CN114870914B - 一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片，涉及微流控芯片技术领域，解决了癌细胞检测流程复杂且检测效率不高的技术问题，其技术方案要点是将梯形螺旋分选模块、蛇形浓缩模块和液滴封装模块集成在一片微流控芯片上，经过裂解去除红细胞的血液样本溶液进入梯形螺旋分选模块实现白细胞与癌细胞的分离，所得癌细胞溶液进入蛇形浓缩模块对溶液体积进行浓缩，所得的癌细胞浓缩溶液与乳酸荧光反应试剂共同进入液滴封装模块，得到包裹有癌细胞和乳酸荧光检测试剂的单分散液滴，并基于对荧光液滴的计数最终实现对血液样本中癌细胞的定量检测；一体化的结构设计可以去除繁杂的移液操作、减少试剂的消耗、提高检测效率和准确度。
Description
技术领域
本申请涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片。
背景技术
循环肿瘤细胞(Circulating tumor cel ls,CTCs)作为游离在血液循环系统中的肿瘤细胞，可以很好的用于监测肿瘤的转移与发展，对于血液中的CTCs进行精确的定量检测可以很好的对治疗效果进行评估，辅助制定具体的治疗方案。对CTCs进行定量检测的一个难点就是存在于血液中的CTCs数量极其稀少，如何在大量的血细胞背景下获得活性良好的CTCs是具有挑战性的。另外一个关键的难点就是如何对CTCs进行表征，目前常用的主要技术手段包括免疫检测和分子检测，免疫检测需要进行抗体标记，分子检测需要特定的引物来进行PCR反应，上述两种检测方式均存在专业性需求较高、操作复杂等问题，因此如何快速准确表征CTCs是一个急需解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片，其技术目的是简化血液中癌细胞的检测操作流程、减少试剂的消耗、一步式的操作实现血液中癌细胞的定量检测。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片，包括依次堆叠并封装的梯形模块上盖板、梯形模块外圈流道层、梯形模块内圈流道层、梯形模块下盖板、第一双面胶连接层、浓缩模块上盖板、浓缩模块流道层、浓缩模块下盖板、第二双面胶连接层、液滴封装模块上盖板、液滴封装模块第一流道层、液滴封装模块第二流道层和液滴封装模块下盖板；
所述梯形模块上盖板、所述梯形模块外圈流道层、所述梯形模块内圈流道层和所述梯形模块下盖板构成梯形螺旋分选模块；所述浓缩模块上盖板、所述浓缩模块流道层和所述浓缩模块下盖板构成蛇形浓缩模块；所述液滴封装模块上盖板、所述液滴封装模块第一流道层、所述液滴封装模块第二流道层和所述液滴封装模块下盖板构成液滴封装模块；所述梯形螺旋分选模块的所述梯形模块下盖板与所述蛇形浓缩模块的所述浓缩模块上盖板通过所述第一双面胶连接层进行连接，所述蛇形浓缩模块的所述浓缩模块下盖板与所述液滴封装模块的所述液滴封装模块上盖板通过所述第二双面胶连接层进行连接；
所述梯形模块上盖板上设有定位孔、样本液入口和乳酸荧光检测试剂入口，所述梯形模块外圈流道层上设有定位孔、梯形螺旋流道第一出口A、梯形流道入口A、第一连接孔和梯形流道第二出口；所述梯形模块内圈流道层上设有定位孔、梯形螺旋流道第一出口B和梯形流道入口B；所述梯形模块下盖板上设有定位孔、第一连接孔、第二连接孔和第三连接孔；其中，所述梯形螺旋流道第一出口A与所述梯形螺旋流道第一出口B拼接组成梯形螺旋流道第一出口；所述梯形流道入口A与所述梯形流道入口B拼接组成梯形流道入口；所述梯形模块外圈流道层和所述梯形模块内圈流道层中流道的重叠部分构成梯形螺旋流道；
