CN114717086A - 微流控芯片、细胞捕获装置及方法 - Google Patents

微流控芯片、细胞捕获装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微流控芯片、细胞捕获装置及方法，通过在微流控芯片上构建用于生成电泳力的电场，使得流动状态下的待捕获细胞受到与流动方向相反的电泳力，最终该电泳力作用下使得细胞停留在细胞停留区域，由此，细胞样本在流动过程中富集在该区域，样本中较低浓度的细胞得以不停聚集，该区域完成细胞的图像形态学检测、荧光染色的图像学检测等工作实现对细胞的捕获过程。本申请解决了目前细胞捕获与检测过程需要高精度、高速的检测器，造成细胞检测设备的成本高昂，应用开发难度较大，可靠性较低的技术问题。

Description

微流控芯片、细胞捕获装置及方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，尤其涉及到一种微流控芯片、细胞捕获装置及方法。
背景技术
细胞学操控在微流控芯片上得到了大量的研究，针对细胞操控，涉及到了细胞的分离、捕获等工作。在稀有细胞的检测和捕获方面，微流控芯片上采用了大量的磁珠特异性捕获、栅栏结构捕获、利用流体和细胞大小尺寸形成惯性驱动分离等待方法，这些方法都采用超高速、高精度的细胞形态学及其他检测技术，在细胞高速流动过程中实现细胞的检测和区分。
目前，由于细胞的操控需要高精度的微流控芯片加工工艺，流道需要设计特殊的流体通道结构或者布置特殊的表面处理区域布置抗体和磁珠，造成微流控芯片工艺要求过高而产品化实施挑战太大。检测过程需要高精度、高速的检测器，造成细胞检测设备的成本高昂，应用开发难度较大，可靠性较低。
因此，如何提供一种结构简单、可靠性高的细胞捕获装置及捕获方法，是一个亟需解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微流控芯片、细胞捕获装置及方法，旨在解决目前细胞捕获与检测过程需要高精度、高速的检测器，造成细胞检测设备的成本高昂，应用开发难度较大，可靠性较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种微流控芯片，所述微流控芯片设有流体通道，所述流体通道的第一端设有流体流入口和细胞流入口，所述流体通道的第二端设有流体流出口；其中：
所述流体通道的第一端还设有第一电极，所述流体通道的第二端还设有第二电极；
所述第一电极和所述第二电极在处于第一状态时，所述第一电极和所述第二电极之间形成电场，以使细胞流入口流入的细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留；
所述第一电极和所述第二电极在处于第二状态时，所述第一电极和所述第二电极之间的电场消失，以使停留在细胞停留区域的细胞随流体流出流体通道。
可选的，所述微流控芯片还设有电极控制器，所述电极控制器分别连接所述第一电极和所述第二电极，控制所述第一电极和所述第二电极的通电或断电；其中：
当所述电极控制器控制所述第一电极和所述第二电极通电时，所述第一电极和所述第二电极处于第一状态；
当所述电极控制器控制所述第一电极和所述第二电极断电时，所述第一电极和所述第二电极处于第二状态。
可选的，所述电极控制器设有电泳力调节件，所述电泳力调节件用于控制所述第一电极和所述第二电极所接入的电压大小，以调整细胞停留区域在流体通道中的位置。
可选的，所述流体通道的细胞停留区域还设有图像采集器，用于所述第一电极和所述第二电极处于第一状态时，对位于所述细胞停留区域内的细胞图像进行采集。
可选的，所述图像采集器配置有位置调节组件，所述位置调节组件用于调节所述图像采集器在流体通道的位置，以对不同位置的细胞停留区域中的细胞图像进行采集。
可选的，所述流体通道设有电极放置腔，所述第一电极和所述第二电极分别放置于所述电极放置腔内，所述电极放置腔与所述流体通道的连接处设有端口隔离件。
可选的，所述细胞的表面带负电，所述第一电极为正电极，所述第二电极为负电极。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种细胞捕获装置，所述装置包括：
如上所述的微流控芯片；
流体输入设备，连接所述微流控芯片的流体流入口，用于向微流控芯片的流体通道输入流体；
流体输出设备，连接所述微流控芯片的流体流出口，用于排出所述流体通道的流体；
细胞输入设备，连接所述细胞流入口，用于向微流控芯片的流体通道输入待捕获细胞。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种细胞捕获方法，用于如上所述的细胞捕获装置，所述方法包括如下步骤：
流体输入设备向微流控芯片的流体流入口输入流体，细胞输入设备向微流控芯片的细胞流入口输入待捕获细胞，以使所述流体运载所述待捕获细胞流经流体通道；
调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留；
