CN209034379U - 一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于纳米‑微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置包括：ITO导电玻璃底片、聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片以及信号采集系统；等离子清洗后的所述PDMS微流控芯片设有通道的一面及所述ITO导电玻璃底片的氧化锡二者键合起来，够成微通道的细胞分离芯片。本实用新型在进行细胞分离时，在ITO导电玻璃上的导电电路层产生电场施加在纳米‑微米通道组合内,用以提高电场强度平方的梯度，很大程度上减少了所需电压的值，防止了电压过大造成噪音信号太大引起信噪比降低。同时，本实用新型操作方便，纳米‑微米组合通道可实现细胞的高通量分离。

Description

一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离 装置

技术领域

本实用新型涉及细胞分离技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置。

背景技术

目前，对含有多种不同种类细胞的检测样品进行高通量细胞分离，并对分离后的细胞进行处理在多个研究领域都具有极其重大的意义；例如，在海洋水况检测、基因扩增和测序研究等众多领域，对检测样品中的不同种类的细胞进行特定细胞的分离的便携式装置和方法的设计研究，一直都是行业研究的热点，对此有着迫切的需求。

在微流控研究领域对检测样品进行DEP细胞分离有交流介电泳和直流介电泳两种方式。

在直流介电泳中，电场会以焦耳热的形式产生功率损耗，相应的温度变化可能会对细胞生理状态产生负面影响。目前己知较高的温度(高于细胞生理温度4℃以上)将导致细胞迅速死亡。而在细胞内，细胞动力学过程和温度呈指数关系，所以很小的温度漂移也可能对细胞生理状态造成影响。而交流电在降低功率损耗方面具有相当的优势，这就使得交流介电泳在分离研究中较直流介电泳具有更广阔的应用。

另外，因直流介电泳分离需要很高的电压，甚至达到上百伏或上千伏，而当电压很高时，检测信号的信噪比也会随之增大，也就会给细胞分离检测带来诸多不便，降低检测效果。

对于库尔特检测原理来说，进行传统的RPS检测时，只有当细胞进入检测门时，才能产生相应的信号幅值，但是进行细胞分离检测时细胞的数量特别多，这就存在细胞将检测门堵住的情况发生，进而就会大大降低信号检测的精度。

基于微流控芯片装置对细胞进行分离时，因微量的细胞混合液中就可能具有不计其数的检测细胞，这也就给细胞的顺序分离带来大大的不便，使得高通量的细胞分离变得十分重要。

目前常用的细胞分离的方法包括以下几种：

1)差速离心：它是指在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用于分离不同大小的细胞。但由于各种细胞在大小和密度上相互重叠，而且某些慢沉降细胞常常被快沉降细胞裹到沉淀块中，就会使得检测效果大大降低。并且，它只用于初步分离大小悬殊的细胞，对于尺寸相近的细胞也难以进行高效分离。

2)密度梯度离心法：它是用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的密度梯度，将细胞混悬液置于介质的顶部，通过重力或离心力场的作用使细胞分层、分离。此方法是基于不同细胞的密度和尺寸的不同进行分离，但在超速离心的环境下，有的细胞也会被物理破坏。

3)过滤分离法：它是目前分离混合物最常用的方法，借助多孔构成的阻隔膜结构对不同尺寸的细胞进行分离。此方法操作简单，但是由于细胞的尺寸特别小，利用此方法进行细胞分离时就需要加工精度很高的多孔介质(如滤膜、滤网)，而这在物理加工上是具有精度限制的，这就使得此方法的过滤精度具有一定的局限性。另外，它也不能分离两种体积相近的细胞。

4)磁性分离法：它是一种借助外力磁场的作用对细胞进行有效分离的方法，这种方法处理效率高，运行费用相对较低，但是有时为了提高磁场梯度，必须选择高磁饱和度的聚磁介质，对聚磁介质的选择具有一定的技术困难，且增加运行的费用。

微流控芯片被喻为21世纪生命科学的支撑技术，是便携式生化分析仪器的技术核心。该技术是通过构建微尺度的通道，将生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，能够在短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息。