所述浓缩模块上盖板的结构与所述梯形模块下盖板相同；所述浓缩模块流道层上设有定位孔、第一流阻匹配流道出口、第一流阻匹配流道、第二流阻匹配流道出口、第二流阻匹配流道、第三流阻匹配流道出口、第三流阻匹配流道、第四流阻匹配流道出口、第四流阻匹配流道、第一浓缩流道、第二浓缩流道、浓缩流道入口、浓缩流道出口、第五流阻匹配流道入口、第五流阻匹配流道、第五流阻匹配流道出口和第一连接孔；所述浓缩模块下盖板上设置有定位孔、第一连接孔、第四连接孔、第五连接孔、第六连接孔、第七连接孔、第八连接孔和第九连接孔；
所述液滴封装模块上盖板的结构与所述浓缩模块下盖板的结构相同，所述液滴封装模块第一流道层上设有定位孔、第四连接孔、第五连接孔、第七连接孔、第八连接孔、第九连接孔、分配流道、液滴生成器、混合流道、癌细胞浓缩溶液流道、液滴封装第一入口、乳酸荧光检测试剂流道和液滴封装第二入口；所述液滴封装模块第二流道层上设有定位孔、第四连接孔、第五连接孔、第七连接孔、第八连接孔、第九连接孔、第二液滴储存池、导向流道和液滴封装出口；所述液滴封装模块下盖板上设有定位孔、第一收集口、第二收集口、第三收集口、第四收集口、第五收集口和第六收集口；
所述第一双面胶连接层的结构与所述梯形模块下盖板的结构相同；
所述第二双面胶连接层的结构与所述浓缩模块下盖板的结构相同。
进一步地，所述液滴封装模块第一流道层的高度不大于所述液滴封装模块第二流道层高度的1/6。
进一步地，所述液滴生成器包括：
与所述分配流道连接的三角形液滴生成口；
与所述第二液滴储存池长宽都相同的第一液滴储存池。
进一步地，所述液滴封装模块第一流道层中，流体自所述癌细胞浓缩溶液流道与所述乳酸荧光检测试剂流道的交叉口流向所述混合流道再到所述分配流道。
进一步地，所述样本液入口与所述梯形流道入口连接，所述梯形螺旋流道第一出口通过所述第三连接孔与所述浓缩流道入口连接，所述梯形流道第二出口通过所述第二连接孔与所述第五流阻匹配流道入口连接，所述乳酸荧光检测试剂入口通过所述第一连接孔与所述液滴封装第二入口连接，所述浓缩流道出口通过所述第六连接孔与所述液滴封装第一入口连接，所述第一流阻匹配流道出口通过所述第四连接孔与所述第一收集口连接，所述第二流阻匹配流道出口通过所述第八连接孔与所述第四收集口连接，所述第三流阻匹配流道出口通过所述第五连接孔与所述第二收集口连接，所述第四流阻匹配流道出口通过所述第七连接孔与所述第五收集口连接，所述第五流阻匹配流道出口通过所述第九连接孔排出；所述液滴封装出口与所述第六收集口连接。
进一步地，所述第三流阻匹配流道与所述第四流阻匹配流道结构尺寸参数相同且流阻均等于所述液滴封装模块的流阻，所述第一流阻匹配流道与所述第二流阻匹配流道结构尺寸参数相同且流阻均为1/3所述液滴封装模块流阻与所述第二浓缩流道流阻之和，所述第五流阻匹配流道流阻为1/18所述液滴封装模块流阻、1/6所述第二浓缩流道流阻与1/2所述第一浓缩流道流阻之和。
本申请的有益效果在于：
(1)将梯形螺旋分选模块、蛇形浓缩模块和液滴封装模块集成在一片微流控芯片上，可以实现一步操作直接定量检测出血液中的癌细胞，简化检测流程、提高检测效率。
(2)将分选后的癌细胞溶液浓缩后再进行液滴封装可以很好的减少所需的液滴数量，进而减少所需的乳酸荧光检测试剂的量；直接通过乳酸分泌量的检测来表征癌细胞可以简化表征操作，提高检测效率。
(3)合理设置流阻匹配流道，保证流阻平衡。
(4)通过与商业化的乳酸定量检测试剂组合使用实现对癌细胞分泌的乳酸的定量检测。
附图说明
图1为本申请的结构示意图；
图2为本申请的爆炸示意图；
图3为梯形模块上盖板的结构示意图；
图4为梯形模块外圈流道层的结构示意图；
图5为梯形模块内圈流道层的结构示意图；
图6为梯形模块外圈流道层与梯形模块内圈流道层组合的结构示意图；
图7为梯形模块下盖板、第一双面胶连接层和浓缩模块上盖板的结构示意图；
图8为浓缩模块流道层的结构示意图；
