CN113333041A - 一种细胞捕获与检测微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细胞捕获与检测微流控芯片，包括流道基片和电极基片，其中，流道基片上设有微流道结构，微流道结构包括样品入口、检测微腔和样品出口。样品入口由细胞注入口与缓冲液注入口共同构成，分别用于细胞溶液与磷酸缓冲盐溶液流入，两个注入口汇入同一流道，流道末端逐渐扩张，汇入一开阔腔体，即检测微腔；检测微腔由四条双曲线围合而成，腔体壁面处设有四片双曲线型电极，可以在微腔内产生特殊的交变电场，用以实现细胞捕获与细胞检测，腔体四角设置一个入口与三个出口；样品出口包括两个侧向出口与一个对向出口，侧面出口用于非捕获细胞的流出，对向出口用于调控流场状态。本发明可实现特定种类细胞的捕获与介电检测。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体地说，特别涉及一种细胞捕获与检测微流控芯片。
背景技术
微流控技术是对小尺寸流体(通常为亚毫米以下)行为的精确预测、控制和操纵。它是涉及多学科领域的新兴技术手段，适合用于微量液体的传输、混合与检测。由于在亚毫米尺度下的流体主要由表面力支配，其内部运动形式的蠕动流为主，因此，样品溶液中的物质可以受到外界的精确控制，从而实现精准化的样品操控。这一优点使得微流控技术在生物研究领域得到了广泛应用，例如DNA芯片检测、类器官培养、荧光流式细胞筛查等。对于物理手段的细胞筛查与分选，微流控技术也提供了多样的可能性，即任意可以与流场耦合的物理方法均可在微流控技术的基础上得以实现。特别地，基于介电泳的微流控技术凭借其灵活无损的操纵方法、高速精准的操纵效果成为了细胞分选与检测的重要手段。介电泳是一种主动型、无接触的粒子操纵与测量技术，通过不均匀的交流电场对其中的极化颗粒产生力的作用。介电泳技术不仅可以通过很低的电压对介电细胞施加明显的力的作用，同时也可以通过集成化阵列的方式产生大范围的电场，实现高通量细胞分选。
现有的微流控细胞分选与检测技术多局限于生物化学方法，如生物标记荧光表达、生物抗体捕获、免疫磁珠捕获等。然而，上述技术会造成细胞的生物功能与生物特性受到严重影响，导致研究者无法进行后续的生物研究，对临床的治疗手段与用药造成了极大的限制。现有介电泳专利技术如专利CN 106244416 A，局限于电场对微粒的调控，对流场的设计较为简单，忽视流场对粒子运动的影响，也缺少粒子捕获的有效方法。又如专利CN101344518A将介电泳芯片与机器视觉系统集成。同样地，该发明聚焦于电场对粒子的运动控制，系统中仅存在静止流场。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种用于细胞捕获分选与细胞介电特征检测的微流控芯片,除了引入介电泳捕获方法外，同时配合流场聚焦与出入口参数控制，通过电场与流场的耦合实现细胞粒子的高通量捕获与旋转检测。本发明的微流控芯片能从不同细胞的混合样品中捕获目标细胞，在完成捕获后，可进行细胞介电特性的测量，实现细胞捕获与检测一体化功能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种细胞捕获与检测微流控芯片，包括电极基片、以及设置在所述电极基片上的流道基片；
所述流道基片上设有微流道结构，微流道结构包括细胞注入口和缓冲液注入口，所述细胞注入口和缓冲液注入口均与入口流道连通；所述入口流道的第一端与所述细胞注入口和缓冲液注入口连通，入口流道的第二端与检测微腔连通；所述检测微腔的第一端与所述入口流道连通，检测微腔的第二端和第三端分别通过一侧向出口流道与一侧向出口连通，检测微腔的第四端通过一对向出口流道与对向出口连通；
所述电极基片上设有电极层，所述电极层的底面与电极基片接触连接，电极层的顶面与流道基片接触连接。
进一步的，所述电极层包括设置于电极基片表面上的第一电极片、第二电极片、第三电极片和第四电极片，其厚度为200纳米。
