CN117683629A - 基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片及其制备方法与应用，所述微阵列芯片包括层叠设置的基底和平行阵列式电极；所述平行阵列式电极的引脚处连接有一排式导电夹；所述平行阵列式电极采用一次光刻及刻蚀制备而成。本发明提供的微阵列芯片无需组装多层结构，将传统的叉指式电极替换为平行阵列式电极，并在电极的引脚处连接一排式导电夹，避免了导线焊接引脚的繁琐工序，简化了制备流程，降低了生产成本，可针对不同细胞进行高效富集和快速分选，有利于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明属于生物芯片技术领域，涉及一种微阵列芯片，尤其涉及一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片及其制备方法与应用。
背景技术
电场感应力正成为一种新兴的微粒分离手段，其中介电电泳正是这类感应力之一。介电电泳力由非均匀电场中电场诱发形成电磁场梯度产生，同时，通过阵列电极产生的阵列力能够形成稳定状态的电场梯度。介电电泳技术利用中性微粒的介电极化产生偶极，并在非匀称电场驱动下产生定向运动而实现对生物微粒的操控，因此可以克服溶液的粘滞力和细胞重力，实现对小到纳米、大到毫米尺度颗粒的操控，适用于几乎所有尺度的细胞。同时，介电电泳对颗粒性质限制较小，该技术捕获的对象较广，包括DNA、蛋白质和乳胶微粒等生物样品，并通过利用非均匀电场实现细胞的电旋转，以区分不同的细胞种类。
介电电泳的显著研发空间归根于其可以对病毒、细菌、细胞和亚微米级生物粒子进行选择性空间操作，而且，介电电泳技术是一种无标识技术，便于操作，对细胞无伤害。近年来微流控技术也趋于成熟，已经开始替代传统的化学和生物分析所利用的大实验室，逐渐进入微型分析系统时代，即“芯片实验室(Lab on a chip，LOC)”，微流控平台在生命科学实验中的应用促进了介电电泳的使用，而介电电泳技术在微流体操控下的一个重要应用方向就是细胞操控。
CN108977343A公开了一种基于介电泳原理的用于细胞分离与捕获的微流控芯片，所述芯片包括玻璃基底、PDMS盖片、驱动电极阵列和不同的极性电极阵列，利用不同电极阵列产生的介电电泳力分选酵母菌细胞和PS微球或单细胞捕获。然而，所述芯片在细胞分析和单细胞捕获时需使用不同电极阵列，设计及制备过程较为繁琐，且无法实现活细胞与死细胞的分选。
CN107267382A公开了一种基于介电电泳的微流控芯片及其制备方法和应用，所述芯片包括底部的平面二维芯片和顶部的微流控通道，内含叉指电极、微腔阵列、微挡板等结构来实现对荧光细胞的高通量单细胞进行捕获和配对。然而，所述芯片采用的细胞需进行荧光处理，且不同荧光细胞需与不同的叉指电极配对才能单独实现捕获和配对，需摸索确定不同尺寸的叉指电极，故对叉指电极设计研究的要求较为苛刻复杂。
由此可见，目前已提出的基于介电电泳的微流控芯片技术，集细胞分选模块于一块小型芯片上，但存在需组装多层结构、制备过程繁琐，工艺复杂，不够集成一体化，同一电极无法实现即用于细胞富集又用于细胞分选等问题。
此外，人类对白血病的快速诊断与相关治疗的研究需求越来越迫切。然而，从急性白血病患者身上提取白血病细胞仍存在不少难题，如患病初期血样中白血病细胞含量低不易提取，且提取过程需保持细胞活性等。因此，如何高效提取分离白血病细胞对白血病的治疗研究至关重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片及其制备方法与应用，将传统的叉指式电极替换为平行阵列式电极，并在电极的引脚处连接一排式导电夹，避免了导线焊接引脚的繁琐工序，简化了制备流程，降低了生产成本，可针对不同细胞进行高效富集和快速分选，有利于大规模推广应用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片，所述微阵列芯片包括层叠设置的基底和平行阵列式电极。
所述平行阵列式电极的引脚处连接有一排式导电夹。
所述平行阵列式电极采用一次光刻及刻蚀制备而成。
本发明提供的微阵列芯片无需组装多层结构，将传统的叉指式电极替换为平行阵列式电极，并在电极的引脚处连接一排式导电夹，避免了导线焊接引脚的繁琐工序，同时仅通过一次光刻及刻蚀即可制得平行阵列式电极，简化了制备流程，降低了生产成本，有利于大规模推广应用。
优选地，所述基底包括硅基底。
优选地，所述平行阵列式电极的材质包括金膜或钛膜，进一步优选为金膜。
优选地，所述金膜的厚度为60-80nm，例如可以是60nm、62nm、64nm、66nm、68nm、70nm、72nm、74nm、76nm、78nm或80nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述金膜的厚度需要控制在合理范围内才能顺利进行后期的细胞操控实验。若是金膜的厚度小于60nm，通电时极易发生金膜脱落；若是金膜的厚度大于80nm，又不利于刻蚀条件的控制。
