CN215667929U - 一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 - Google Patents
一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 Download PDFInfo
- Publication number
- CN215667929U CN215667929U CN202122027843.9U CN202122027843U CN215667929U CN 215667929 U CN215667929 U CN 215667929U CN 202122027843 U CN202122027843 U CN 202122027843U CN 215667929 U CN215667929 U CN 215667929U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- microfluidic chip
- well
- wells
- cells
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 25
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 11
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 11
- 238000000423 cell based assay Methods 0.000 claims description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 128
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 22
- 238000004720 dielectrophoresis Methods 0.000 description 18
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 16
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 16
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 16
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- 238000011160 research Methods 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000006285 cell suspension Substances 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 2
- -1 Polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 2
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 238000002032 lab-on-a-chip Methods 0.000 description 2
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010009944 Colon cancer Diseases 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 238000012742 biochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 208000029742 colonic neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 210000001608 connective tissue cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000002508 contact lithography Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000007877 drug screening Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000007920 subcutaneous administration Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- VIFIHLXNOOCGLJ-UHFFFAOYSA-N trichloro(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluorodecyl)silane Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)CC[Si](Cl)(Cl)Cl VIFIHLXNOOCGLJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本实用新型提供一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台，微流控芯片包括基底、电极层图案以及微阱阵列，所述微阱阵列包括具有宽度为第一尺寸的多个第一微阱、具有宽度为第二尺寸的多个第二微阱和具有宽度为第三尺寸的多个第三微阱，所述第一微阱位于所述微流控芯片的上游区域，所述第三微阱位于所述微流控芯片的下游区域，所述第二微阱位于所述第一微阱和第三微阱之间。本实用新型微流控芯片可以捕获不同大小的细胞，当细胞流过微流控芯片时，不同大小的细胞能够被捕获在不同大小的微阱中，实现不同细胞大小的独立分区，得到较为全面的单细胞捕获样本，为下游的细胞尺寸异质性研究提供强有力的支撑。
Description
技术领域
本实用新型涉及微纳加工和生命科学交叉的技术领域，尤其涉及一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台。
背景技术
微流控芯片，又称为芯片实验室(lab on a chip)，是一种借助微机电系统(MicroElectron Mechanical System)加工工艺制造出的实验芯片，具有在几平方厘米甚至更小的面积上对微量流体进行操控、分析的能力。微流控芯片设有多个像素单元，其具有高通量、集成化、微型化且芯片尺寸小易于携带等优势，其在医疗诊断、生化分析、司法鉴定、药物筛选、基因研究、环境监测等方面具有非常广阔的应用前景。
采用微流控技术不仅可以减少试剂或者样品的损耗，还能够缩小研究尺度。对于细胞研究，利用微流控芯片可以达到单细胞甚至是亚细胞水平的分析。短短十几年内，微流控芯片已经成为国内外最前沿的研究领域之一，特别是在与单细胞相关的研究中，微流控芯片被认为是最具发展潜力的高通量单细胞分析平台。
经过长期的研究，人们发现即使是同种细胞也存在着个体差异性，这种性质被人们称之为细胞异质性。对于群体细胞地研究我们只能得到一群细胞的平均值，往往会掩盖细胞个体之间的差异。研究细胞的异质性可以让我们更好的了解细胞，例如研究癌症细胞的异质性我们就可以针对每个癌症患者的细胞特性进行个性化治疗。
介电电泳(Dielectrophoresis，DEP)是一种基于电泳技术发展出的技术，是一种特殊的电泳，也被称作双向电泳。介电电泳指的是中性粒子在带有非匀强电场的液体中相对液体进行运动的现象。利用介电电泳，我们可以设计出不同的结构，外加高频电场使细胞在微流控芯片内定向移动。目前，对于大规模的单细胞分选存在着流式荧光细胞分选、磁珠分选、利用微结构筛选等技术。相较于前几种手段，介电电泳是一种高通量、不需要特殊标记、对细胞无接触无损伤的细胞分选方法。
现有技术利用介电电泳能够同时和/或分别捕获上千颗同种类细胞，并且根据细胞的不同大小在尺寸上进行一定分类的微流控芯片，根据细胞实验图像通过数据分析软件对芯片的效能进行分析。这种芯片可以极大地提高生物学上研究单细胞的效率，同种细胞在不同尺寸下细胞状态和生命周期往往不同，能够将同种细胞通过大小进行筛分对于下游的细胞异质性研究有着非常大的意义。
但对于细胞的研究，人们发现即使是同种类细胞，也会存在个体间的差异，即为细胞的异质性。因此，考虑细胞异质性的单细胞研究对现代细胞生物学的发展具有重要意义。高通量的单细胞操控技术在单细胞研究中扮演着重要的角色，微流控芯片是一种重要的单细胞操控的工具。
