CN115895877B - 一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微流控芯片领域，公开了一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，包括样品进样器、微流控芯片、寻址式灭活控制器、收集器和计算机控制单元，微流控芯片包括从上到下依次设置的顶部电极层、PDMS隔离层、通道层和底部电极层，所述通道层内设置有若干微孔结构。本发明通过对芯片结构的设计和优化，通过寻址式灭活控制器加载电信号将细胞捕获在微孔阵列中，随后筛选所需目标细胞，通过计算机控制单元下发逻辑指令对非目标细胞加载足以电死细胞的电信号，后通过收集器将已经处理过的目标细胞收集。

Description

一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，具体涉及一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片分析以芯片为操作平台,同时以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展的重点。

细胞是构成生命的基本单元，研究细胞的结构及功能对于生命规律的探索以及疾病的诊断与治疗都具有及其重要的意义。目前，随着对细胞特异性研究的深入，单细胞/单类别细胞分析与筛选也成为目前生命科学研究领域的一个热点。但是领域内大部分的细胞分选都是正向选择目标细胞，但是正向选择目标细胞，需要严格控制电压等筛选条件，若条件及控制不当非常容易造成缓冲液中的细胞在原位被电死的问题。

发明内容

本发明意在提供一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，以解决现有技术中在细胞筛选过程中，容易出现目标细胞被电死的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，包括样品进样器、微流控芯片、寻址式灭活控制器、收集器和计算机控制单元，微流控芯片包括从上到下依次设置的顶部电极层、PDMS隔离层、通道层和底部电极层，通道层内设置有若干微孔结构。

优选的，作为一种改进，顶部电极层包括基底层和设置在基底层上的图案化ITO电极阵列。

优选的，作为一种改进，底部电极层包括基底层和设置在基底层上的图案化ITO电极阵列，且底部电极层上设置有若干所述微孔结构。优选的，作为一种改进，图案化ITO电极阵列包括若干电极，电极的宽度为80-100μm，电极的长度为5-10mm。

优选的，作为一种改进，微孔结构的的数量为300-500个，微孔的直径为20μm，微孔的高度为5μm。

优选的，作为一种改进，通道层上设置有进样口和出样口，进样口与样品进样器连通，出样口与收集器连通。

优选的，作为一种改进，样品进样器为注射器。

本技术方案中，采用注射器吸取待分选的细胞液样品，而后以注射的方式进样，操作方便且对操作人员的技术水平要求相对较低。

优选的，作为一种改进，计算机控制单元为计算机操作平台。

本技术方案中，采用计算机操作平台来对目标细胞区域进行筛选并下发逻辑指令控制对应区域的电极加载足以电死细胞的脉冲电信号，操作方便且准确性高。

本方案的原理及优点是：实际应用时，微流控是一种处理或操纵流体的技术，目前基于微流控的细胞操纵方法主要分为主动式与被动式两类，其中主动式是指利用主动控制所产生的外力实现流体和细胞的操纵，常见的有阀控、电控、磁控、光控和声控，具有可控性好、准确度高等优点。被动式是利用结构与流体、细胞与流体以及细胞与结构件的交互耦合作用，即流体力学的原理实现对流道内的流体与细胞运动的精确控制，其具有系统简单、样本处理通量高等特点。在前期的研究中，微流控芯片装置是利用介电泳将捕获在腔室内的细胞推出腔室，但细胞在电刺激下的损伤不易控制，且在前期的研发过程中发现在PM、PBS等缓冲液中细胞很容易在原位置就被电死，所以逆向思维，想到将不需要的细胞整排灭活，留下想要的目标细胞。因此，本技术方案基于样品流体力学，当样品进样后，通过寻址式灭活控制器加载正向介电电泳力，将进入通道层内的细胞捕获并吸入微孔结构内。通过观察选定的目标细胞，利用计算机操作平台计算加电逻辑顺序，并下达指令使得寻址式灭活控制器控制向相应位置的电极施加一定幅值频率的直流脉冲信号，将除了目标位置外的细胞电机致死。在空载条件下，通过流体动力将余下的细胞(目标细胞)沿出样口收集入收集器内。本方案通过对加电方式、加电条件以及加电过程中电压的参数加以限定优化(通常电压控制在15V左右，电信号为脉冲信号：脉宽100μs，每个脉冲间隔为1s，单次电信号涵盖5个脉冲)，在实现高通量的同时，提高了目标筛选的效果。

此外，本技术方案在研发初期采用的是平面电极，但是平面电极存在一定的排线局限性，因此，发明人对于电极结构进行二次优化，设计上下行列交叉型电极，通过上下电极的排线能够获得更多的交叉区域(独立控制的区域)，进而能够有效的扩大单个控制的通量。

附图说明

图1为本发明用于反向灭杀的微流控芯片检测系统整体示意图。

图2为本发明顶部电极层结构示意图。

图3为本发明顶部电极排布示意图。

图4为本发明底部电极排布示意图。

图5为微孔结构示意图。

图6为顶部电极与底部电极连接示意图。

图7为细胞电击显微观察图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。若未特别指明，下述实施方式所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；所用的实验方法均为常规方法；所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。

说明书附图中的附图标记包括：微流控芯片1、样品进样器2、寻址灭活控制器3、收集器4、计算机操作平台5、顶部电极层101、PDMS隔离层102、通道层103、底部电极层104、玻璃基底层105、图案化ITO电极阵列106、微孔结构107。