细胞输入设备暂停输入待捕获细胞，对停留于细胞停留区的待捕获细胞执行捕获动作；
调整所述第一电极和所述第二电极处于第二状态，控制停留在细胞停留区域的捕获细胞随流体流出细胞停留区域；
流体输出设备通过流体输出口排出所述流体通道内的流体及流体运载的捕获细胞。
可选的，所述流体输出设备通过流体输出口排出所述流体通道内的流体及流体运载的捕获细胞步骤之后，所述方法还包括：
细胞输入设备重新输入待捕获细胞，并返回执行调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留步骤，直至细胞捕获任务完成。
本申请提出了一种微流控芯片、细胞捕获装置及方法，通过在微流控芯片上构建用于生成电泳力的电场，使得流动状态下的待捕获细胞受到与流动方向相反的电泳力，最终该电泳力作用下使得细胞停留在细胞停留区域，由此，细胞样本在流动过程中富集在该区域，样本中较低浓度的细胞得以不停聚集，该区域完成细胞的图像形态学检测、荧光染色的图像学检测等工作实现对细胞的捕获过程。本申请解决了目前细胞捕获与检测过程需要高精度、高速的检测器，造成细胞检测设备的成本高昂，应用开发难度较大，可靠性较低的技术问题。
附图说明
图1为本发明实施例中微流控芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例中细胞捕获装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中细胞捕获方法的流程示意图。
附图标号说明：
100-流体通道；200-流体流入口；300-细胞流入口；400-流体流出口；500-第一电极；600-第二电极；700-电极控制器；800-图像采集器；900-电极放置腔；10-微流控芯片；20-流体输入设备；30-流体输出设备；40-细胞输入设备。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
下面将结合发明实施例中的附图，对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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
目前，由于细胞的操控需要高精度的微流控芯片加工工艺，流道需要设计特殊的流体通道结构或者布置特殊的表面处理区域布置抗体和磁珠，造成微流控芯片工艺要求过高而产品化实施挑战太大。检测过程需要高精度、高速的检测器，造成细胞检测设备的成本高昂，应用开发难度较大，可靠性较低。
为了解决这一问题，提出本发明的微流控芯片、细胞捕获装置及方法的各个实施例。本发明提供的微流控芯片、细胞捕获装置及方法通过在微流控芯片上构建用于生成电泳力的电场，使得流动状态下的待捕获细胞受到与流动方向相反的电泳力，最终该电泳力作用下使得细胞停留在细胞停留区域，由此，细胞样本在流动过程中富集在该区域，样本中较低浓度的细胞得以不停聚集，该区域完成细胞的图像形态学检测、荧光染色的图像学检测等工作实现对细胞的捕获过程。
参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的微流控芯片的结构示意图。
本实施例提供一种微流控芯片，所述微流控芯片设有流体通道100，所述流体通道100的第一端设有流体流入口200和细胞流入口300，所述流体通道的第二端设有流体流出口400。
具体而言，所述流体通道的第一端还设有第一电极500，所述流体通道的第二端还设有第二电极600。
容易理解的，细胞具有表面带负电的性质，因此，可通过所述第一电极500和所述第二电极600在微流控芯片的流体通道100内布置电场，以此产生用于控制细胞位置状态的电泳力。
在实际应用中，为了更高效的控制细胞捕获过程，可将第一电极500和第二电极600设置为可选择的第一状态和第二状态。
所述第一电极500和所述第二电极600在处于第一状态时，所述第一电极500和所述第二电极600之间形成电场，以使细胞流入口流入的细胞在流体流入口200与流体流出口400之间的流体和第一电极500与第二电极600之间的电场中的细胞停留区域停留；
所述第一电极500和所述第二电极600在处于第二状态时，所述第一电极500和所述第二电极600之间的电场消失，以使停留在细胞停留区域的细胞随流体流出流体通道100。
在本实施例中，第一电极500设置为正电极，第二电极600设置为负电极，进而在流体通道100内形成可灵活选择的第一端为正极、第二端为负极的电场。
当表面带负电的细胞从细胞流入口300进入电场时，产生与流体流动相反的电泳力，控制细胞在流体通道100的细胞停留区域停留，以此进行细胞捕获动作。当捕获动作完成后，移除产生电泳力的电场，以使细胞经流体流出口400流出流体通道100，完成此次细胞捕获过程。
