CN114689840A - 一种荧光编码微球的分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光编码微球的分选方法，将不同编码微球混在待测样品中，分别抓取对应的不同目标分子，得到待测液；通过流体控制系统控制所述待测液依次进入光电芯片的聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区，实现荧光编码微球及对应待测分子的分选。本发明通过使用光导材质结合光图形设计，改变平面上的电场分布来改变介电泳力的方向，从而改变编码微球的受力，达到定位、抓取、释放、移动编码微球的目的，提升了编码微球分选与免疫检测的效率。

Description

一种荧光编码微球的分选方法

技术领域

本发明属于生物检测领域，具体涉及一种荧光编码微球的分选方法。

背景技术

许多癌症的检测与细胞因子的浓度密切相关，有时一个癌细胞会引起多种细胞因子的释放。在临床上，从患者血清中检测白介素的数量与浓度可以作为早期癌症诊断和治疗后的指标。例如，IL-1、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-15、IL-17等细胞因子的测量，可用于肝癌、肺癌、胰腺癌和卵巢癌的临床检测。对于肺癌、乳腺癌和卵巢癌，从发现疾病到无效治疗，大多数治疗时间都短于1年。如果可以在血清中检测到多种细胞因子，可以尽早地提高癌症诊断的准确性和癌症患者的存活率。

单细胞捕获及分析能够精确地从大量细胞中获取特定单细胞，实现疾病诊断、杂交瘤细胞筛选等多种用途。微流体技术(也称微流控技术)可在单细胞尺度上操控和处理介质中的细胞，实现细胞的捕获、培养、分析、处理、筛选等一系列过程。

编码微球是单细胞捕获的常见载体，此外，编码微球还可对分子进行捕获，编码微球可与目标分析物结合，实现对目标分析物的编码，便于后续的检测与分选。对微球的编码方式有多种，例如可以基于颜色和强度对微球进行编码。

粒子的定位对于粒子的检测和分选也有重要意义。一般来说，在微米尺度下的小粒子定位，常用的是介电泳力，意即粒子在不均匀的电场作用之下，在表面会感应出电荷，并使粒子在受正介电泳力的情况下，往电极强度大的地方移动，若粒子在受负介电泳力的情况下，往电极强度小的地方移动，借由调整外界施加的频率，可以调整粒子受力方向。

一般的金属介电泳力设计，使用微机电制程，先在玻璃表面上沉积金属层，再由光阻定义电极形状，蚀刻显影后，能够在微米尺度下形成金属图形(导电层)，进而在微米通道(微流控管道)内流生电介泳力，然而金属电极的图形固定，电场的形状也固定，灵活性不够，制程也复杂，需要特殊的制作工艺与培训。

发明内容

本发明目的在于提供一种荧光编码微球的分选方法，实现对编码微球的定位、抓取、释放、移动与检测，提供一种更好的荧光编码微球分选方法，从而提升免疫检测效率。

本发明公开一种荧光编码微球的分选方法，包括以下步骤：

将不同编码微球混在待测样品中，分别抓取对应的不同目标分子，得到待测液；

通过流体控制系统控制所述待测液进入光电芯片，所述光电芯片包括有第一透明电极和第二透明电极，所述第一透明电极与所述第二透明电极之间形成流体通道，所述第二透明电极靠近流体通道的一侧设置有光导层，所述光导层在光照下能够改变导电性；所述光电芯片连接有电信号控制系统，在光图形照射区域可实现荧光编码微球的聚集与定位；

通过向所述光电芯片发出光图形投影，将所述光电芯片依次划分为聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区；所述聚集区将散乱分布的荧光编码微球排列进入到所述实时侦测区；所述实时侦测区中，所述荧光编码微球成线性排列，通过激发光照射所述荧光编码微球并收集荧光从而识别所述荧光编码微球；在所述光图形转换区，根据实时侦测区获得的荧光编码微球信息产生对应的光图形通道，将所述荧光编码微球导向对应的分选分离区；所述分选分离区包括多个流道，将所述荧光编码微球分离导出；

所述待测液依次经过所述聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区，实现荧光编码微球及对应待测分子的分选。