优选地，所述平行阵列式电极的单根电极宽度为10-30μm，例如可以是10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm、22μm、24μm、26μm、28μm或30μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述平行阵列式电极的相邻电极间距为10-30μm，例如可以是10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm、22μm、24μm、26μm、28μm或30μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述平行阵列式电极的单根电极宽度与相邻电极间距相一致。
优选地，所述微阵列芯片还包括薄框和盖片。
优选地，所述薄框的材质包括聚二甲基硅氧烷，即PDMS。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述微阵列芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)获取基底，并在基底的表面溅射金属层；
(2)在金属层的表面旋涂光刻胶，遮盖掩膜板后依次经过曝光和显影，得到图形化光刻胶；
(3)对未被图形化光刻胶掩盖的金属层进行湿法刻蚀，去胶后得到平行阵列式电极，在电极的引脚处连接一排式导电夹，即得到微阵列芯片。
本发明提供的制备方法由磁控溅射、光刻工艺和湿法刻蚀三大部分构成，其中的光刻工艺是以光刻胶作为主要对象，通过旋涂、曝光、显影等步骤构成的微机电加工过程，具有流程简明，制造成本低等优点；湿法刻蚀具有各向同性，可依靠结晶方向来进行选择性刻蚀，且能够有选择性地越过掩蔽层及其以下的层，可对刻蚀深度和宽度进行精确控制，具备操作简单、消耗成本低和产出量高的特点。
优选地，步骤(1)所述金属层的材质包括金或钛，进一步优选为金。
优选地，步骤(1)所述金属层的厚度为60-80nm，例如可以是60nm、62nm、64nm、66nm、68nm、70nm、72nm、74nm、76nm、78nm或80nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述掩膜板的材质包括不锈钢。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述微阵列芯片的应用，所述微阵列芯片用于细胞的富集和/或分选。
所述细胞包括白血病细胞和/或293T细胞。
本发明中，所述293T细胞属于转染腺病毒E1A基因的人肾上皮细胞系。
可选地，所述微阵列芯片用于白血病细胞的富集时，施加电压为4-6VP-P，例如可以是4VP-P、4.2VP-P、4.4VP-P、4.6VP-P、4.8VP-P、5VP-P、5.2VP-P、5.4VP-P、5.6VP-P、5.8VP-P或6VP-P，频率为600-800kHz，例如可以是600kHz、620kHz、640kHz、660kHz、680kHz、700kHz、720kHz、740kHz、760kHz、780kHz或800kHz，正弦交流信号的相位设置为0°和180°周期性循环。
可选地，所述微阵列芯片用于293T细胞的分选时，施加电压为3-5VP-P，例如可以是3VP-P、3.2VP-P、3.4VP-P、3.6VP-P、3.8VP-P、4VP-P、4.2VP-P、4.4VP-P、4.6VP-P、4.8VP-P或5VP-P，频率为600-800kHz，例如可以是600kHz、620kHz、640kHz、660kHz、680kHz、700kHz、720kHz、740kHz、760kHz、780kHz或800kHz，正弦交流信号的相位依次设置为0°、90°、180°及270°。
本发明只需改变所施加的介电电泳的电场参数，即可利用同一微阵列芯片对不同细胞进行高效富集和快速分选，无需更换不同的电极芯片。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的微阵列芯片无需组装多层结构，将传统的叉指式电极替换为平行阵列式电极，并在电极的引脚处连接一排式导电夹，避免了导线焊接引脚的繁琐工序，同时仅通过一次光刻及刻蚀即可制得平行阵列式电极，简化了制备流程，降低了生产成本，有利于大规模推广应用；
(2)本发明只需改变所施加的介电电泳的电场参数，即可利用同一微阵列芯片对不同细胞进行高效富集和快速分选，无需更换不同的电极芯片。
附图说明
图1是实施例1提供的微阵列芯片结构示意图；
图2是实施例1提供的微阵列芯片制备方法流程图；
图3是应用例1提供的Jurkat白血病细胞富集前后显微图；
图4是应用例2提供的293T细胞分选前后显微图。
其中：1-硅基底；2-平行阵列式电极。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片及其制备方法，如图1所示，所述微阵列芯片包括层叠设置的硅基底1和平行阵列式电极2；所述平行阵列式电极2的引脚处连接有一排式导电夹(图中未示出)。
具体地，所述平行阵列式电极2的材质为厚度70nm的金膜，单根电极宽度与相邻电极间距均为20μm。所述微阵列芯片还包括PDMS薄框和盖片(图中未示出)。
如图2所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)获取硅基底1，并采用金盛微纳JS4S-75G型磁控溅射镀膜机在硅基底1的表面溅射厚度为70nm的金膜，控制溅射时真空度为1.6×10-3Pa，溅射反应气体为Ar，溅射功率为250W，时间为50s，压强为3.8Pa；