通过观察发现，即使是同种细胞在相同条件下培养，由于细胞异质性，细胞间也存在着明显的尺寸差异，这种差异性在一定程度上会影响到单细胞研究。如图1所示，同一批次培养的细胞(以LWnt3A(小鼠皮下结缔组织细胞)细胞为例)在微流控芯片上也有着肉眼可见的尺寸差异，这种尺寸异质性会导致单细胞分析的误差。
在图1所示的中随机选取100个细胞，对他们进行直径分析，
我们在图1所示的这块芯片上随机选取了100个细胞，统计他们的直径，直径分布如图2所示。
现有基于介电电泳捕获细胞的微流控芯片，仅能抓取直径较大或较小的细胞，这样造成细胞样品缺乏完整性，故有必要设计一种新型的微流控芯片。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可以捕获不同大小细胞且提高完整性的微流控芯片以及微流控细胞实验平台。
本实用新型提供一种微流控芯片，其包括基底、位于所述基底上的电极层图案以及位于所述电极层图案上的微阱阵列，所述微阱阵列包括具有宽度为第一尺寸的多个第一微阱、具有宽度为第二尺寸的多个第二微阱和具有宽度为第三尺寸的多个第三微阱，所述第一微阱位于所述微流控芯片的上游区域，所述第三微阱位于所述微流控芯片的上下游区域，所述第二微阱位于所述第一微阱和第三微阱之间；第一尺寸小于第二尺寸，第二尺寸小于第三尺寸。
在优选的实施例中，所述第一微阱、第二微阱和第三微阱由左向右排列设置。
在优选的实施例中，所述微流控芯片设有位于所述基底上的多个像素单元，所述电极层图案包括位于每个像素单元内且相对设置的第一插指电极和第二插指电极，所述第一微阱、第二微阱和第三微阱均位于相对设置的第一插指电极和第二插指电极之间且位于所述第一插指电极和第二插指电极的上方。
在优选的实施例中，所述电极层图案还包括位于外周的连接电极，所述第一插指电极和第二插指电极均与所述连接电极连接。
在优选的实施例中，还包括位于两端的缓冲区域，所述缓冲区域与所述电极层图案间隔或者相邻设置，所述缓冲区域位于所述第一微阱的外侧和第三微阱的外侧。
在优选的实施例中，所述微流控芯片还包括封装层，至少部分第一插指电极和至少部分第二插指电极由所述封装层覆盖，相邻两个封装层之间限定对应的微阱的尺寸。
在优选的实施例中，所述第一尺寸为8um至12um，所述第二尺寸为13um至17um，所述第三尺寸为18um至22um。
在优选的实施例中，所述微流控芯片由一夹具固定。
本实用新型还提供一种微流控细胞实验平台，由微流控芯片所搭建的，其包括荧光宏观变焦的显微镜、显示屏、用于注射细胞进入微流控芯片内的注射泵和信号发生器，所述显微镜、显示屏、注射泵和信号发生器均与微流控芯片连接；由所述注射泵注射进入所述微流控芯片的上游区域的细胞具有不同粒径；所述微流控芯片具有捕获对应粒径细胞的多个第一微阱、捕获对应粒径细胞的多个第二微阱和捕获对应粒径细胞的多个第三微阱；所述第一微阱的宽度为第一尺寸，所述第二微阱的宽度为第二尺寸，所述第三微阱的宽度为第三尺寸，所述第一微阱位于所述微流控芯片的上游区域，所述第三微阱位于所述微流控芯片的下游区域，所述第二微阱位于所述第一微阱和第三微阱之间；第一尺寸小于第二尺寸，第二尺寸小于第三尺寸。
在优选的实施例中，所述第一微阱、第二微阱和第三微阱由左向右排列设置。
本实用新型微流控芯片可以捕获不同大小的细胞，当细胞流过微流控芯片时，不同大小的细胞能够被捕获在不同大小的微阱中，实现不同细胞大小的独立分区，得到较为全面的单细胞捕获样本，为下游的细胞尺寸异质性研究提供强有力的支撑，在一定程度上消除尺寸差异带来的影响，从而提高微流控芯片的完整性。
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作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有LWnt3A细胞为例在微流控芯片下的结构示意图；
图2是从图1所示的细胞中选择100个细胞统计其直径的分布图；
图3是本实用新型的实施例的微流控芯片的示意图；
图4本实用新型的实施例的微流控芯片的内部结构示意图；
图5是本实用新型的实施例的微流控芯片的俯视图；
图6是本实用新型的实施例的微流控芯片的电极层图案的制造过程示意图；
图7是本实用新型的实施例的微流控芯片的微阱阵列的制造过程示意图；