在一些实施方式中，所述第一透明电极和所述第二透明电极的间距为50-200微米。

在一些实施方式中，所述第一透明电极和所述第二透明电极为ITO玻璃。

在一些实施方式中，所述光导层的材质为TiOPc或氢化非晶硅。

在一些实施方式中，所述荧光编码微球由两种荧光染料以不同的混合比例制成。

在一些实施方式中，所述荧光编码微球中具有含铁纳米粒子，能够受到外界磁场操控。

在一些实施方式中，所述荧光编码微球表面经过修饰，可以对于不同的分子做专一性的捕捉。

在一些实施方式中，所述聚集区包括两个条形光图形，所述两个条形光图形均通往所述实时侦测区。

与传统产生电介泳力方式的技术相比，本发明通过光图形与光导材质的结合使用，使得产生的光图形成为可变动位置的电极，并且产生介电泳力，对于在液体中的微球，能够产生很好的抓取，不但在操作上是比较简便的，同时也简化了实验的过程，提升粒子抓取的效率。

附图说明

图1为本发明所采用的装置的示意图；

图2为本发明的光电芯片设计结构图；

图3为本发明中光图形阵列示例图；

图4为本发明中光图形阵列示例图；

图5为本发明实施例2的光图形第一部分示意图；

图6为本发明实施例2的光图形第二部分示意图；

图7为本发明实施例2的光图形第三部分示意图；

图8为本发明实施例2的光图形整体示意图。

附图标记：1-光学系统，2-流体控制系统，3-电信号控制系统，4-光电芯片，5-流体收集装置，6-光图形发射源，7-第一激发光，8-第二激发光，9-第一玻璃基板，10-第一透明电极，11-光导层，12-第二透明电极，13-第二玻璃基板，14-信号产生器，15-光图形。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提出了一种荧光微球的检测装置，所述检测装置包括：

设置有第一透明电极和第二透明电极的光电芯片，所述第一透明电极与所述第二透明电极之间形成流体通道，所述第二透明电极靠近流体通道的一侧设置有光导层，所述光导层在光照下能够改变导电性；

用于控制待测液体注入所述光电芯片的流体控制系统；

能够向所述光电芯片发出光图形信号和激发光信号的光学系统，所述光图形信号用于调整照射区域的光导层导电性，所述激发光用于激发所述待测液体中的编码微球产生荧光信号；

用于调整所述光电芯片中电信号的电信号控制系统；

用于收集和处理所述光电芯片发出的荧光信号的影像处理系统。

在大面积的光导材质上形成阵列形的光图形。因为光导材质的特性，使得有照光之处，光导材质的电阻减小，电子由下面的导电层移动到光导层上层表面，从而使得平面上有导电区域和不导电区域，利用微粒体在微流控尺度下的介电泳效应，将目标粒子固定在平面上，用以记录粒子本身的荧光和粒子表面所捕捉分子的荧光。编码微球产生荧光信号包括荧光编码微球本身的荧光，还包括编码微球表面修饰或者抓取的荧光分子的荧光信号。

通过本发明的编码微球的检测装置，实现对编码微球的精确定位，提升检测效率。本发明所使用的光导材质，能借由改变光图形的样式，通过改变平面上的电场分布来改变介电泳力的方向，从而改变编码微球的受力，达到定位、抓取、释放、移动编码微球的目的，提升免疫检测的效率。