图9为浓缩模块下盖板、第二双面胶连接层和液滴封装模块上盖板的结构示意图；
图10为液滴封装模块第一流道层的结构示意图；
图11为液滴生成器的结构及工作原理示意图；
图12为液滴封装模块第二流道层的结构示意图；
图13为液滴封装模块下盖板的结构示意图；
图中：1-梯形模块上盖板；2-梯形模块外圈流道层；3-梯形模块内圈流道层；4-梯形模块下盖板；5-第一双面胶连接层；6-浓缩模块上盖板；7-浓缩模块流道层；8-浓缩模块下盖板；9-第二双面胶连接层；10-液滴封装模块上盖板；11-液滴封装模块第一流道层；12-液滴封装模块第二流道层；13-液滴封装模块下盖板；14-定位孔；15-样本液入口；16-乳酸荧光检测试剂入口；17-梯形螺旋流道第一出口B；18-梯形流道入口B；19-梯形螺旋流道第一出口A；20-梯形流道入口A；21-第一连接孔；22-梯形流道第二出口；23-梯形螺旋流道；24-第二连接孔；25-第三连接孔；26-第一流阻匹配流道出口；27-第一流阻匹配流道；28-第三流阻匹配流道出口；29-第三流阻匹配流道；30-第二浓缩流道；31-浓缩流道出口；32-第四流阻匹配流道；33-第四流阻匹配流道出口；34-第二流阻匹配流道；35-第二流阻匹配流道出口；36-第五流阻匹配流道出口；37-第五流阻匹配流道；38-第一浓缩流道；39-第五流阻匹配流道入口；40-浓缩流道入口；41-第四连接孔；42-第五连接孔；43-第六连接孔；44-第七连接孔；45-第八连接孔；46-第九连接孔；47-分配流道；48-液滴生成器；49-混合流道；50-癌细胞浓缩溶液流道；51-液滴封装第一入口；52-乳酸荧光检测试剂流道；53-液滴封装第二入口；54-三角液滴生成口；55-第一液滴储存池；56-第二液滴储存池；57-导向流道；58-液滴封装出口；59-第一收集口；60-第二收集口；61-第三收集口；62-第四收集口；63-第五收集口；64-第六收集口；65-液滴前端；66-液滴；67-梯形螺旋流道第一出口；68-梯形流道入口。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
图1为本申请的结构示意图，结合图2，本实施例的基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片，包括：
梯形模块上盖板1，如图3所示，设置有定位孔14、样本液入口15和乳酸荧光检测试剂入口16；
梯形模块外圈流道层2，如图4所示，设置有定位孔14、梯形螺旋流道第一出口A19、梯形流道入口A20、第一连接孔21和梯形流道第二出口22；
梯形模块内圈流道层3，如图5所示，设置有定位孔14、梯形螺旋流道第一出口B17和梯形流道入口B18；图4与图5叠合得到图6，梯形模块外圈流道层2与梯形模块内圈流道层3中流道的重叠部分即图6中的梯形螺旋流道23；
梯形模块下盖板4，如图7所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第二连接孔24和第三连接孔25；
第一双面胶连接层5，如图7所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第二连接孔24和第三连接孔25；
浓缩模块上盖板6，如图7所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第二连接孔24和第三连接孔25；
浓缩模块流道层7，如图8所示，设置有定位孔14、第一流阻匹配流道出口26、第一流阻匹配流道27、第二流阻匹配流道出口35、第二流阻匹配流道34、第三流阻匹配流道出口28、第三流阻匹配流道29、第四流阻匹配流道出口33、第四流阻匹配流道32、第一浓缩流道38、第二浓缩流道30、浓缩流道入口40、浓缩流道出口31、第五流阻匹配流道入口39、第五流阻匹配流道37、第五流阻匹配流道出口36和第一连接孔21；
