相邻的两个单线虫捕获结构之间与进样储液池的连接处为半圆弧形结构。

6.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：单线虫捕获结构的最小宽度小于线虫样品的直径，深度与线虫样品的直径相当。

7.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述单线虫培养池为椭圆形或圆形，单线虫培养池的直径大于线虫样品的最大长度，深度大于线虫样品的直径。

8.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述单线虫分析通道的数量至少为4条或4条的偶数倍。

9.根据权利要求1所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统，其特征在于：所述光源在微流控芯片上的照射面积和所述图像传感器的成像视场可覆盖单线虫并行分析单元。

10.权利要求1-9中任一项所述的便携式单线虫并行分析微流控芯片系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

①微流控芯片准备：将微流控芯片放置于图像传感器上并固定，连接各流路的接口，开启培养液控制单元，通过培养液接口向微流控芯片结构中注入线虫培养液；

②线虫加样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，开启多路流体控制单元，将线虫样品注入进样储液池，随后持续注入培养液，使线虫逐渐进入单线虫分析通道并被固定于捕获结构，此时通道流动的阻力增加；

③剩余线虫清除：开启无透镜显微成像模块，实时观察线虫固定的情况；当所有单线虫捕获结构处均固定有单线虫后，关闭进样通道上的微阀，同时打开冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从冲洗通道注入培养液，将剩余的线虫从废液通道冲出；

④线虫进样：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将固定于捕获结构处的线虫冲入单线虫培养池，此时可通过进样通道更换培养液，以保持线虫正常生长，并同步录制其运动视频；

⑤单线虫培养池中单线虫固定：打开废液通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和进样通道上的微阀，开启培养液控制单元，从培养液接口处注入培养液，将各单线虫培养池中的线虫冲入通道并最终固定于捕获结构处，此时可同时进行所有线虫无透镜显微成像检测；

⑥固定的单线虫释放：打开进样通道上的微阀，同时关闭冲洗通道上的微阀和废液通道上的微阀，从进样通道注入培养液，将线虫再冲入单线虫培养池，从而实现单线虫可逆固定和释放。