本发明还提出了一种荧光编码微球的分选方法，使用如上所述的编码微球的检测装置，包括以下步骤：

将不同编码微球混在样品中，分别抓取对应的不同目标分子；

通过光图形投影将光电芯片的工作区域分为聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区；

所述聚集区包括两个交叉的条形，交叉点位于所述实时侦测区，将散乱分布的荧光编码微球排列成直线并汇聚到所述实时侦测区；

所述实时侦测区中，所述荧光编码微球成线性排列，通过激发光照射所述荧光编码微球并收集荧光从而识别所述荧光编码微球；

在所述光图形转换区，根据实时侦测区获得的荧光编码微球信息产生对应的光图形通道，将所述荧光编码微球导向对应的分选分离区；

所述分选分离区包括多个流道，将导入的荧光编码微球分离导出。

在一些实施方式中，本发明公开了一种荧光编码微球的分选方法，包括以下步骤：

将不同编码微球混在待测样品中，分别抓取对应的不同目标分子，得到待测液；

通过流体控制系统控制所述待测液进入光电芯片，所述光电芯片包括有第一透明电极和第二透明电极，所述第一透明电极与所述第二透明电极之间形成流体通道，所述第二透明电极靠近流体通道的一侧设置有光导层，所述光导层在光照下能够改变导电性；所述光电芯片连接有电信号控制系统，在光图形照射区域可实现荧光编码微球的聚集与定位；

通过向所述光电芯片发出光图形投影，将所述光电芯片依次划分为聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区；所述聚集区将散乱分布的荧光编码微球排列进入到所述实时侦测区；所述实时侦测区中，所述荧光编码微球成线性排列，通过激发光照射所述荧光编码微球并收集荧光从而识别所述荧光编码微球；在所述光图形转换区，根据实时侦测区获得的荧光编码微球信息产生对应的光图形通道，将所述荧光编码微球导向对应的分选分离区；所述分选分离区包括多个流道，将所述荧光编码微球分离导出；

所述待测液依次经过所述聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区，实现荧光编码微球及对应待测分子的分选。

与传统产生介电泳力方式的技术相比，本发明通过光图形与光导材质的结合使用，使得产生的光图形成为可变动位置的电极，并且产生介电泳力，对于在液体中的微球，能够产生很好的抓取，不但在操作上是比较简便的，同时也简化了实验的过程，提升粒子抓取的效率。

与金属电极来产生电场的方式比较，制作方式更简便，材料成本更低，光导层材质可以使用TiOPc，使用上只需要旋转涂布，即可形成一层厚度不到1微米的光导层，比起传统使用金属电极，需进到无尘室，导电层沉积，重复曝光显影以建立金属图形，使用旋转涂布的方式更为简便，而且所花费的费用也更少，不需要昂贵的机器设备。

与流式细胞仪比较，流式细胞仪是将待测粒子以极快的速度，令其通过激光照射区域，测量粒子的荧光，加以区分粒子的数量、大小、亮度，由于其速度太快，测量上易产生误差，虽然号称高产出量(high throughput)，但准确度上仍待改进。

使用本专利的方法，可以快速将移动的粒子固定在想要测量的位置，以阵列的方式呈现，经过激光照射后，显微镜下观察，再加以记录荧光，在准确度上更加地提升。其次，可将原本散乱的粒子，经过光图形聚集后，形成直线排列，再加以识别，分选，对于所抓取的粒子来做有效筛选。

除此之外，该装置中最主要的耗材为微流控芯片，但其制作成本低，构造简单，可用于各种粒子的定位抓取，操作简便，能够有效降成本。

本发明中荧光编码微球分选方法所采用的装置如图1所示，包括光学系统1、流体控制系统2、电信号控制系统3、光电芯片4、流体收集装置5以及影像处理系统(未示出)。

如图2所示，光电芯片4设置有第一玻璃基板9、贴合在第一玻璃基板9上的第一透明电极10、第二玻璃基板13、贴合在第二玻璃基板13上的第二透明电极12、以及贴合在第二透明电极12上的光导层11。第一透明电极与光导层之间形成流体通道，与流体控制系统2连通。光导层11位于第二透明电极12靠近流体通道的一侧，在光照下能够改变导电性。本发明的光电芯片兼具微流控的特点。

第一透明电极10与第二透明电极12的间距范围为50-200微米之间，优选为100微米左右。第一透明电极10与第二透明电极12分别与电信号控制系统3中的信号产生器14连接。

透明电极优选为ITO电极，也可以为纳米银等其它材质。光导层照光之后会导电，在未照光时为电场的阻隔层。经过照光之后，光照部分的光导层导电度增加，电荷从ITO玻璃上传到光导层之上，照光区域有如一虚拟电极。在一些实施方式中，光导层的材质可以为TiOPc或其他因光照而导电性增加的物质。