近几年来，随着微纳加工技术的发展，特别是软光刻技术的迅猛发展，微流控芯片技术得到了空前发展。兴起于20世纪90年代的微流控技术，通过微米级别的流道精确操控微升、毫升级别的样品。得益于其器件特征尺寸与细胞尺寸正好匹配，微流控技术在细胞分选应用方面优势巨大，近十年来得到迅猛的发展，出现了大量的原型器件。与常规分选方法相比，这些微流控器件具有消耗样品量少，有较高的分辨精度和灵敏度、易于集成及微型化等优点，且在微流控器件中可以连续实现样品注入-细胞分选-目标细胞识别的整个过程，这极大地简化了操作，并减少了细胞的损失。

最初的分离芯片结构是在芯片上加工出一条数百微米宽的主通道，并在与主通道中部并垂直于主通道的地方加工电场通道，在电场通道两端利用外接与电源相连的铂电极，产生分离场进行细胞分离。但由于电场通道与主通道交汇处的电场强度很小，常常为获得良好的分离效果，需要提供很大的电压，当细胞尺寸很小时，需要的电压也就极其的高，这是很难实现的；后来的分离芯片把电场通道与主通道的交汇处做成几微米甚至是纳米级别的电场聚焦通道，再在把进样的主通道设计成与细胞尺寸相近的结构，进行物理聚焦，这就使得电场强度在交汇处很大，进而就降低了细胞分离时所需的外部电源电压值，使低电压高通量细胞分离的微流控芯片装置成为可能。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置。

本实用新型细胞分离装置，至少包括：ITO导电玻璃底片、聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片以及信号采集系统；等离子清洗后的所述PDMS微流控芯片设有通道的一面及所述ITO导电玻璃底片的氧化锡二者键合起来，够成微通道的细胞分离芯片。

进一步的，所述ITO导电玻璃底片上镀有氧化锡导电电路层，所述导电电路层靠着长方形导电玻璃长边两侧分布有圆形的正、负电位极接线层；所述圆形正、负电位极接线层与外部高频交流电源的正负极相连接；所述正、负电位极接线层沿着竖直方向，向玻璃底片的中心延伸方向是各自连接所述导电电路层中各个细胞分离结构单元所有的正、负检测极。

进一步的，所述PDMS微流控芯片一面刻有凹的微米通道；所述微米通道在长方形PDMS微流控芯片两短边端设有进样储液孔，所述进样储液孔是在形成微米通道后，再用打孔器对准微米通道中的进样孔打出来的贯穿PDMS的通孔，用以后续进行细胞分离时添加细胞混合液；上述微流控芯片两端的储液孔间设置有样液分流的主通道；所述样液分流的主通道沿竖直方向分布多个结构相似的独立细胞分离单元；所述细胞分离单元与所述主通道相连接；所述细胞分离单元与主通道连接的一侧有70°倾斜夹角的分流进样的物理聚焦通道，物理聚焦通道的长度是是物理聚焦通道的倾斜边在竖直方向上的投影长度；

更进一步的，所述物理聚焦通道沿芯片表面向芯片外边缘延伸方向是细胞分离结构单元的二级主通道。

更进一步的，自所述二级主通道中间部分在水平方向上，垂直于二级主通道向左右两侧的外延伸方向的是电场分离通道；所述电场分离通道与二级主通道交点处设有纳米线宽的分离门；所述二级主通道在芯片竖直方向上的外边缘延伸方向设有细胞出样通道；所述出样通道末端设有细胞收集孔。

更进一步的，所述细胞分离结构单元结构均相同，相邻的两个细胞分离结构单元沿竖直方向处于对称结构。

更进一步的，所述二级主通道设有所述分离门的一端连接所述ITO导电玻璃底片上的正极导电电路层；所述分离门的另一端连接所述ITO导电玻璃底片上导电电路层的负极；在所述ITO导电玻璃底片两端正、负接线端子与外电源连接的电路中串联一参考电阻；所述信号放大元件的输出端与信号采集控制系统连接。

更进一步的，所述导电电路产生的电场施加在纳米-微米组合通道内,微米线宽与纳米线宽比值大于100，且微米线宽仅为2-5微米；所述分离门位于二级主通道的侧壁，当细胞流经纳米-微米组合通道的分离门处实现细胞分离；所述二级主通道线宽比分离细胞的尺寸大1-2微米，且每一个单独的细胞分离结构单元均与主通道成70°斜角，产生物理聚焦作用，细胞可在二级主通道上运动时通过分离门的最大电场力处；所述纳米通道和微米通道相互错开1微米。