在一些实施例中，第一电极500和第二电极600可以分别设置于流体流入口200和流体流出口400，以在流体通道100内形成完整的电场；第一电极500和第二电极600也可以分别设置于流体通道100开设的电极放置腔900，并在电极放置腔900与流体通道100的连接处设置端口隔离件，避免细胞进入电极放置腔900与电极接触，保证细胞在收到电场作用的时刻进入稳定的流动状态。
需要说明的是，本实施例中的细胞捕获动作可以为利用图像采集器800采集位于细胞停留区域的细胞图像。
具体的，图像采集器800设置于流体通道100的细胞停留区域，用于所述第一电极500和所述第二电极600处于第一状态时，对位于所述细胞停留区域内的细胞图像进行采集。
在此基础上，在面对不同流体、不同流体速度、不同待捕获细胞的情况下，细胞停留区域在流体通道100内的位置也会有所不同。因此，图像采集器800还可配置有位置调节组件，所述位置调节组件用于调节所述图像采集器800在流体通道100的位置，以对不同位置的细胞停留区域中的细胞图像进行采集。
在一些实施例中，微流控芯片还设有电极控制器700，所述电极控制器700分别连接所述第一电极500和所述第二电极600，控制所述第一电极500和所述第二电极600的通电或断电，通过设置电极控制器700，在对多组待捕获细胞执行捕获动作时，能够高效、便捷的控制微流控芯片中电场的生成。
具体的，当所述电极控制器700控制所述第一电极500和所述第二电极600通电时，所述第一电极500和所述第二电极600处于第一状态；当所述电极控制器700控制所述第一电极500和所述第二电极600断电时，所述第一电极500和所述第二电极600处于第二状态。
在此基础上，在面对不同流体、不同流体速度、不同待捕获细胞的情况下，细胞停留区域在流体通道内的位置也会有所不同。因此，电极控制器700还可设有电泳力调节件，所述电泳力调节件用于控制所述第一电极500和所述第二电极600所接入的电压大小，以调整细胞停留区域在流体通道100中的位置。
本实施例提供一种微流控芯片，利用细胞表面带负电的性质，在微流控芯片上布置电场，在细胞流入微流控管路后，使得细胞受到与流速方向相反的电泳力，迫使细胞在设计的检测位置上速度为零，从而实现了细胞的聚集，在该相对应位置的芯片外布置图像传感器进行针对细胞的拍照。
本申请实施例只需要简易的微流控芯片流道设计，不需要进行特殊的通道设计，不需要做任何的表面处理进行抗体布置，只需要在通道内布置两根电极形成电场。由于细胞是停止状态下拍照，检测方面显著降低了图像拍照速度的要求，因而也显著降低了图像传感器的成本。
参照图2，图2为本发明实施例方案涉及的细胞捕获装置的结构示意图。
本实施例提供一种细胞捕获装置，该装置包括微流控芯片10、流体输入设备20、流体输出设备30和细胞输入设备40。
具体而言，流体输入设备20连接所述微流控芯片10的流体流入口200，用于向微流控芯片10的流体通道100输入流体；流体输出设备30连接所述微流控芯片10的流体流出口400，用于排出所述流体通道100的流体；细胞输入设备40连接所述细胞流入口300，用于向微流控芯片10的流体通道100输入待捕获细胞。
需要说明的是，在执行细胞捕获动作时，流体输入设备20和流体输出设备30始终保持工作状态，以保证流体通道100内流体流动，细胞输入设备40在对每组细胞进行输入时，需要与所述微流控芯片100中的电极控制器700配合，以实现一组细胞捕获完成并随流体排出后，将下一组细胞输入，直至完成所有组细胞的捕获。
在本实施例中，通过在微流控芯片10上构建用于生成电泳力的电场，流体输入设备20和流体输出设备30构建流体通道中流体的流动模型，并利用细胞输入设备40向流体输入待捕获细胞，使得流动状态下的待捕获细胞受到与流动方向相反的电泳力，最终该电泳力作用下使得细胞停留在细胞停留区域，由此，细胞样本在流动过程中富集在该区域，样本中较低浓度的细胞得以不停聚集，该区域完成细胞的图像形态学检测、荧光染色的图像学检测等工作实现对细胞的捕获过程。
本发明细胞捕获装置的其他实施例或具体实现方式可参照上述微流控芯片实施例，此处不再赘述。
参照图3，图3为本发明实施例方案涉及的细胞捕获方法的流程示意图。
本实施例提供一种细胞捕获方法，该方法包括如下步骤：
S100，流体输入设备向微流控芯片的流体流入口输入流体，细胞输入设备向微流控芯片的细胞流入口输入待捕获细胞，以使所述流体运载所述待捕获细胞流经流体通道；
S200，调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留；
S300，细胞输入设备暂停输入待捕获细胞，对停留于细胞停留区的待捕获细胞执行捕获动作；
S400，调整所述第一电极和所述第二电极处于第二状态，控制停留在细胞停留区域的捕获细胞随流体流出细胞停留区域；
S500，流体输出设备通过流体输出口排出所述流体通道内的流体及流体运载的捕获细胞；
S600，细胞输入设备重新输入待捕获细胞，并返回执行调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留步骤，直至细胞捕获任务完成。
