CN114160222A - 基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构及方法，属于生物医学微流控细胞分选技术领域；解决了现有的微流控分选细胞存在流体剪切力、抗体和荧光物质会影响细胞的活性和功能，离心需要大量样品且很难在没有人工干预的情况下与下游工艺集成的技术问题；其技术方案为：微流控芯片结构包括溶液样品进口、溶液进口流道、溶液进口窄通道、检测电极、电磁微阀、微流通道一、微流通道二、废液出口和目标细胞收集出口；控制方法内容为：通过调节通道长度，细胞液流速，电磁铁通电时间，实现对目标大小细胞的高效分选。本发明的有益效果是：利用细胞的大小和电学特性，对目标细胞进行高效无损的无标记分选。

Description

基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构及方法
技术领域
本发明涉及生物医学微流控细胞分选技术领域，尤其涉及一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构及方法。
背景技术
细胞分选在生物医学领域具有重要意义，通常需要把同一特征的细胞进行富集，然后再对其进一步分析。微流控技术通过利用细胞的不同性质，如大小，变形性，电学性质，磁性和表面标记等，促进细胞的选择性分离。很多微流控分选细胞技术具有弊端，例如，流体剪切力、抗体和荧光物质会影响细胞的活性和功能，离心需要大量样品且很难在没有人工干预的情况下与下游工艺集成等。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构及方法，本发明利用细胞的大小和电学特性设计了一种基于电磁微阀的微流控芯片结构，可以对目标细胞进行高效无损的无标记分选。
本发明是通过以下措施实现的，一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，包括溶液样品进口，设置在所述溶液样品进口一侧，且一端与所述溶液样品进口相连通的溶液进口流道，一端连接于所述溶液进口流道另一端的溶液进口窄通道，置于所述溶液进口窄通道上的检测电极，所述检测电极插入到所述溶液进口窄通道上，用来检测细胞电学特性，不同大小的细胞产生的电学特性是不同的。
所述溶液进口窄通道另一端分别连通有两个微流通道一和微流通道二，所述微流通道一和微流通道二末端分别连接废液出口和目标细胞收集出口。
还包括一个电磁微阀，所述电磁微阀由分别布置在所述溶液进口窄通道与所述微流通道一连通处两侧的电磁铁一和电磁铁二，位于所述溶液进口窄通道与所述微流通道一连通处内壁的单向阀挡块，设置在所述溶液进口窄通道与所述微流通道二连通处内侧壁的挡块和连接在所述溶液进口窄通道与所述微流通道二连通处内侧壁上的带磁弹性薄片组成。
所述检测电极、电磁铁一和电磁铁二电源接线端接入电脑，常态下，电磁阀一断电，电磁阀二保持通电，电磁铁一比电磁铁二铁芯粗且线圈匝数多，电磁铁一的控制电路接入电脑，电磁铁一常态下保持断电，电磁铁二常态下保持通电，通电状态下电磁铁一产生的磁力比电磁铁二的磁力大。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述电磁铁一的线圈匝数为所述电磁铁线圈匝数的倍，所述电磁铁一铁芯直径是所述电磁铁铁芯直径的倍，所述电磁铁一和电磁铁二通电时，所述电磁铁一产生的磁力大于电磁铁二的磁力。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述带磁弹性薄片是由磁粉加入到PDMS溶液制得的软磁复合材料薄膜制成。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述单向阀挡块、挡块的宽度分别是所述微流通道一、微流通道二一半的宽度。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述带磁弹性薄片的宽度为所述微流通道二宽度一半以上。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述溶液进口流道的宽度为mm，其横截面积为所述溶液进口窄通道横截面积的二倍；所述溶液进口窄通道比溶液进口流道窄，可使细胞逐个保持距离通过检测电极，也可使检测电极检测细胞时更加灵敏。
作为本发明提供的一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构进一步优化方案，所述溶液样品进口的进口横截面积分别是所述废液出口和目标细胞收集出口出口横截面积的一半。
为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构的分选方法，包括如下步骤：