流体控制系统2用于控制待测液体注入光电芯片4的流体通道中并控制流速。光学系统向光电芯片发出光图形信号，在光电芯片上投影出多个光图形15，例如光阵列(如图3或图4所示)。光学系统中设置有至少一种激发光源，可以向光图形区域发出激发光，用于激发待测液体中的荧光编码微球或者其表面荧光分子产生的荧光信号。

在一些实施方式中，光学系统可以导入一种或两种光图形，以及两种激发光，光图形可用来在光电芯片上产生虚拟电极，进而操控编码微球，激发光可以激发出编码荧光微球本身的荧光，还有微球表面捕捉到的分子的荧光。

图3和图4为光图形不同阵列的排列方式，圆形阵列为所投影的图形经由缩小20倍之后投影在光电芯片上，使得芯片上的光点大小与要抓取的粒子大小相匹配，例如，编码微球的大小是5微米，则在设计光点阵列图形时，使其为100微米左右的光点阵列。

在一些实施方式中，所述光学系统通过光图形发射源6发出的光图形投影在光电芯片上形成由多个光点区域组成的光点阵列，光点区域的光导层导电性增加，电子可以移动到其表面，形成虚拟电极，光点区域形成不均匀电场，使得待测液体中的荧光编码微球往所述光点阵列靠近，实现对荧光编码微球的定位。

在一些实施方式中，荧光编码微球表面经过修饰，可以对于不同的分子做专一性的捕捉。实现对荧光编码微球的定位后，通过光学系统向所述光点阵列发射第一激发光7和第二激发光8，分别激发荧光编码微球和荧光编码微球所捕捉分子的荧光；通过影像收集系统收集荧光编码微球及其表面发出的荧光，和已知的数据相对照获得待测分子的浓度。

电信号控制系统用于调整所述光电芯片中的电信号，如电压与频率，从而控制荧光微球的移动。影像处理系统用于收集和处理所述光电芯片发出的荧光信号，可以实时观测编码微球和微球表面分子的荧光，加以辨识是哪种微球，以及抓取到哪一种分子。

在一些实施方式中，编码微球由两种荧光染料以不同的混合比例制成，两种不同的荧光染料依据七种不同浓度混合，可以达到49种类。

本发明的工作原理为：使用时由外部输入电信号，借由调控所输入电信号的电压、电流、波形，并且搭配所投影的光图形，在光电芯片的流体通道中形成不均匀的电场，当荧光编码微球在此空间中时，则受到介电泳力的影响，进而在水平位置上实现定位、移动。由于介电泳力的作用，驱动编码微球往这些光点阵列靠近，编码微球定位好了之后，再开启光学系统中可激发编码微球和微球表面的相对应波长的激发光，产生并识别荧光信号。

下面结合具体的实施例进一步说明。

实施例1

参见图1和图2，光电定位编码微球检测装置可以包括一个光电芯片，一个信号产生器(具体的电信号控制系统)，一组光学缩束透镜组(缩小20倍)、光图形控制投影系统(两者实现具体的光学系统)，摄像头(CCD)(具体的影像处理系统)，控制液体注入的微泵(具体的流体控制系统)。

光电芯片使用ITO导电玻璃作为透明电极，包括上层ITO电极与下层ITO电极，ITO电极分别设置在玻璃基板上，下层ITO上方涂布有一层光导材质，上层ITO电极与下层ITO电极的间距保持在100微米的距离。ITO电极的面积为1cm×1cm。上层ITO与下层ITO连接到一台信号产生器，使用时由外部输入讯号，借由调控所输入讯号的电压、电流、波形，并且搭配所投影的光图形，在电极之间的空间形成不均匀的电场，当纳米微球在此空间中时，则受到介电泳力的影响，进而在水平位置上产生定位。