在本实施例中，通过在微流控芯片中布置电极进行细胞操控，电极之间形成的电场使得细胞受到的电泳力与流动方向相反，电极布置区域与细胞流入端口隔离，细胞流动达到稳定流速后进入电场作用区域，电极上施加的电场保持通断的动作，当电场取消后，被富集细胞被流体带走，检测区域细胞流走后再次施加电场，后面流体中的细胞再次富集，细胞停留时间较短，不超过10秒，避免由于长时间细胞停留而造成细胞粘连在流道表面。
本申请的实施例在拍照结束后，取消施加的电场，细胞受到流体作用下继续流走，检测区域细胞流走后，再次施加电场，后面流体的细胞继续在该区域富集，富集到一定程度后，再次进行拍照，取消施加电场，被富集的细胞再次流走，整个检测过程重复该步骤，完成细胞的高通量、低成本的图像采集。
本发明细胞捕获方法的其他实施例或具体实现方式可参照上述细胞捕获装置实施例，此处不再赘述。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片设有流体通道，所述流体通道的第一端设有流体流入口和细胞流入口，所述流体通道的第二端设有流体流出口；其中：
所述流体通道的第一端还设有第一电极，所述流体通道的第二端还设有第二电极；
所述第一电极和所述第二电极在处于第一状态时，所述第一电极和所述第二电极之间形成电场，以使细胞流入口流入的细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留；
所述第一电极和所述第二电极在处于第二状态时，所述第一电极和所述第二电极之间的电场消失，以使停留在细胞停留区域的细胞随流体流出流体通道。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片还设有电极控制器，所述电极控制器分别连接所述第一电极和所述第二电极，控制所述第一电极和所述第二电极的通电或断电；其中：
当所述电极控制器控制所述第一电极和所述第二电极通电时，所述第一电极和所述第二电极处于第一状态；
当所述电极控制器控制所述第一电极和所述第二电极断电时，所述第一电极和所述第二电极处于第二状态。
3.如权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述电极控制器设有电泳力调节件，所述电泳力调节件用于控制所述第一电极和所述第二电极所接入的电压大小，以调整细胞停留区域在流体通道中的位置。
4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述流体通道的细胞停留区域还设有图像采集器，用于所述第一电极和所述第二电极处于第一状态时，对位于所述细胞停留区域内的细胞图像进行采集。
5.如权利要求4所述的微流控芯片，其特征在于，所述图像采集器配置有位置调节组件，所述位置调节组件用于调节所述图像采集器在流体通道的位置，以对不同位置的细胞停留区域中的细胞图像进行采集。
6.如权利要求1-5任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述流体通道设有电极放置腔，所述第一电极和所述第二电极分别放置于所述电极放置腔内，所述电极放置腔与所述流体通道的连接处设有端口隔离件。
7.如权利要求1-5任意一项所述的微流控芯片，其特征在于，所述细胞的表面带负电，所述第一电极为正电极，所述第二电极为负电极。
8.一种细胞捕获装置，其特征在于，所述装置包括：
如权利要求1-7任意一项所述的微流控芯片；
流体输入设备，连接所述微流控芯片的流体流入口，用于向微流控芯片的流体通道输入流体；
流体输出设备，连接所述微流控芯片的流体流出口，用于排出所述流体通道的流体；
细胞输入设备，连接所述细胞流入口，用于向微流控芯片的流体通道输入待捕获细胞。
9.一种细胞捕获方法，其特征在于，用于如权利要求8所述的细胞捕获装置，所述方法包括如下步骤：
流体输入设备向微流控芯片的流体流入口输入流体，细胞输入设备向微流控芯片的细胞流入口输入待捕获细胞，以使所述流体运载所述待捕获细胞流经流体通道；
调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留；
细胞输入设备暂停输入待捕获细胞，对停留于细胞停留区的待捕获细胞执行捕获动作；
调整所述第一电极和所述第二电极处于第二状态，控制停留在细胞停留区域的捕获细胞随流体流出细胞停留区域；
流体输出设备通过流体输出口排出所述流体通道内的流体及流体运载的捕获细胞。
10.如权利要求9所述的细胞捕获方法，其特征在于，所述流体输出设备通过流体输出口排出所述流体通道内的流体及流体运载的捕获细胞步骤之后，所述方法还包括：
细胞输入设备重新输入待捕获细胞，并返回执行调整所述第一电极和所述第二电极处于第一状态，控制所述待捕获细胞在流体流入口与流体流出口之间的流体和第一电极与第二电极之间的电场中的细胞停留区域停留步骤，直至细胞捕获任务完成。
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