浓缩模块下盖板8，如图9所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第四连接孔41、第五连接孔42、第六连接孔43、第七连接孔44、第八连接孔45和第九连接孔46；
第二双面胶连接层9，如图9所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第四连接孔41、第五连接孔42、第六连接孔43、第七连接孔44、第八连接孔45和第九连接孔46；
液滴封装模块上盖板10，如图9所示，设置有定位孔14、第一连接孔21、第四连接孔41、第五连接孔42、第六连接孔43、第七连接孔44、第八连接孔45和第九连接孔46；
液滴封装模块第一流道层11，如图10所示，设置有定位孔14、第四连接孔41、第五连接孔42、第七连接孔44、第八连接孔45、第九连接孔46、分配流道47、液滴生成器48、混合流道49、液滴封装第一入口51和液滴封装第二入口53；
液滴封装模块第二流道层12，如图12所示，设置有定位孔14、第四连接孔41、第五连接孔42、第七连接孔44、第八连接孔45、第九连接孔46、第二液滴储存池56、导向流道57和液滴封装出口58；
液滴封装模块下盖板13，如图13所示，设置有定位孔14、第一收集口59、第二收集口60、第三收集口61、第四收集口62、第五收集口63和第六收集口64。
上述梯形模块上盖板1、梯形模块下盖板4、浓缩模块上盖板6、浓缩模块下盖板8、液滴封装模块上盖板10、液滴封装模块下盖板13均采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate，PET)薄膜激光加工制作；梯形模块外圈流道层2、梯形模块内圈流道层3、浓缩模块流道层7、液滴封装模块第一流道层11、液滴封装模块第二流道层12均采用硅胶薄膜激光加工制作；第一双面胶连接层5、第二双面胶连接层9均采用3M双面胶激光加工制作；PET盖板与硅胶层通过氧等离子体键合工艺进行连接，PET盖板之间通过双面胶进行粘连。
液滴生成器48的结构如图11所示，其工作原理如下：
上述第一液滴储存池55与第二液滴储存池56上下堆叠形成的完整液滴储存池与三角液滴生成口54存在高度差，液滴前端65进入完整的液滴储存池后与后面仍处在三角液滴生成口54的溶液之间存在拉普拉斯压力差，随着液滴前端65不断进入完整液滴储存池，拉普拉斯压力差不断扩大，当这种压力差超过界面张力后，形成液滴66。
上述实施例的基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片的工作流程如下：
含有表面活性剂的氟化油由样本液入口15注入直至第一收集口59、第二收集口60、第三收集口61、第四收集口62、第五收集口63、第六收集口64、乳酸荧光检测试剂入口16均有氟化油流出。经过裂解去除红细胞的血液样本由样本液入口15注入，由梯形流道入口B18和梯形流道入口A20组合而成的完整梯形流道入口68进入梯形螺旋流道23，经过梯形螺旋流道23分选后的癌细胞溶液由梯形螺旋流道第一出口B17和梯形螺旋流道第一出口A19组合而成的完整梯形螺旋流道第一出口67流出，并通过第三连接孔25流入浓缩流道入口40，分选后的白细胞溶液由梯形流道第二出口22流出，并依次流经第二连接孔24、第五流阻匹配流道入口39、第五流阻匹配流道37、第五流阻匹配流道出口36、第九连接孔，最后经由第五收集口63进行收集。由浓缩流道入口40进入的分选后癌细胞溶液分别通过第一浓缩流道38和第二浓缩流道30进行两次浓缩来减少溶液体积提高癌细胞浓度，浓缩后的癌细胞溶液再依次经过浓缩流道出口31、第六连接孔43、液滴封装第一入口51进入癌细胞浓缩溶液流道50。