CN111735852A - 一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其中：流体入口、培养腔阵列、抽检通道、电阻抗断层成像检测腔、电阻抗谱检测腔以及流体出口依次连接；抽检控制阀，设置于所述抽检通道上，用于控制通道导通或关闭；检测控制阀，设置于电阻抗断层成像检测腔和电阻抗谱检测腔之间，用于控制通道导通或关闭；电阻抗断层成像电极阵列，与电阻抗断层成像检测腔连接；电阻抗谱检测电极阵列，与电阻抗谱检测腔连接。采用上述技术方案，可以实现培养腔、电阻抗断层成像检测腔和电阻抗谱检测腔的集成，实现对线虫的培养、运动行为和生理结构的检测等功能，结合控制阀，可以实现高自动化、高效率的培养、检测。

Description

一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，尤其涉及一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片。

背景技术

微流控芯片(Microfluidics Chip)是通过微加工工艺制造亚微米级的微通道和腔室网络实现流体操控的前沿技术，将传统生化分析实验室中的操作集成于微小的芯片上。微流控芯片技术与流体力学、电磁学、声学、光学等多门学科的交叉目前已广泛应用于生物和化学领域的研究。线虫是生物学研究中的常用模式生物

现有技术中用于线虫生物学研究的微流控芯片，缺乏对线虫的运动行为和生理结构的检测能力。现有技术中的线虫研究在琼脂糖凝胶表面利用铂金探针进行操作，这种方案工作效率低、培养环境控制难、可同步测量参数少。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片。

技术方案：本发明实施例中提供一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，包括：基板、流体入口、培养腔阵列、抽检通道、抽检控制阀、电阻抗断层成像检测腔、电阻抗断层成像电极阵列、电阻抗谱检测腔、电阻抗谱检测电极阵列、检测控制阀、流体出口，其中：

所述基板，用于承载微流控芯片组件；

所述流体入口、培养腔阵列、抽检通道、电阻抗断层成像检测腔、电阻抗谱检测腔以及流体出口依次连接；

所述抽检控制阀，设置于所述抽检通道上，用于控制通道导通或关闭，在通道导通时对应的培养腔中的线虫随着流体流过抽检通道；

所述检测控制阀，设置于电阻抗断层成像检测腔和电阻抗谱检测腔之间，用于控制通道导通或关闭；

所述电阻抗断层成像电极阵列，与所述电阻抗断层成像检测腔连接；所述电阻抗谱检测电极阵列，与所述电阻抗谱检测腔连接。

具体的，还包括：冲洗入口、冲洗出口和滤孔，所述冲洗入口、冲洗出口和培养腔阵列连接，所述滤孔设置于培养腔之间的连接处，并处于冲洗入口和冲洗出口之间的通道上。

具体的，还包括冲洗控制阀，设置于冲洗入口和冲洗出口之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

具体的，电阻抗断层成像检测腔与电极接触处为瓶颈状小孔结构。

具体的，还包括侧吸入口、侧吸出口，和所述电阻抗谱检测腔连接。

具体的，所述电阻抗谱检测腔包括孔状结构。

具体的，还包括侧吸通道控制阀，设置于侧吸入口和侧吸出口之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

具体的，控制阀包括空腔和气体入口，与空腔连接的通道对应设置有薄膜。

具体的，通道从电阻抗谱检测腔至流体出口逐渐收缩。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：集成培养腔、电阻抗断层成像检测腔和电阻抗谱检测腔，实现对线虫的培养、运动行为和生理结构的检测等功能，结合控制阀，可以实现自动化、高效率的培养、检测。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的流体沟道的平面示意图；

图3为本发明实施例中提供的电阻抗断层成像检测区域的平面示意图；

图4为本发明实施例中提供的电阻抗谱检测区域的平面示意图

图5为本发明实施例中提供的控制阀的结构示意图；

1-流体入口，2-培养腔阵列，3-抽检通道，4-抽检控制阀，5-电阻抗断层成像检测腔，6-电阻抗断层成像电极阵列，7-瓶颈状小孔结构，8-检测控制阀，9-电阻抗谱检测腔，10-电阻抗谱检测电极阵列，11-流体出口，12-冲洗入口，13-冲洗出口，14-滤孔，15-冲洗控制阀，16-侧吸入口，17-侧吸出口，18-孔状结构，19-侧吸控制阀，20-收缩通道，21-气体入口，22-空腔，23-薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1、图2，其为本发明实施例中提供的微流控芯片的结构示意图和流体沟道的平面示意图。

本发明实施例中提供一种用于线虫检测的微流控芯片，包括：基板、流体入口1、培养腔阵列2、抽检通道3、抽检控制阀4、电阻抗断层成像检测腔5、电阻抗断层成像电极阵列6、电阻抗谱检测腔9、电阻抗谱检测电极阵列10、检测控制阀8、流体出口11，其中：