本实用新型还包含一种细胞分离方法，至少包括以下步骤：

S1：样品滴加；在所述进样储液孔中滴加少量的PBS缓冲液使通道润湿，连通所述细胞分离单元对应的导电电路层与所述二级主通道，并在所述主通道两端进样通道储液孔中滴加一定量的细胞混合样品；

S2：样品输运；接通高频交流电源，使得所述进样通道储液孔中的混合样品在压力作用下由所述芯片进样储液主通道分流口输运至各个所述二级主通道进行细胞分离；所述主通道边缘两端的倾斜分流口形成的流场物理聚焦作用下，由主通道向分离门运动，当细胞在经过垂直二级主通道的分离门时，由于受电场力和压力的作用，继续沿直线向前运动；

S3：信号放大采集分析；通过计数通道两侧的ITO导电玻璃上的导电电路层部分，采集参考电阻两端电压的脉冲信号，采集到的信号通过参考电阻连接信号放大元件放大后，由信号采集控制系统进行记录并显示相应的检测数据。

进一步的，所述导电电路产生的电场施加在纳米-微米组合通道内,微米线宽与纳米线宽比值大于100，且微米线宽仅为2-5微米；所述分离门位于二级主通道的侧壁，当细胞流经纳米-微米组合通道的分离门处实现细胞分离；

所述二级主通道入口与主通道成70°斜角，产生物理聚焦作用；所述纳米通道和微米通道相互错开约1微米。

本实用新型的优点在于：本实用新型在进行细胞分离时，在ITO导电玻璃上的导电电路层产生电场施加在纳米-微米通道组合内,用以提高电场强度平方的梯度，很大程度上减少了所需电压的值，防止了电压过大造成噪音信号太大引起信噪比降低。同时，本实用新型操作方便，纳米-微米组合通道可实现细胞的高通量分离。

本实用新型所设计的分离门细胞分离形式，可避免细胞通过传统的检测门带来的堵塞情况发生。进一步的本实用新型采用交流电进行供电，在介电泳力作用下可准确流入不同出样通道，可防止电压过大造成细胞破坏而降低分离效果。本实用新型中ITO导电玻璃的使用可避免在微流控芯片上打孔后外接铂电极带来的调节液面电位高低的繁琐操作，简化了微流控分离检测装置的供电方式。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型装置的系统结构示意图。

图2为本实用新型装置的ITO导电玻璃电路图。

图3为本实用新型装置的微流控芯片结构示意图。

其中：W表示ITO导电玻璃；R表示PDMS微流控芯片；X、Y分别表示主通道的两个进样口；Z表示主通道；1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12均表示细胞分离单元；A、C、E、G、H、J、L、N均表示正电极，B、D、F、I、K、M均表示负电极；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n均表示细胞收集孔，其中a、c、e、g、h、j、l、n收集的细胞相同，b、d、f、i、k、m收集的细胞相同；P、Q表示ITO导电玻璃上的正负电极。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-3所示，本实用新型提供了一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置，至少包括：ITO导电玻璃底片W、聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片R以及信号采集系统。

在本实施方式中，等离子清洗后的PDMS微流控芯片设有通道的一面及ITO导电玻璃底片的氧化锡二者键合起来，够成微通道的细胞分离芯片。如图1所示，利用两根线连接ITO导电玻璃上两侧的汇集的正负端，进行信号的采集。可以理解为在其它的实施方式中，所述信号采集的方式可以按照实际需求进行设定，只要能够满足能清楚的采集导电玻璃上的信号即可。

在本实施方式中，电路层指的是镀在玻璃底片上的氧化锡电路层，用于导电，如图2所示，大写字母A-N圆孔以及连接各个圆孔的黑线都是镀有氧化锡的导电电路，正负端A--N圆孔氧化锡部分是用来给PDMS芯片上每一个单独的分离门供电的，每一个连接这样的正(负)极连接线是为了把所有的正(负)极连接在一起，引出一个接线端最终的接线端P(Q)用于连接外部交流电源的正负极。