图8是本实用新型的实施例的微流控微流控细胞实验平台；
图9至图11是本实用新型的实施例的细胞进入微流控芯片的过程示意图；
图12是本实用新型的实施例的微流控芯片的每个区域的微阱对细胞捕获率的统计图；
图13是本实用新型的实施例的微流控芯片的第二微阱和第三微阱捕获的细胞进行细胞费雷特直径分布的示意图；
图14是本实用新型的实施例的微流控芯片的第二微阱和第三微阱捕获的细胞进行细胞荧光光斑面积分布的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本实用新型公开一种微流控芯片，如图3和图4所示，其包括位于底层的基底10、位于基底10上的电极层图案2、微阱阵列3以及PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷，有机硅)封装层40，基底10为透明的玻璃基底。
如图4所示为本实用新型微流控芯片的俯视图，所述微流控芯片设有位于所述基底10上的多个像素单元，电极层图案2为ITO电极，其包括位于外周的连接电极21、位于每个像素单元内且相对设置的第一插指电极22和第二插指电极23，第一插指电极22和第二插指电极23均与连接电极21连接。
微阱阵列3包括具有宽度为第一尺寸L1的多个第一微阱31、具有宽度为第二尺寸L2的多个第二微阱32和具有宽度为第三尺寸L3的多个第三微阱33，第一微阱31、第二微阱32和第三微阱33由左向右依序设置，第一尺寸L1小于第二尺寸L2，第二尺寸L2小于第三尺寸L3。
实际上，多个第一微阱31位于微流控芯片的最左边且位于微流控芯片的上游区域，多个第三微阱33位于微流控芯片的最右边且位于微流控芯片的下游区域，多个第二微阱32位于多个第一微阱31和多个第三微阱33之间。
第一尺寸为8um至12um(最好为10um)，第二尺寸为13um至17um(最好为15um)，第三尺寸为18um至22um(最好为20um)。
第一微阱31、第二微阱32和第三微阱33均位于相对设置的第一插指电极22和第二插指电极23之间且位于第一插指电极22和第二插指电极23的上方。
PDMS材料具有良好的生物相容性且易于观察，第一微阱31的上方、第二微阱32的上方和第三微阱33的上方由PDMS封装层40进行流道的封装，实际上，至少部分第一插指电极22和至少部分第二插指电极23由封装层40覆盖，相邻两个封装层40之间限定对应的微阱的尺寸。
微流控芯片还包括位于两端的缓冲区域50，缓冲区域50与电极层图案2间隔或者相邻设置，本实施例中，缓冲区域50与电极层图案2沿取样流速方向相邻设置，但是本专利中所述的间隔或者相邻设置并不要求缓冲区域50一定要与电极层图案2沿某一方向设置，其他实施例中，也可以对电极层图案2和缓冲区域50采取其他方向的相对位置关系，只要电极层图案2与缓冲区域50互相不重叠(即缓冲区域50内没有设置电极层图案2)，且使得缓冲区域能够实现流速前缓冲即可，此外，本实施例中缓冲区域50位于第一微阱31的外侧和第三微阱33的外侧，以保证进样流速稳定。
如图6和图7所示，本实用新型微流控芯片的制造工艺流程如下：
第一步：如图6中(a)部分所示，在基底10上沉积ITO电极层20，然后对具有ITO电极层20的基底10进行清洗，确保ITO电极层20表面保持洁净和具有一定的黏附力；
清洗的具体方法为：将方阻为20Ω的具有ITO电极层20的基底10放置在清洗架中，浸泡在比例为1∶1∶6的双氧水、氨水和去离子水的混合液中，70℃水浴加热40分钟后取出；取出后用水枪喷淋ITO电极层20的表面，氮气吹干水分后放入硅片盒保存。
ITO电极层20的表面清洗的目的是为了去除ITO电极层20的表面上的各种颗粒和杂质，并且增加一定的表面能，以确保后续旋涂光刻胶成膜平整、黏附力足够。
第二步：清洗完成后，ITO电极层20的表面进行紫外(Ultraviolet，UV)照射30分钟，除去ITO电极层20表面上的杂质悬挂键，同时进一步增加ITO电极层20的表面能，以便光刻胶有足够的黏附力黏附在ITO电极层20的表面上；
第三步：如图6中(b)至(d)部分所示，在ITO电极层20上旋涂正性光刻胶200，制造出一定高度电极状的光刻胶图案作为湿法刻蚀保护层；
在旋涂正性光刻胶200之前，首先将具有ITO电极层20的基底10在180℃的热板上烘烤20分钟以去除ITO电极层20表面残留的水分，然后以表1的旋转参数在旋涂机内旋涂正性光刻胶200。