S1：将含有不同大小细胞的细胞溶液泵入至溶液样品进口中，溶液样品进口与溶液进口流道连通，细胞溶液流入溶液进口流道，溶液进口流道与溶液进口窄通道连通，细胞溶液流入溶液进口窄通道，溶液进口窄通道横截面尺寸接近且略大于细胞尺寸，细胞会在溶液进口窄通道中逐个通过检测电极；
S2：常态下，由于电磁铁一为断电状态，电磁铁二保持通电状态，从而带磁弹性薄片向下弯曲靠在挡块上，阀关闭，此状态下，微流通道二被堵住，细胞流向微流通道一；
S3：当电磁铁一通电时，由于电磁铁一的铁芯比电磁铁二的铁芯粗，且电磁铁一的线圈匝数大于电磁铁二的线圈匝数，电磁铁一产生的磁力比电磁铁二大，使得带磁弹性薄片向上弯曲靠在单向阀挡块上，目标细胞流入微流通道二，并最终流入目标细胞收集出口；
S4：当通过检测电极的不是目标细胞时，带磁弹性薄片保持常态，细胞液流入微流通道一，并最终流入废液出口，废液出口为废液收集口。
进一步地，所述步骤S1包括以下两种情况：
S101：流过检测电极不是目标大小的细胞，检测电极产生的电信号传输到电脑处理器，电脑处理器分析出不是目标大小的细胞，电脑不会控制电源给电磁铁一通电，带磁弹性薄片被电磁铁二吸附而靠在挡块上，此时，微流通道一保持通路，微流通道二被带磁弹性薄片阻挡，细胞流入微流通道一并最终流入废液出口；
S102：流过检测电极是目标大小的细胞，检测电极产生的电信号被传输到电脑处理器，电脑处理器分析出是目标大小的细胞，电脑会控制电源给电磁铁一通电，电磁铁一产生的磁力大于电磁铁二产生的磁力，带磁弹性薄片被电磁铁一吸附而靠在单向阀挡块上，此时，微流通道一被带磁弹性薄片阻挡，微流通道二保持通路，细胞流入微流通道二，并最终流入目标细胞收集出口。
进一步地，所述检测电极用来检测流过它的细胞的电学特性，不同大小的细胞的电学特性是不同，当检测到目标细胞时，信号会传输到电脑，电脑会控制电磁铁一通电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中细胞溶液从溶液进口流道流入溶液进口窄通道时，通道宽度突然变窄且溶液进口窄通道的通道宽度接近并大于细胞直径的两个作用：第一，使细胞逐个通过检测电极。第二，使检测电极检测细胞时灵敏度提高，因为电极间距会变小，细胞通过电极时，会增大电流变化，通常检测电极检测细胞电信号是非常不灵敏的，本发明可提高检测细胞时的灵敏度，使各个尺寸的细胞电信号更加差异化，电脑可以更加轻易识别出目标细胞的电信号，提供了一种提高检测电信号灵敏度的方法。
2、本发明在微流控中设置了一种电磁微阀，该电磁微阀包括电磁铁一(常态断电)、电磁铁二(常态通电)、带磁弹性薄片、单向阀挡块和挡块，电磁铁一通电时产生的磁力大于电磁铁二通电时产生的磁力，电磁微阀的两种状态：阀关，即常态下，电磁铁二通电，电磁铁一断电，带磁弹性薄片被电磁铁二吸附靠在挡块上；阀开，电磁铁一通电，电磁铁一产生的磁力大于电磁铁二产生的磁力，带磁弹性薄片被电磁铁一吸附靠在单向阀挡块上。本发明的电磁微阀可以快速控制通道的开闭，从而实现细胞流动路径的改变，为目标细胞的高效分选提供了一种工具，可对目标细胞实现无标记分选，避免对细胞活性产生影响。
3、本发明是将细胞电学特性与电磁微阀结合，不同大小的细胞被检测电极检测到的电信号是不同的，检测电极接入电脑，电脑会实时分析检测电极传输过来的信号，当检测到目标大小的电信号时，电脑会控制电磁铁一通电，从而打开电磁微阀，通过调节通道长度，细胞液流速，电磁铁通电时间，可以实现对目标大小细胞的高效分选。
4、本发明提供的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，通过调节通道长度，细胞液流速，电磁铁通电时间，可以实现对目标细胞的分选目的，实现对目标大小细胞进行高效无损的无标记分选。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例中提供的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构图。
图2为本发明实施例中提供的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，在电磁铁一不通电，电磁微阀关时的示意图。
图3为本发明实施例中提供的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，在电磁铁一通电，电磁微阀开时的示意图。
其中，附图标记为：