当癌细胞浓缩溶液流道50中有溶液进入时立即由乳酸荧光检测试剂入口16注入乳酸荧光检测试剂，癌细胞溶液与乳酸荧光检测试剂然后在混合流道49中实现高效混合以确保每个液滴66中均含有足量的乳酸荧光检测试剂，混合后的溶液经由分配流道47进入液滴生成器48，并快速生成大量的含有细胞溶液和乳酸荧光检测试剂的单分散液滴66，因上述过程被排出的氟化油经由导向流道57并依次通过液滴封装出口58和第六收集口64进行收集。得到液滴66后将整个基于乳散一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片置于37℃的热班上加热30min，置于荧光显微镜下读取荧光强度，实现基于荧光强度的癌细胞和白细胞的区分，最终实现血液中癌细胞的定量检测。
以上为本申请示范性实施例，本申请的保护范围由权利要求书及其等效物限定。
Claims (4)
1.一种基于乳酸一步式定量检测血液中癌细胞的微流控芯片，其特征在于，包括依次堆叠并封装的梯形模块上盖板(1)、梯形模块外圈流道层(2)、梯形模块内圈流道层(3)、梯形模块下盖板(4)、第一双面胶连接层(5)、浓缩模块上盖板(6)、浓缩模块流道层(7)、浓缩模块下盖板(8)、第二双面胶连接层(9)、液滴封装模块上盖板(10)、液滴封装模块第一流道层(11)、液滴封装模块第二流道层(12)和液滴封装模块下盖板(13)；
所述梯形模块上盖板(1)、所述梯形模块外圈流道层(2)、所述梯形模块内圈流道层(3)和所述梯形模块下盖板(4)构成梯形螺旋分选模块；所述浓缩模块上盖板(6)、所述浓缩模块流道层(7)和所述浓缩模块下盖板(8)构成蛇形浓缩模块；所述液滴封装模块上盖板(10)、所述液滴封装模块第一流道层(11)、所述液滴封装模块第二流道层(12)和所述液滴封装模块下盖板(13)构成液滴封装模块；所述梯形螺旋分选模块的所述梯形模块下盖板(4)与所述蛇形浓缩模块的所述浓缩模块上盖板(6)通过所述第一双面胶连接层(5)进行连接，所述蛇形浓缩模块的所述浓缩模块下盖板(8)与所述液滴封装模块的所述液滴封装模块上盖板(10)通过所述第二双面胶连接层(9)进行连接；
所述梯形模块上盖板(1)上设有定位孔(14)、样本液入口(15)和乳酸荧光检测试剂入口(16)，所述梯形模块外圈流道层(2)上设有定位孔(14)、梯形螺旋流道第一出口A(19)、梯形流道入口A(20)、第一连接孔(21)和梯形流道第二出口(22)；所述梯形模块内圈流道层(3)上设有定位孔(14)、梯形螺旋流道第一出口B(17)和梯形流道入口B(18)；所述梯形模块下盖板(4)上设有定位孔(14)、第一连接孔(21)、第二连接孔(24)和第三连接孔(25)；其中，所述梯形螺旋流道第一出口A(19)与所述梯形螺旋流道第一出口B(17)拼接组成梯形螺旋流道第一出口(67)；所述梯形流道入口A(20)与所述梯形流道入口B(18)拼接组成梯形流道入口(68)；所述梯形模块外圈流道层(2)和所述梯形模块内圈流道层(3)中流道的重叠部分构成梯形螺旋流道(23)；
所述浓缩模块上盖板(6)的结构与所述梯形模块下盖板(4)相同；所述浓缩模块流道层(7)上设有定位孔(14)、第一流阻匹配流道出口(26)、第一流阻匹配流道(27)、第二流阻匹配流道出口(35)、第二流阻匹配流道(34)、第三流阻匹配流道出口(28)、第三流阻匹配流道(29)、第四流阻匹配流道出口(33)、第四流阻匹配流道(32)、第一浓缩流道(38)、第二浓缩流道(30)、浓缩流道入口(40)、浓缩流道出口(31)、第五流阻匹配流道入口(39)、第五流阻匹配流道(37)、第五流阻匹配流道出口(36)和第一连接孔(21)；所述浓缩模块下盖板(8)上设置有定位孔(14)、第一连接孔(21)、第四连接孔(41)、第五连接孔(42)、第六连接孔(43)、第七连接孔(44)、第八连接孔(45)和第九连接孔(46)；