作为优选的实施方式，ITO导电玻璃底片上镀有氧化锡导电电路层，导电电路层靠着长方形导电玻璃长边两侧分布有圆形的正、负电位极接线层；所述圆形正、负电位极接线层与外部高频交流电源的正负极相连接；正、负电位极接线层沿着竖直方向，如图2所示，从P、Q向玻璃底片中心指的方向，如正极中P到A到H(负极中Q到I到B)。向玻璃底片的中心延伸方向是各自连接所述导电电路层中各个细胞分离结构单元所有的正、负检测极。可以理解为在其它的实施方式中，连接方向可以按照实际需求进行设定。

在本实施方式中，PDMS微流控芯片一面刻有凹的微米通道；如图3所示储液孔在PDMS具有微通道的一侧有圆形的凹的微米通道，然后通过打孔器对准这个位置打了一个贯穿PDMS孔，用来向PDMS与玻璃底片键合好的微流控芯片微米通道内用移液枪加细胞样品的。微米通道在长方形PDMS微流控芯片两短边端设有进样储液孔，所述PDMS微流控芯片两端的储液孔间设置有样液分流的主通道；所述样液分流的主通道沿竖直方向分布多个结构相似的独立细胞分离单元；所述细胞分离单元与所述主通道相连接；所述细胞分离单元与主通道连接的一侧有70°倾斜夹角的分流进样的物理聚焦通道，物理聚焦通道的长度是是物理聚焦通道的倾斜边在竖直方向上的投影长度。所述物理聚焦通道沿芯片表面向芯片外边缘延伸方向是细胞分离结构单元的二级主通道；

如图3所示，作为一种实施例，设附图中字母X-Z-Y方向是水平方向，垂直于水平方向即为竖直方向，沿着竖直方向，则存在编号为1--12的12个结构相似的单元，这12个相似的结构单元就是所述的细胞分离单元。可以理解为在其它的实施方式中，所述的细胞分离单元可以按照实际的需要进行确定，只要能够满足能够分离所述细胞即可。

作为一种优选的实施方式，物理聚焦通道就是每一个独立的细胞分离单元和水平方向用于样液分离的主通道垂直连接之间一开始的有倾斜斜边的通道，这个物理聚焦通道长度就是倾斜边在竖直方向上的投影长度。继续沿着竖直方向，在物理聚焦上面的通道就是二级主通道。垂直于竖直方向上的二级主通道的、在水平方向存在的有两个缺口的通道就是电场分离通道。

如图3所示，作为一种实施例，从A到B、从B到C等以此类推，均为电场分离通道。自所述二级主通道中间部分在水平方向上，垂直于二级主通道向左右两侧的外延伸方向的为电场分离通道。所述电场分离通道与二级主通道交点处设有纳米线宽的分离门，所述二级主通道在芯片竖直方向上的外边缘延伸方向设有细胞出样通道。所述出样通道末端设有细胞收集孔。

在本实施方式中，细胞分离结构单元结构均相同，相邻的两个细胞分离结构单元沿竖直方向处于对称结构。二级主通道设有所述分离门的一端连接所述ITO导电玻璃底片上的正极导电电路层；所述分离门的另一端连接所述ITO导电玻璃底片上导电电路层的负极。在所述ITO导电玻璃底片两端正、负接线端子与外电源连接的电路中串联一参考电阻，信号放大元件的输出端与信号采集控制系统连接。

在本实施方式中，导电电路产生的电场施加在纳米-微米组合通道内,微米线宽与纳米线宽比值大于100，且微米线宽为2-5微米。分离门位于二级主通道的侧壁，当细胞流经纳米-微米组合通道的分离门处实现细胞分离。

在本实施方式中，二级主通道线宽比分离细胞大1-2微米，且每一个单独的细胞分离结构单元均与主通道成70°斜角，产生物理聚焦作用，细胞可在二级主通道上运动时通过分离门的最大电场力处；所述纳米通道和微米通道相互错开1微米。

作为一种优选的实施方式，应用装置的一种细胞分离方法，至少包括以下步骤：步骤S1：在所述进样储液孔中滴加少量的PBS缓冲液使通道润湿，连通所述细胞分离单元对应的导电电路层与所述二级主通道，并在所述主通道两端进样通道储液孔中滴加一定量的细胞混合样品。