1、溶液样品进口；2、溶液进口流道；3、溶液进口窄通道；4、检测电极；5、电磁铁一；6、单向阀挡块；7、挡块；8、电磁铁二；9、废液出口；10、微流通道一；11、带磁弹性薄片；12、微流通道二；13、目标细胞收集出口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明提供了一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，包括溶液样品进口1，设置在溶液样品进口1一侧，且一端与溶液样品进口1相连通的溶液进口流道2，一端连接于溶液进口流道2另一端的溶液进口窄通道3，置于溶液进口窄通道3上的检测电极4，检测电极4插入到溶液进口窄通道3上，用来检测细胞电学特性，不同大小的细胞产生的电学特性是不同的。
溶液进口窄通道3另一端分别连通有两个微流通道一10和微流通道二12，微流通道一10和微流通道二12末端分别连接废液出口9和目标细胞收集出口13。
还包括一个电磁微阀，电磁微阀由分别布置在溶液进口窄通道3与微流通道一10连通处两侧的电磁铁一5和电磁铁二8，位于溶液进口窄通道3与微流通道一10连通处内壁的单向阀挡块6，设置在溶液进口窄通道3与微流通道二12连通处内侧壁的挡块7和连接在溶液进口窄通道3与微流通道二12连通处内侧壁上的带磁弹性薄片11组成。
检测电极4、电磁铁一5和电磁铁二8电源接线端接入电脑，常态下，电磁阀一5断电，电磁阀二8保持通电，电磁铁一5比电磁铁二8铁芯粗且线圈匝数多，电磁铁一5的控制电路接入电脑，电磁铁一5常态下保持断电，电磁铁二8常态下保持通电，通电状态下电磁铁一5产生的磁力比电磁铁二8的磁力大。
优选地，电磁铁一5的线圈匝数为电磁铁8线圈匝数的2倍，电磁铁一5铁芯直径是电磁铁8铁芯直径的2倍，电磁铁一5和电磁铁二8通电时，电磁铁一5产生的磁力大于电磁铁二8的磁力。
优选地，带磁弹性薄片11是由磁粉加入到PDMS溶液制得的软磁复合材料薄膜制成。
优选地，单向阀挡块6、挡块7的宽度分别是微流通道一10、微流通道二12一半的宽度。
优选地，带磁弹性薄片11的宽度为微流通道二12宽度一半以上。
优选地，溶液进口流道2的宽度为2mm，其横截面积为溶液进口窄通道3横截面积的二倍；溶液进口窄通道3比溶液进口流道2窄，可使细胞逐个保持距离通过检测电极4，也可使检测电极4检测细胞时更加灵敏。
优选地，溶液样品进口1的进口横截面积分别是废液出口9和目标细胞收集出口13出口横截面积的一半。
本发明的工作原理为：将含有不同大小细胞的细胞溶液泵入至溶液样品进口1中，溶液样品进口1与溶液进口流道2连通，细胞溶液流入溶液进口流道2，溶液进口流道2与溶液进口窄通道3连通，细胞溶液流入溶液进口窄通道3，溶液进口窄通道3横截面尺寸接近且略大于细胞尺寸，细胞会在溶液进口窄通道3中逐个通过检测电极4；常态下，由于电磁铁一5为断电状态，电磁铁二8保持通电状态，从而带磁弹性薄片11向下弯曲靠在挡块7上，阀关闭，此状态下，微流通道二12被堵住，细胞流向微流通道一10；当电磁铁一5通电时，由于电磁铁一5的铁芯比电磁铁二8的铁芯粗，且电磁铁一5的线圈匝数大于电磁铁二8的线圈匝数，电磁铁一5产生的磁力比电磁铁二8大，使得带磁弹性薄片11向上弯曲靠在单向阀挡块6上，目标细胞流入微流通道二12，并最终流入目标细胞收集出口13：当通过检测电极4的不是目标细胞时，带磁弹性薄片11保持常态，细胞液流入微流通道一10，并最终流入废液出口9，废液出口9为废液收集口。
优选地，流过检测电极4不是目标大小的细胞，检测电极4产生的电信号传输到电脑处理器，电脑处理器分析出不是目标大小的细胞，电脑不会控制电源给电磁铁一5通电，带磁弹性薄片11被电磁铁二8吸附而靠在挡块7上，此时，微流通道一10保持通路，微流通道二12被带磁弹性薄片阻挡，细胞流入微流通道一10并最终流入废液出口9；
优选地，流过检测电极4是目标大小的细胞，检测电极4产生的电信号被传输到电脑处理器，电脑处理器分析出是目标大小的细胞，电脑会控制电源给电磁铁一5通电，电磁铁一5产生的磁力大于电磁铁二8产生的磁力，带磁弹性薄片11被电磁铁一5吸附而靠在单向阀挡块6上，此时，微流通道一10被带磁弹性薄片11阻挡，微流通道二12保持通路，细胞流入微流通道二12，并最终流入目标细胞收集出口13。
优选地，检测电极4用来检测流过它的细胞的电学特性，不同大小的细胞的电学特性是不同，当检测到目标细胞时，信号会传输到电脑，电脑会控制电磁铁一5通电。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：包括溶液样品进口(1)，设置在所述溶液样品进口(1)一侧，且一端与所述溶液样品进口(1)相连通的溶液进口流道(2)，一端连接于所述溶液进口流道(2)另一端的溶液进口窄通道(3)，置于所述溶液进口窄通道(3)上的检测电极(4)，所述检测电极(4)插入到所述溶液进口窄通道(3)上，所述溶液进口窄通道(3)另一端分别连通有两个微流通道一(10)和微流通道二(12)，所述微流通道一(10)和微流通道二(12)末端分别连接废液出口(9)和目标细胞收集出口(13)；