所述液滴封装模块上盖板(10)的结构与所述浓缩模块下盖板(8)的结构相同，所述液滴封装模块第一流道层(11)上设有定位孔(14)、第四连接孔(41)、第五连接孔(42)、第七连接孔(44)、第八连接孔(45)、第九连接孔(46)、分配流道(47)、液滴生成器(48)、混合流道(49)、癌细胞浓缩溶液流道(50)、液滴封装第一入口(51)、乳酸荧光检测试剂流道(52)和液滴封装第二入口(53)；所述液滴封装模块第二流道层(12)上设有定位孔(14)、第四连接孔(41)、第五连接孔(42)、第七连接孔(44)、第八连接孔(45)、第九连接孔(46)、第二液滴储存池(56)、导向流道(57)和液滴封装出口(58)；所述液滴封装模块下盖板(13)上设有定位孔(14)、第一收集口(59)、第二收集口(60)、第三收集口(61)、第四收集口(62)、第五收集口(63)和第六收集口(64)；
所述第一双面胶连接层(5)的结构与所述梯形模块下盖板(4)的结构相同；
所述第二双面胶连接层(9)的结构与所述浓缩模块下盖板(8)的结构相同；
其中，所述液滴封装模块第一流道层(11)中，流体自所述癌细胞浓缩溶液流道(50)与所述乳酸荧光检测试剂流道(52)的交叉口流向所述混合流道(49)再到所述分配流道(47)；
所述样本液入口(15)与所述梯形流道入口(68)连接，所述梯形螺旋流道第一出口(67)通过所述第三连接孔(25)与所述浓缩流道入口(40)连接，所述梯形流道第二出口(22)通过所述第二连接孔(24)与所述第五流阻匹配流道入口(39)连接，所述乳酸荧光检测试剂入口(16)通过所述第一连接孔(21)与所述液滴封装第二入口(53)连接，所述浓缩流道出口(31)通过所述第六连接孔(43)与所述液滴封装第一入口(51)连接，所述第一流阻匹配流道出口(26)通过所述第四连接孔(41)与所述第一收集口(59)连接，所述第二流阻匹配流道出口(35)通过所述第八连接孔(45)与所述第四收集口(62)连接，所述第三流阻匹配流道出口(28)通过所述第五连接孔(42)与所述第二收集口(60)连接，所述第四流阻匹配流道出口(33)通过所述第七连接孔(44)与所述第三收集口(61)连接，所述第五流阻匹配流道出口(36)通过所述第九连接孔(46)排出；所述液滴封装出口(58)与所述第六收集口(64)连接。
2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴封装模块第一流道层(11)的高度不大于所述液滴封装模块第二流道层(12)高度的1/6。
3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述液滴生成器(48)包括：
与所述分配流道(47)连接的三角形液滴生成口(54)；
与所述第二液滴储存池(56)长宽都相同的第一液滴储存池(55)。
4.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第三流阻匹配流道(29)与所述第四流阻匹配流道(32)结构尺寸参数相同且流阻均等于所述液滴封装模块的流阻，所述第一流阻匹配流道(27)与所述第二流阻匹配流道(34)结构尺寸参数相同且流阻均为1/3所述液滴封装模块流阻与所述第二浓缩流道(30)流阻之和，所述第五流阻匹配流道(37)流阻为1/18所述液滴封装模块流阻、1/6所述第二浓缩流道(30)流阻与1/2所述第一浓缩流道(38)流阻之和。
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