所述基板，用于承载微流控芯片组件；

所述流体入口1、培养腔阵列2、抽检通道3、电阻抗断层成像检测腔5、电阻抗谱检测腔9以及流体出口11依次连接；

所述抽检控制阀4，设置于所述抽检通道3上，用于控制通道导通或关闭，在通道导通时对应的培养腔中的线虫随着流体流过抽检通道3；

所述检测控制阀8，设置于电阻抗断层成像检测腔5和电阻抗谱检测腔9之间，用于控制通道导通或关闭；

所述电阻抗断层成像电极阵列6，与所述电阻抗断层成像检测腔5连接；所述电阻抗谱检测电极阵列10，与所述电阻抗谱检测腔9连接。

在具体实施中，基板上是电极阵列层，再向上是流体沟道层，基板是用来承载例如流体入口1、流体出口11、各器件或组件之间的通道等流体沟道(流体沟道指流体经过的通道、培养腔、检测腔等)和电阻抗断层成像检测腔5、电阻抗断层成像电极阵列6、电阻抗谱检测腔9、电阻抗谱检测电极阵列10、控制阀等组件。

在具体实施中，流体入口1可以用于输入培养液、悬浮液等流体，经过流体沟道、微流控芯片组件后从流体出口11排出。

在具体实施中，培养腔阵列2可以包括多个培养腔，每个培养腔均对应有抽检通道3，多条抽检通道3，可以汇聚为一条通道和电阻抗断层成像检测腔5连接，也可以直接和电阻抗断层成像检测腔5连接。每条抽检通道3上均设有抽检控制阀4，在控制抽检通道3导通时，与该抽检通道3对应的培养腔中的线虫随着流体流过抽检通道3，进入电阻抗断层成像检测腔5中。通过设置多个培养腔和抽检控制阀4，可以实现多个线虫的对照实验，以及培养、捕获等精准操控。

在具体实施中，检测控制阀8控制电阻抗断层成像检测腔5和电阻抗谱检测腔9之间的通道的导通或关闭，在导通的情况下，线虫随着流体流过通道进入电阻抗谱检测腔9。

在具体实施中，参阅图3、图4，电极与检测腔连接，即电极与流体沟道中的流体直接接触。

在具体实施中，线虫可以是秀丽隐杆线虫，秀丽隐杆线虫是生物学研究中的常用模式生物，凭借全基因序列已知、遗传背景清楚、生长周期短、个体结构简单的特点，秀丽隐杆线虫已广泛应用于生物神经学、遗传学、运动行为学、药学研究与测试、应激反应学的研究。已有实验结果表明，线虫运动行为和生理特征结构的变化与线虫神经系统活性、衰老和寿命有显著相关性，例如线虫衰老过程中运动行为变得迟缓，性腺等内部器官逐渐肿大，表皮肌肉组织逐渐退化。结合微流控芯片结构具有定制化和多样化的优点，可以贴合线虫尺寸改进优化，且采用PDMS、PMMA等具有透气性、透光性和生物无害性材料，可以实现线虫的长期培养、捕获固定等精准操控。

在具体实施中，电阻抗断层成像(Electrical impedance tomography,EIT)检测施加激励信号于待测目标(线虫)，拟合电阻抗检测数据与电场中的非均匀介质分布，结合EIT图像重构算法和深度学习算法还原目标内部结构和组织分布，可以检测得到线虫的运动速率、身体曲率、摆动幅度和频率等运动行为学参数；电阻抗谱(Electrical ImpedanceSpectroscopy,EIS)检测与微流控芯片的结合，在芯片中集成亚微米级电极实现生物样本(线虫)的非侵入式无损检测，根据生物组织特征频率的不同，宽频带、小幅值的扫频电阻抗检测信号能获取生物样本形态、体积、内部介电参数等特性，可以检测得到线虫的假体腔表皮肌肉、内部器官等生理结构特征。

本发明实施例中，电阻抗断层成像电极阵列6与电阻抗断层成像检测腔5接触处为瓶颈状小孔结构7，可将检测平面电极等效为点电极，可减少平板电极对于图像重构的影响，提升成像分辨率。

本发明实施例中，微流控芯片还包括：冲洗入口12、冲洗出口13和滤孔14，所述冲洗入口12、冲洗出口13和培养腔阵列2连接，所述滤孔14设置于培养腔之间的连接处，并处于冲洗入口12和冲洗出口13之间的通道上。

在具体实施中，冲洗入口12用于输入冲洗液，冲洗液经过培养腔阵列2中的所有培养腔后，带走虫卵等废弃物，从冲洗出口13排出。滤孔14设置于培养腔之间的连接处，可在滤除虫卵等废弃物的基础上保留线虫本身。

本发明实施例中，微流控芯片还包括冲洗控制阀15，设置于冲洗入口12和冲洗出口13之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

在具体实施中，冲洗控制阀15控制通道导通时，冲洗液可以冲洗并带走废弃物。结合冲洗控制阀15可以实现自动化、高效率的培养。

本发明实施例中，微流控芯片还包括侧吸入口16、侧吸出口17，和所述电阻抗谱检测腔9连接。

本发明实施例中，所述电阻抗谱检测腔9包括孔状结构18。

本发明实施例中，微流控芯片还包括侧吸控制阀19，设置于侧吸入口16和侧吸出口17之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