还包括一个电磁微阀，所述电磁微阀由分别布置在所述溶液进口窄通道(3)与所述微流通道一(10)连通处两侧的电磁铁一(5)和电磁铁二(8)，位于所述溶液进口窄通道(3)与所述微流通道一(10)连通处内壁的单向阀挡块(6)，设置在所述溶液进口窄通道(3)与所述微流通道二(12)连通处内侧壁的挡块(7)和连接在所述溶液进口窄通道(3)与所述微流通道二(12)连通处内侧壁上的带磁弹性薄片(11)组成；
所述检测电极(4)、电磁铁一(5)和电磁铁二(8)电源接线端接入电脑。
2.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述电磁铁一(5)的线圈匝数为所述电磁铁(8)线圈匝数的2倍，所述电磁铁一(5)铁芯直径是所述电磁铁(8)铁芯直径的2倍。
3.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述带磁弹性薄片(11)是由磁粉加入到PDMS溶液制得的软磁复合材料薄膜制成。
4.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述单向阀挡块(6)、挡块(7)的宽度分别是所述微流通道一(10)、微流通道二(12)一半的宽度。
5.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述带磁弹性薄片(11)的宽度为所述微流通道二(12)宽度一半以上。
6.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述溶液进口流道(2)的宽度为2mm，其横截面积为所述溶液进口窄通道(3)横截面积的二倍。
7.根据权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构，其特征在于：所述溶液样品进口(1)的进口横截面积分别是所述废液出口(9)和目标细胞收集出口(13)出口横截面积的一半。
8.一种如权利要求1所述的基于细胞电学特性和电磁微阀的微流控芯片结构的分选方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将含有不同大小细胞的细胞溶液泵入至溶液样品进口(1)中，溶液样品进口(1)与溶液进口流道(2)连通，细胞溶液流入溶液进口流道(2)，溶液进口流道(2)与溶液进口窄通道(3)连通，细胞溶液流入溶液进口窄通道(3)，溶液进口窄通道(3)横截面尺寸接近且略大于细胞尺寸，细胞会在溶液进口窄通道(3)中逐个通过检测电极(4)；
S2：常态下，由于电磁铁一(5)为断电状态，电磁铁二(8)保持通电状态，从而带磁弹性薄片(11)向下弯曲靠在挡块(7)上，阀关闭，此状态下，微流通道二(12)被堵住，细胞流向微流通道一(10)；
S3：当电磁铁一(5)通电时，由于电磁铁一(5)的铁芯比电磁铁二(8)的铁芯粗，且电磁铁一(5)的线圈匝数大于电磁铁二(8)的线圈匝数，电磁铁一(5)产生的磁力比电磁铁二(8)大，使得带磁弹性薄片(11)向上弯曲靠在单向阀挡块(6)上，目标细胞流入微流通道二(12)，并最终流入目标细胞收集出口(13)；
S4：当通过检测电极(4)的不是目标细胞时，带磁弹性薄片(11)保持常态，细胞液流入微流通道一(10)，并最终流入废液出口(9)，废液出口(9)为废液收集口。
9.根据权利要求8所述的分选方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下两种情况：
S101：流过检测电极(4)不是目标大小的细胞，检测电极(4)产生的电信号传输到电脑处理器，电脑处理器分析出不是目标大小的细胞，电脑不会控制电源给电磁铁一(5)通电，带磁弹性薄片(11)被电磁铁二(8)吸附而靠在挡块(7)上，此时，微流通道一(10)保持通路，微流通道二(12)被带磁弹性薄片阻挡，细胞流入微流通道一(10)并最终流入废液出口(9)；
S102：流过检测电极(4)是目标大小的细胞，检测电极(4)产生的电信号被传输到电脑处理器，电脑处理器分析出是目标大小的细胞，电脑会控制电源给电磁铁一(5)通电，电磁铁一(5)产生的磁力大于电磁铁二(8)产生的磁力，带磁弹性薄片(11)被电磁铁一(5)吸附而靠在单向阀挡块(6)上，此时，微流通道一(10)被带磁弹性薄片(11)阻挡，微流通道二(12)保持通路，细胞流入微流通道二(12)，并最终流入目标细胞收集出口(13)。
10.根据权利要求8所述的分选方法，其特征在于：所述检测电极(4)用来检测流过它的细胞的电学特性，不同大小的细胞的电学特性是不同，当检测到目标细胞时，信号会传输到电脑，电脑会控制电磁铁一(5)通电。
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