表1正性光刻胶的旋涂参数
第四步：如图6中(c)部分至图(f)所示，第三步形成的图案和掩膜版300一起放入光刻机(图未示)进行曝光，形成电极层图案；
旋涂完成后，首先在热板上对ITO电极层20进行95℃，2分钟的前烘；然后将ITO电极层20固定在对准片(图未示)上，如图5中(c)和(d)部分所示，ITO电极层20和掩模版300一起放入光刻机内并调整到固定位置进行曝光，曝光剂量为40mJ/cm2；如图5中(e)和(f)部分所示，曝光结束后，放入适量显影液中显影30秒并去掉正性光刻胶200，然后用去离子水洗净，氮气吹干；最后放在150℃的热板上加热2分钟坚膜，形成电极层图案，电极层图案2具体包括位于外周的连接电极21、位于每个像素单元内且相对设置的第一插指电极22和第二插指电极23，第一插指电极22和第二插指电极23均与连接电极21连接(如图4和图5所示)；
具体地，形成电极层图案后，利用ITO刻蚀液进行湿法刻蚀，目的是将没有光刻胶保护区域的ITO电极层20刻蚀干净，留下所需要的电极层图案(如多对集成插指电极)。具体通过丙酮洗取出光刻胶，得到电极层图案，具体方法为：首先将ITO刻蚀液水浴加热到35℃后，电极层图案放入ITO刻蚀液中刻蚀150s，最好迅速转移到装有去离子水的烧杯中稀释刻蚀液，最后水洗吹干保存。
第五步：如图7中(b)部分所示，在电极层图案上利用硬接触光刻工艺进行旋涂第一负性光刻胶400，如图5中(d)部分所示，制造出不同大小的微阱阵列3，微阱阵列3包括具有宽度为第一尺寸的多个第一微阱31、具有宽度为第二尺寸的多个第二微阱32和具有宽度为第三尺寸的多个第三微阱33，第一微阱31、第二微阱32和第三微阱33由左向右依序设置，第一尺寸小于第二尺寸，第二尺寸小于第三尺寸(如图4所示)；
具体地，首先，按照表2将第一负性光刻胶400旋涂在电极层图案上，然后在95℃的热板上进行5分钟的前烘，前烘后需静置20分钟使第一负性光刻胶400完全晾干，由于微阱阵列3的曝光窗口比较小，为了防止紫外光在透明基底10内反射造成不必要的过曝，故需要在基底10的背面黏贴了一层黑色的墙纸(图未示)进行吸光；如图7中(c)部分所示，接着将带有不同大小的圆的结构的掩模版500和带有第一负性光刻胶400的电极层图案先后放入光刻机中，利用掩模版500和电极层图案上的对准标记进行对准，而后进行硬接触式的曝光，曝光剂量为150mJ/cm2；当紫外光照射到无遮挡的第一负性光刻胶400上时，第一负性光刻胶400会产生酸使高分子交联，可以在显影液中留下；曝光结束后放在95℃的热板上2分钟进行后烘，然后静置降温至室温。降温结束后进行显影，具体是将样品浸泡在显影液中，期间需要均匀摇晃容器使显影液流动，60s后取出后用异丙醇定影后用氮气吹干样品；最后，在150℃的热板上进行2分钟的加热坚膜，使第一负性光刻胶400完全定形且保持稳定。
表2第一负性光刻胶的旋涂参数
第五步完成后，将微流控芯片放置在光学显微镜下观察，观察微阱是否均匀分布在第一插指电极22和第二插指电极23之间，并测量微阱的孔径是否符合的预期。
第六步：PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷，有机硅)材料形成封装层40进行封装，以形成密闭空间供流体通入。
具体地，首先，将硅片用丙酮、异丙醇、水三种溶液先后超声2min，然后进行紫外照射30分钟、180°烘烤和20分钟以保证光刻胶和电极层图案之间的黏附力足够；待硅片恢复室温后按照表3将第二负性光刻胶(图未示)旋涂在硅片上，然后在65℃的热板上烘烤3分钟和30秒，接着在95℃热班上烘烤9分钟和30秒；前烘后需要静置30分钟使第二负性光刻胶600完全晾干，利用镀铬掩模版进行紫外硬接触式曝光，曝光剂量为190mJ/cm2；曝光完成后品进行后烘，先在65℃的热板上烘烤1分钟和30秒，接着在95℃热板上烘烤6分钟和30秒，后烘完成后，静置至常温；然后在显影液中显影7分钟，接着用异丙醇冲洗并吹干；最后，将显影完成的模板在150℃的热板上坚膜10分钟完成光刻制造步骤，然后进行镀膜处理，防止PDMS封装层40固化期间和模板粘连，从而得到用于PDMS浇铸的模板。
表3第二负性光刻胶旋涂参数
其中镀膜指的是将硅烷(具体为1H，1H，2H，2H-全氟癸基三氯硅烷)蒸镀到样品表面，使硅材料的最外层有氟保护，防止硅材料与本身是硅基的PDMS发生键合无法脱模。