在具体实施中，流体由侧吸入口16进入经过电阻抗谱检测腔9，经由孔状结构18后流体分散，可施加均匀流体力于线虫上，线虫在均匀流体力的作用下贴壁，从而限制线虫身体摆动，降低检测时线虫的运动对于电阻抗检测信号的干扰。

参阅图5，其为本发明实施例中提供的控制阀的结构示意图。

本发明实施例中，控制阀包括空腔22和气体入口21，与空腔22连接的通道对应设置有薄膜23。

在具体实施中，控制阀包括抽检控制阀4、检测控制阀8、冲洗控制阀15、侧吸控制阀19等，控制阀可以是气动薄膜阀，气动薄膜阀的开闭可以由其所对应的电磁微阀控制(也可以由其他器件控制)，压缩气体通过稳压阀与电磁阀连通，通过导管连接气体入口21并挤入对应气动薄膜阀的空腔22内，挤压通道上方对应设置的薄膜23，薄膜23压缩从而关闭该通道。电磁微阀可以由计算机等智能化装置控制，由此提升微流控芯片的自动化和智能化程度。

本发明实施例中，通道20从电阻抗谱检测腔9至流体出口11逐渐收缩。

在具体实施中，从电阻抗谱检测腔9至流体出口11方向上的通道20逐渐收缩，也即靠近电阻抗谱检测腔9的通道20较宽，靠近流体出口11的通道20较窄。通过这样的设置，可以把线虫头部或者尾部限制在收缩通道20处，限制线虫身体摆动，降低检测时线虫运动对于电阻抗检测信号的干扰。

在具体实施中，线虫载入培养腔后，所有控制阀处于关闭通道状态。每间隔预定时间抽检控制阀4控制待测线虫所在培养腔对应的抽取通道导通，线虫载入电阻抗断层成像检测腔5，电阻抗断层成像电极阵列6进行采样检测，检测完成后检测控制阀8控制通道导通，线虫载入电阻抗谱检测腔9，线虫头部或者尾部限制在收缩的通道处，侧吸控制阀19控制通道导通，由侧吸入口16注入一定流速的培养液，固定所捕获的线虫，电阻抗谱检测电极阵列10进行采样检测，检测完成后通过流体入口1和流体出口11改变流体流向，线虫按原路径返回培养腔室内。

在具体实施中，流体沟道和培养腔的数目、形状、尺寸，电极阵列的形状、尺寸、布局等参数都可根据实际需求设计并制备。

在具体实施中，集成培养腔、电阻抗断层成像检测腔5和电阻抗谱检测腔9，实现对线虫的培养、运动行为和生理结构的检测等功能，结合控制阀，可以实现自动化、高效率的培养、检测。

Claims (9)

1.一种用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，包括：基板、流体入口、培养腔阵列、抽检通道、抽检控制阀、电阻抗断层成像检测腔、电阻抗断层成像电极阵列、电阻抗谱检测腔、电阻抗谱检测电极阵列、检测控制阀、流体出口，其中：

所述基板，用于承载微流控芯片组件；

所述流体入口、培养腔阵列、抽检通道、电阻抗断层成像检测腔、电阻抗谱检测腔以及流体出口依次连接；

所述抽检控制阀，设置于所述抽检通道上，用于控制通道导通或关闭，在通道导通时对应的培养腔中的线虫随着流体流过抽检通道；

所述检测控制阀，设置于电阻抗断层成像检测腔和电阻抗谱检测腔之间，用于控制通道导通或关闭；

所述电阻抗断层成像电极阵列，与所述电阻抗断层成像检测腔连接；所述电阻抗谱检测电极阵列，与所述电阻抗谱检测腔连接。

2.根据权利要求1所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，还包括：冲洗入口、冲洗出口和滤孔，所述冲洗入口、冲洗出口和培养腔阵列连接，所述滤孔设置于培养腔之间的连接处，并处于冲洗入口和冲洗出口之间的通道上。

3.根据权利要求2所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，还包括冲洗控制阀，设置于冲洗入口和冲洗出口之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

4.根据权利要求1所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，所述电阻抗断层成像检测腔与电极接触处为瓶颈状小孔结构。

5.根据权利要求1所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，还包括侧吸入口、侧吸出口，和所述电阻抗谱检测腔连接。

6.根据权利要求5所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，所述电阻抗谱检测腔包括孔状结构。

7.根据权利要求6所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，还包括侧吸控制阀，设置于侧吸入口和侧吸出口之间的通道上，用于控制通道导通或关闭。

8.根据权利要求3或7所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，控制阀包括空腔和气体入口，与空腔连接的通道对应设置有薄膜。

9.根据权利要求1所述的用于线虫运动行为和生理特征监测的微流控芯片，其特征在于，通道从电阻抗谱检测腔至流体出口逐渐收缩。

Images