光导材质经过照光之后导电度增加，电荷从ITO玻璃上传到光导层之上，照光区域有如一虚拟电极，换句话说，光图形为一变动形状的电极形式。当阵列光图形照在光导材质上，使得上面的光图形为导电之处，由于介电泳力的作用，趋动编码微球往这些光点阵列靠近，编码微球定位好了之后，再开启激发编码微球和微球表面的相对应波长的激光，例如，激发编码微球粒子的激光为638nm波长，激发编码微球粒子表面分子的激光为532nm波长，由光学摄像头拍摄粒子的荧光颜色和表面的荧光颜色，两个荧光信号互相结合起来，再加以和已知的数据相匹配(多少亮度对应于多少浓度)，即可以获得待测分子的浓度。

测量完一批数据之后，将信号产生器的电压电流关闭，关闭光照图形，关闭532nm和638nm的光，使用自动微泵灌入液体，将这一批溶液冲洗掉，载入下一批含有待测编码微球的溶液，即可以再测量下一批数据。

实施例2

一种实时荧光编码微球分选方法，所采用的光图形如图8所示，光电芯片的工作区域分为三部分，第一部分为粒子聚集区和实时侦测区，第二部分为光图形转换区，第三部分为分选分离区。详细内容分别如图5、图6、图7所示。

当三种编码微球(例如编号分别为(1)、(2)、(3))混在样品中时，会针对不同的分子进行抓取，对于这些上面有抓取分子的编码微球，经由自动化微泵的方式进入光电芯片，由于编码微球是散乱随机的，因此需要将其排列成直线，并进行实时侦测。

如图5所示，光图形所照的地方，会形成虚拟电极，当粒子遇到光图形时，会受到负介电泳力而推向中央，于是可以把散乱的粒子往中间聚集，进而成为一条直线。接着进入实时侦测区，这里由638nm波长的光照射，用以激发粒子，再由实时监测系统，标定所进来的编码微球是属于(1)(2)(3)哪一种。

如图6所示的光图形转换区，实际上相当于光转换开关，若从图5中所获得的粒子是(1)，那么就形成图6中(a)的图形，编码微球即往上方移动，若从图5中所获得的粒子是(2)，那么图6中的光图形就不投影，让粒子直直地向前移动，若从图5中所获得的粒子是(3)，那么就形成图6中(b)的图形，编码微球即往下方移动。

如图7所示的分选区域里，共有三个光图形通道，让编码微球进入三个不同的分选区域，实现对不同编码微球以及其所抓取的不同目标分子的分离和检测。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种荧光编码微球的分选方法，其特征在于，包括以下步骤：

将不同编码微球混在待测样品中，分别抓取对应的不同目标分子，得到待测液；

通过流体控制系统控制所述待测液进入光电芯片，所述光电芯片包括有第一透明电极和第二透明电极，所述第一透明电极与所述第二透明电极之间形成流体通道，所述第二透明电极靠近流体通道的一侧设置有光导层，所述光导层在光照下能够改变导电性；所述光电芯片连接有电信号控制系统，在光图形照射区域可实现荧光编码微球的聚集与定位；

通过向所述光电芯片发出光图形投影，将所述光电芯片依次划分为聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区；所述聚集区将散乱分布的荧光编码微球排列进入到所述实时侦测区；所述实时侦测区中，所述荧光编码微球成线性排列，通过激发光照射所述荧光编码微球并收集荧光从而识别所述荧光编码微球；在所述光图形转换区，根据实时侦测区获得的荧光编码微球信息产生对应的光图形通道，将所述荧光编码微球导向对应的分选分离区；所述分选分离区包括多个流道，将所述荧光编码微球分离导出；

所述待测液依次经过所述聚集区、实时侦测区、光图形转换区、分选分离区，实现荧光编码微球及对应待测分子的分选。

2.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述第一透明电极和所述第二透明电极的间距为50-200微米。

3.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述第一透明电极和所述第二透明电极为ITO玻璃。

4.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述光导层的材质为TiOPc或氢化非晶硅。

5.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述荧光编码微球由两种荧光染料以不同的混合比例制成。

6.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述荧光编码微球中具有含铁纳米粒子，能够受到外界磁场操控。

7.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述荧光编码微球表面经过修饰，能够对于不同的分子做专一性的捕捉。

8.根据权利要求1所述的分选方法，其特征在于，所述聚集区包括两个条形光图形，所述两个条形光图形均通往所述实时侦测区。

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