实施例1

如图1所示，一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，包括微流控芯片1、样品进样器2、寻址式灭活控制器3、收集器4和计算机操作平台5。需要说明的是，本技术方案主要是对微流控芯片1的结构进行改进设计，对于寻址灭活控制器3以及计算机操作平台5的结构、使用方法以及连接方式均参考现有技术进行，未做改进。

微流控芯片1包括自上而下依次设置的顶部电极层101、PDMS隔离层102、通道层103和底部电极层104。其中，通道层103包括内部由SU-8微柱制成的微孔结构。且通道层连通有进样口和出样口，进样口与样品进样器连通，出样口与收集器连通。顶部电极层101与底部电极层104与寻址式灭活控制器3连接，具体连接方式为：制作与顶部/底部电极层匹配的焊接盘，然后再将焊接盘通过连接线与寻址灭活控制器3连接即可，此为现有技术。由寻址式灭活控制器控制加电与否，计算机操作平台5与寻址式灭活控制器3连接，用于向寻址式灭活控制器下达指令，控制寻址式灭活控制器3，进而控制顶部电极层101与底部电极层104的加电。

本实施例中，顶部电极层101包括玻璃基底层105和设置在玻璃基底层105上的图案化ITO电极阵列106，图案化ITO电极阵列106由20根80μm宽、6mm长的ITO阵列电极组成。

底部电极层104也包括玻璃基底层105和设置在玻璃基底层105上的图案化ITO电极阵列106，且图案化TIO电极阵列106与顶部电极层101图案及结构一致，不同的是，底部电极层104设置有400个高5μm，直径20μm的微孔结构107；底部电极层与顶部电极层之间形成通道层。

样品进样器2为注射器，注射器与进样口之间连通有进样管。

本实施例在使用时，待分选的混合细胞样品在样品进样器的作用下沿进样管进入到通道层内，同时通过寻址式灭活控制器3加载正向介电电泳力，将已经进入通道层内的细胞吸入微孔结构107内。通过观察选定的目标细胞，利用计算机操作平台5计算加电逻辑顺序，并下达指令使得寻址式灭活控制器3控制向相应位置的电极施加一定幅值频率的直流脉冲信号，将除了目标位置外的细胞电机致死。在空载条件下，通过流体动力将余下的细胞(目标细胞)沿出样口收集入收集器4内。

实验例一

一、实验方法

微流控芯片制备：在已图案化的ITO电极上光刻5μm高，半径为20μm的微孔。再在圆孔附近划分出一条方形通道，在非通道区域旋涂30μm厚的PDMS，再与顶层ITO电极键合。在顶层进出口均键合一块5mm×5mm的PDMS块，便于进样；至此微流控芯片制备完毕。

实验步骤：出样口用塑料导管与压力传感器相连，在出样口施加负压，进样口的缓冲液在负压下流入通道，在通道被溶液灌通后通入样本溶液，与此同时，所有电极均通电，电压为正弦交流电压，频率为1MHz,(实验过程幅值是由小到大依次递加，直到能稳定捕获细胞，每次实验幅值不稳定，平均在15-20V)。细胞被捕获后，用缓冲液将通道冲洗干净，后停止施加负压，使得通道处于静止状态，然后选择需要灭活的细胞对应的行、列电极，对其施加脉冲信号至其穿孔被电死，脉冲信号的脉宽100μs，每个脉冲间隔为1s，单次电信号涵盖5个脉冲。

实验结果表明利用正向电泳能够实现细胞的快速捕获，且通过控制顶部电极层与底部电极层的加电，能够实现非目标细胞的定向电死杀灭，剩余目标细胞备用。细胞电死显微图如图7所示。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，其特征在于：包括样品进样器、微流控芯片、寻址式灭活控制器、收集器和计算机控制单元，所述微流控芯片包括从上到下依次设置的顶部电极层、PDMS隔离层、通道层和底部电极层，所述通道层内设置有若干微孔结构；顶部电极层、底部电极层与寻址式灭活控制器连接；寻址式灭活控制器与计算机控制单元电连接；

所述顶部电极层包括基底层和设置在基底层上的图案化ITO电极阵列；

所述底部电极层包括基底层和设置在基底层上的图案化ITO电极阵列，且底部电极层上设置有若干所述微孔结构；顶部电极层和底部电极层中图案化ITO电极阵列的连接方向为相互垂直连接；

所述通道层上设置有进样口和出样口，进样口与样品进样器连通，出样口与收集器连通；

所述微流控芯片检测系统的控制方法如下：待分选的混合细胞样品在样品进样器的作用下沿进样管进入到通道层内，同时通过寻址式灭活控制器加载正向介电电泳力，将已经进入通道层内的细胞吸入微孔结构内；通过观察选定的目标细胞，利用计算机控制单元计算加电逻辑顺序，并下达指令使得寻址式灭活控制器控制向相应位置的电极施加一定幅值频率的直流脉冲信号，将除了目标位置外的细胞电击致死；在空载条件下，通过流体动力将余下的目标细胞沿出样口收集入收集器内。

2.根据权利要求1所述的一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，其特征在于：所述图案化ITO电极阵列包括若干电极，电极的宽度为80-100μm，电极的长度为5-10mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，其特征在于：所述微孔结构的数量为300-500个，微孔的直径为20μm，微孔的高度为5μm。

4.根据权利要求3所述的一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，其特征在于：所述样品进样器为注射器。

5.根据权利要求4所述的一种用于反向灭杀的微流控芯片检测系统，其特征在于：所述计算机控制单元为计算机操作平台。