进一步的，所述细胞注入口、缓冲液注入口、侧向出口和对向出口与外界连通。
进一步的，所述入口流道、侧向出口流道和对向出口流道的横截面均为矩形，所述细胞注入口、缓冲液注入口、侧向出口和对向出口俯视面为圆形，所述检测微腔俯视面为四条双曲线围成图形，且上述各流道高度一致。
进一步的，所述入口流道、侧向出口流道、对向出口流道和检测微腔的高度均为200微米；所述缓冲液注入口、侧向出口和对向出口的直径为1000微米，其高度均为200微米；所述检测微腔的壁面为四条呈中心对称分布的双曲线，其内切圆半径为
微米。
进一步的，所述电极层与检测微腔接触部分为双曲线，其与检测微腔壁重合。
进一步的，所述流道基片与电极基片接触固定形成微流道结构。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的微流控芯片，使用同一种电极构型实现细胞捕获、细胞检测多重功能。在同一检测微腔中，通过电极片施加特殊的交变电场，可以分别进行细胞的特异性捕获与细胞旋转，通过旋转测量可以得到细胞的基本介电参数。本发明将两种功能集成一体化，为生物与医疗检测提供便利。
2.本发明的微流控芯片，采用流体聚焦的思想，将缓冲液与细胞样品并排注入，通过控制缓冲液与细胞溶液的流量配比，可以准确地确定细胞粒子在流场中的分布，使样品中的细胞整齐排列流过相同的电场，从而显现出不同细胞所受介电泳力的差异，同时防止细胞之间出现碰撞、粘连等运动干涉。
3.本发明的微流控芯片，预留了多个外部条件调节接口，包括缓冲液入口3，对向出口8以及电极片10、11、12、13。其中，缓冲液入口流速调节可改变入口流道内的细胞流动分布，从而调整细胞流入检测微腔的位置与速度；对向出口的流速调节可以显著改变检测微腔内的流线分布，控制非捕获粒子的流动状态；在四片电极上施加一定幅值的交变电场，通过电场频率与幅值的调节，可以改变介电泳捕获效果的强弱，控制非捕获粒子的运动状态。对于不同类型的细胞样品，本发明通过上述因素的调节，达成流场与电场的耦合，可实现细胞的中高通量捕获。
4.本发明的微流控芯片，对不同介电性质的细胞均有介电捕获与检测功能，具有广泛的应用范围。
附图说明
图1显示为本发明实施提供的整体结构示意图。
图2显示为本发明实施提供的流道与电极结构示意图。
图3显示为本发明实施提供的检测微腔与电极片放大图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1、图2和图3所示，本发明提出的一种用于细胞捕获与检测的微流控芯片，从上至下依次包括流道基片14与电极基片15。
在流道基片14上设置有细胞注入口2与缓冲液入口3，所述细胞注入口2与缓冲液入口3均与入口流道4连通，且通过入口流道4汇入检测微腔7；检测微腔7分别与入口流道4、2个侧向出口流道5以及对向出口流道9连通；2个侧向出口流道5分别与其对应的侧向出口6连通；对向出口流道9与对向出口8连通。在电极基片上设置有电极层1。其中，电极层1由第一电极片10、第二电极片11、第三电极片12和第四电极片13构成，4个电极片独立工作，互相不连通。
细胞样品由细胞注入口2注入，进入入口流道4后，细胞受到由缓冲液入口3注入的缓冲液的流体聚焦效果排列整齐地流入检测微腔7。在检测微腔7四周，第一电极片10和第三电极片12施加特定幅值、特定频率的交变电压，其初相位为0°；第二电极片11和第四电极片13施加与前述相同幅值、相同频率的交变电压，其初相位为180°。检测微腔7中，待捕获细胞受到特异性的电场作用，呈现较强的介电捕获现象，被电场束缚与微腔中央；非捕获细胞受到介电捕获作用较弱，无法被电场束缚，故随流场流入侧向出口流道5，作为废液从侧向出口6被排出，实现细胞捕获与分选功能。
完成目标细胞的捕获与非目标细胞的分离后，可以对微腔中央的细胞进行介电旋转检测。此时将第一电极片10、第二电极片11、第三电极片12和第四电极片13上的交流电压初相位分别设置为0°、90°、180°、270°，在微腔中产生高频旋转的电场，使得介电细胞产生旋转，实现细胞检测功能。