作为优选的实施方式，步骤S2：接通高频交流电源，使得所述进样通道储液孔中的混合样品在压力作用下由所述芯片进样储液主通道分流口输运至各个所述二级主通道进行细胞分离；所述主通道边缘两端的倾斜分流口形成的流场物理聚焦作用下，由主通道向分离门运动，当细胞在经过垂直二级主通道的分离门时，由于受电场力和压力的作用，继续沿直线向前运动。

作为优选的实施方式，步骤S3：通过计数通道两侧的ITO导电玻璃上的导电电路层部分，采集参考电阻两端电压的脉冲信号，采集到的信号通过参考电阻连接信号放大元件放大后，由信号采集控制系统进行记录并显示相应的检测数据。

在本实施方式中，所述导电电路产生的电场施加在纳米-微米组合通道内,微米线宽与纳米线宽比值大于100，且微米线宽仅为2-5微米。所述分离门位于二级主通道的侧壁，当细胞流经纳米-微米组合通道的分离门处实现细胞分离；所述二级主通道入口与主通道成70°斜角，产生物理聚焦作用；所述纳米通道和微米通道相互错开约1微米。

Claims (4)

1.一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置，其特征在于，至少包括：

ITO导电玻璃底片、聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片以及信号采集系统；等离子清洗后的所述PDMS微流控芯片设有通道的一面及所述ITO导电玻璃底片的氧化锡二者键合起来，够成微通道的细胞分离芯片；

所述ITO导电玻璃底片上镀有氧化锡导电电路层，所述导电电路层靠着长方形导电玻璃长边两侧分布有圆形的正、负电位极接线层；所述圆形正、负电位极接线层与外部高频交流电源的正负极相连接；所述正、负电位极接线层沿着竖直方向，向玻璃底片的中心延伸方向是各自连接所述导电电路层中各个细胞分离结构单元所有的正、负检测极；

所述PDMS微流控芯片一面刻有凹的微米通道；

所述微米通道在长方形PDMS微流控芯片两短边端设有进样储液孔，所述PDMS微流控芯片两端的储液孔间设置有样液分流的主通道；所述样液分流的主通道沿竖直方向分布多个结构相似的独立细胞分离单元；所述细胞分离单元与所述主通道相连接；所述细胞分离单元与主通道连接的一侧有70°倾斜夹角的分流进样的物理聚焦通道，物理聚焦通道的长度是是物理聚焦通道的倾斜边在竖直方向上的投影长度；

所述物理聚焦通道沿芯片表面向芯片外边缘延伸方向是细胞分离结构单元的二级主通道；

自所述二级主通道中间部分在水平方向上，垂直于二级主通道向左右两侧的外延伸方向的为电场分离通道；所述电场分离通道与二级主通道交点处设有纳米线宽的分离门；所述二级主通道在芯片竖直方向上的外边缘延伸方向设有细胞出样通道；所述出样通道末端设有细胞收集孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置，其特征还在于：

所述细胞分离结构单元结构均相同，相邻的两个细胞分离结构单元沿竖直方向处于对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置，其特征还在于：

所述二级主通道设有所述分离门的一端连接所述ITO导电玻璃底片上的正极导电电路层；所述分离门的另一端连接所述ITO导电玻璃底片上导电电路层的负极；

在所述ITO导电玻璃底片两端正、负接线端子与外电源连接的电路中串联一参考电阻；所述信号放大元件的输出端与信号采集控制系统连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米-微米组合通道交流介电泳的高通量细胞分离装置，其特征在于：

所述导电电路产生的电场施加在纳米-微米组合通道内,微米线宽与纳米线宽比值大于100，且微米线宽为2-5微米；

所述分离门位于二级主通道的侧壁，当细胞流经纳米-微米组合通道的分离门处实现细胞分离；

所述二级主通道线宽比分离细胞大1-2微米，且每一个单独的细胞分离结构单元均与主通道成70°斜角，产生物理聚焦作用，细胞可在二级主通道上运动时通过分离门的最大电场力处；所述纳米通道和微米通道相互错开1微米。