(2)在金膜的表面旋涂S1805光刻胶(Microposit,Shipley European Limited,U.K)，遮盖不锈钢掩膜板后依次经过紫外曝光和显影，且显影采用CD26显影液(Microposit,Shipley European Limited,U.K)，得到图形化光刻胶；
(3)对未被图形化光刻胶掩盖的金膜进行湿法刻蚀，去胶后得到平行阵列式电极2，在电极的引脚处连接一排式导电夹，即得到微阵列芯片。
应用例1
本应用例应用实施例1提供的微阵列芯片对Jurkat白血病细胞进行富集实验，施加电压为5VP-P，频率为700kHz，正弦交流信号的相位设置为0°和180°周期性循环，得到如图3所示Jurkat白血病细胞富集前后显微图。
由图3可知：Jurkat白血病细胞属于悬浮细胞，在施加电压之前，细胞并没有被介电电泳力提升，细胞处于凌乱的分散状态(见图3a)；当对介电电泳芯片施加电压为5VP-P，频率为700kHz，且相位以0°和180°周期性循环的正弦交流信号后，Jurkat白血病细胞几乎全部被富集在电极中心位置，此时细胞正聚集在电场最弱处，说明白血病细胞正受到负向介电电泳力的作用(见图3b)。
应用例2
本应用例应用实施例1提供的微阵列芯片对293T细胞(转染腺病毒E1A基因的人肾上皮细胞系)进行分选实验，施加电压为4VP-P，频率为700kHz，正弦交流信号的相位依次设置为0°、90°、180°及270°，得到如图4所示293T细胞分选前后显微图。
由图4可知：当频率为700kHz且电压为4VP-P时，透亮圆润的活293T细胞开始受到行波介电电泳力的作用，随着正弦交流信号源的推动，活细胞沿着垂直电极阵列的方向运动，并被驱动到电极边缘，而颜色黯淡的死293T细胞不受到此介电电泳的作用，因而不被驱动，由此达到分选活死细胞的目的。其中，图4a为细胞未受力前状态，图4b为活细胞被捕获到电极边缘，从而实现了对293T细胞的活细胞与死细胞分选。
由此可见，本发明提供的微阵列芯片无需组装多层结构，将传统的叉指式电极替换为平行阵列式电极，并在电极的引脚处连接一排式导电夹，避免了导线焊接引脚的繁琐工序，同时仅通过一次光刻及刻蚀即可制得平行阵列式电极，简化了制备流程，降低了生产成本，有利于大规模推广应用。
此外，本发明只需改变所施加的介电电泳的电场参数，即可利用同一微阵列芯片对不同细胞进行高效富集和快速分选，无需更换不同的电极芯片。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种基于介电电泳进行细胞富集与分选的微阵列芯片，其特征在于，所述微阵列芯片包括层叠设置的基底和平行阵列式电极；
所述平行阵列式电极的引脚处连接有一排式导电夹；
所述平行阵列式电极采用一次光刻及刻蚀制备而成。
2.根据权利要求1所述的微阵列芯片，其特征在于，所述基底包括硅基底。
3.根据权利要求1或2所述的微阵列芯片，其特征在于，所述平行阵列式电极的材质包括金膜或钛膜，进一步优选为金膜；
优选地，所述金膜的厚度为60-80nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的微阵列芯片，其特征在于，所述平行阵列式电极的单根电极宽度为10-30μm；
优选地，所述平行阵列式电极的相邻电极间距为10-30μm；
优选地，所述平行阵列式电极的单根电极宽度与相邻电极间距相一致。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微阵列芯片，其特征在于，所述微阵列芯片还包括薄框和盖片；
优选地，所述薄框的材质包括聚二甲基硅氧烷。
6.一种如权利要求1-5任一项所述微阵列芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)获取基底，并在基底的表面溅射金属层；
(2)在金属层的表面旋涂光刻胶，遮盖掩膜板后依次经过曝光和显影，得到图形化光刻胶；
(3)对未被图形化光刻胶掩盖的金属层进行湿法刻蚀，去胶后得到平行阵列式电极，在电极的引脚处连接一排式导电夹，即得到微阵列芯片。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金属层的材质包括金或钛，进一步优选为金；
优选地，步骤(1)所述金属层的厚度为60-80nm；
优选地，步骤(2)所述掩膜板的材质包括不锈钢。
8.一种如权利要求1-5任一项所述微阵列芯片的应用，其特征在于，所述微阵列芯片用于细胞的富集和/或分选；
所述细胞包括白血病细胞和/或293T细胞。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述微阵列芯片用于白血病细胞的富集时，施加电压为4-6VP-P，频率为600-800kHz，正弦交流信号的相位设置为0°和180°周期性循环。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述微阵列芯片用于293T细胞的分选时，施加电压为3-5VP-P，频率为600-800kHz，正弦交流信号的相位依次设置为0°、90°、180°及270°。
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