下面对本发明实施例的一种微流控芯片的制备工艺与应用进行具体说明。
流道基片14与电极基片15的加工方法包括微复制法与剥离法，主要涉及光刻、薄膜沉积、湿法刻蚀等工艺流程。
优选地，流道基片14的制备使用微复制工艺，通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒模获得。在硅基底上旋涂一层SU-8光刻胶，通过紫外光刻后显影得到图形化的SU-8模具。将液态PDMS及其固化剂混合浇注在SU8模具上，加热固化得到带有空腔的流道基片。
电极基片15以玻璃为基底。优选地，电极制备使用剥离法，以光刻胶作为掩模牺牲层，使用溅射沉积制造金属薄膜。首先在玻璃基底上旋涂一层光刻胶，并按照设计形状进行图形化光刻。光刻中，在需要制备电极的位置显影，在其他位置保留光刻胶。随后进行金属溅射沉积，首先溅射一层50nm的铬薄膜，然后在铬膜之上溅射200nm的金薄膜。完成薄膜沉积后，使用有机溶剂(无水乙醇)浸泡样品10分钟，使用超声波清洗仪去除光刻胶。
完成流道基片14与电极基片15的制备后，使用等离子体键合将流道基片14与电极基片15贴合，得到封装完成的微流控芯片。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，包括电极基片(15)、以及设置在所述电极基片(15)上的流道基片(14)；
所述流道基片(14)上设有微流道结构，微流道结构包括细胞注入口(2)和缓冲液注入口(3)，所述细胞注入口(2)和缓冲液注入口(3)均与入口流道(4)连通；所述入口流道(4)的第一端与所述细胞注入口(2)和缓冲液注入口(3)连通，入口流道(4)的第二端与检测微腔(7)连通；所述检测微腔(7)的第一端与所述入口流道(4)连通，检测微腔(7)的第二端和第三端分别通过一侧向出口流道(5)与一侧向出口(6)连通，检测微腔(7)的第四端通过一对向出口流道(9)与对向出口(8)连通；
所述电极基片(15)上设有电极层(1)，所述电极层(1)的底面与电极基片(15)接触连接，电极层(1)的顶面与流道基片(14)接触连接。
2.根据权利要求1所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述电极层(1)包括设置于电极基片(15)表面上的第一电极片(10)、第二电极片(11)、第三电极片(12)和第四电极片(13)，其厚度为200纳米。
3.根据权利要求1所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述细胞注入口(2)、缓冲液注入口(3)、侧向出口(6)和对向出口(8)与外界连通。
4.根据权利要求1所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述入口流道(4)、侧向出口流道(5)和对向出口流道(9)的横截面均为矩形，所述细胞注入口(2)、缓冲液注入口(3)、侧向出口(6)和对向出口(8)俯视面为圆形，所述检测微腔(7)俯视面为四条双曲线围成图形，且上述各流道高度一致。
5.根据权利要求4所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述入口流道(4)、侧向出口流道(5)、对向出口流道(9)和检测微腔(7)的高度均为200微米；所述缓冲液注入口(3)、侧向出口(6)和对向出口(8)的直径为1000微米，其高度均为200微米；所述检测微腔(7)的壁面为四条呈中心对称分布的双曲线，其内切圆半径为
微米。
6.根据权利要求5所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述电极层(1)与检测微腔(7)接触部分为双曲线，其与检测微腔(7)壁重合。
7.根据权利要求1所述的细胞捕获与检测微流控芯片，其特征在于，所述流道基片(14)与电极基片(15)接触固定形成微流道结构。
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