以10：1的质量比混合PDMS及其固化剂并搅拌5分钟使其充分混合，接着放入真空泵内进行抽真空以除去混合液中的气泡；待气泡完全去除以后将制备好的PDMS浇铸进放有带沟道结构的软光刻模具，在65℃的烘箱内烘烤3小时后PDMS凝固后取出进行脱模、切割至合适大小，而后给液体入口和出口处打孔并连接导管。
把处理好的PDMS封装层40放在微流控芯片上，在等离子体清洗器内对其进行1min的氧气等离子体(02Plasma)键合，便完成了微流控芯片的封装。通过上述步骤形成微流控芯片。
封装完成后，用导电胶带粘贴电极，以便信号发生器夹住施加信号，最后将微流控芯片由夹具(图未示)固定。
如图8所示为微流控细胞实验平台，该微流控细胞实验平台由微流控芯片所搭建的，实验选用人类结肠癌细胞系中的SW480细胞进行细胞实验，以此来验证微流控芯片(由夹具固定)的作用。在实验中，微流控实验平台包括荧光宏观变焦的显微镜11、显示屏12、用于注射细胞进入微流控芯片内的注射泵13和信号发生器14，显微镜11、显示屏12、注射泵13和信号发生器14均与微流控芯片连接。
首先将所选细胞进行自主培养并荧光染色，然后将细胞悬液匀速通入微流控芯片中，施加高频交流信号进行细胞捕获并拍摄荧光场和自然光场照片作为记录用于后续分析，其中施加高频交流信号连接在相对的第一插指电极22和第二插指电极23之间。
介电电泳(DEP)是一种非均匀电场中介电粒子被极化从而受力产生的定向移动的现象。
由于细胞内含有大量的有机分子和无机盐离子，在非均匀电场中很容易被极化，当细胞处于非均匀电场中，感应偶极子无法相互抵消，产生介电电泳力(DEP Force)。介电电泳力会驱使细胞向特定方向移动。同时，利用介电电泳力抓取细胞具有无标签、损伤小、高效、高通量等优点。
在交变的电场中，介电电泳力的大小可以表示为：
其中，r为细胞半径，
为拉普拉斯算符，Erms是电场的均方根值，Re[fCM]是CM因子(Clausius-Mossotti factor，CM factor)的实部，CM因子的表达式为：
其中，ε* p和ε* m分别表示粒子和介质的复介电常数，复介电常数得的定义是：
其中，i为虚数单位，ε是相对介电常数，σ是电导率，ω是施加电场的角频率。
从以上三个式子中可以看出，Re[fCM]表示粒子的极性，也决定粒子所受的介电电泳力的极性：当其值为正时，粒子受到正介电电泳力(pDEP)；当其值为负，粒子受到负介电电泳力(nDEP)。此外，介电电泳力的大小也与施加电场的角频率、粒子和介质各自的介电常数有一定的关系。
由于介电电泳力的大小和粒子的直径正相关，在微流控芯片的介电电泳中，尺寸越大的细胞越容易被捕获。
利用这个现象，本实用新型是基于正向介电电泳(pDEP)且可以根据细胞直径的异质性分选同种细胞的微流控芯片。
当微流控芯片对指定细胞进行检验时，细胞由微流控芯片的上游区域的入口进入，由微流控芯片的下游区域的出口离开微流控芯片。
微流控芯片的上游区域内的微阱尺寸小，根据下文公式(1)可知，介电电泳力的大小与细胞粒径正相关，大细胞和小细胞同时流经微流控芯片的上游区域时，大细胞受到的介电电泳力大于小细胞，会优先被捕获，但由于上游区域的微阱尺寸与大细胞不匹配，大细胞无法被微阱稳定捕获，会继续随着液体向后流动，被尺寸匹配的微阱捕获，而小细胞在上游区域被电场吸引后能够在这个期间被上游区域的尺寸小的微阱捕获。依据这个原理，上游区域的较小的微阱仅可捕获并容纳粒径较小的细胞，下游区域的较大的微阱捕获的细胞多为上游捕获失败的、粒径较大的细胞。
如图9所示，细胞悬液由注射泵13经入口进入微流控芯片的上游区域，细胞具有不同的粒径，第一微阱31、第二微阱32和第三微阱33分别捕获对应粒径的细胞；如图10所示，匀速通入细胞悬液后通过信号发生器14在第一插指电极22和第二插指电极22之间产生的高频交流电，粒径较大的细胞会受到更大的正向介电电泳力首先被抓取，由于微流控芯片的上游区域内的第一微阱31的尺寸较小，外径较大的大细胞无法被第一微阱31稳定捕获，如图11所示，会继续随着液体向微流控芯片的下游区域方向流动，直至被尺寸匹配的微阱捕获，小细胞能够在这个期间被上游区域的尺寸较小的微阱捕获。
用SW480细胞在微流控细胞实验平台上进行细胞捕获实验，得到荧光场下细胞分布图(图未示)，对每个区域的微阱随机选取了20*30个微阱进行细胞捕获率的统计，统计结果如图12所示，具体地，细胞在尺寸为L1的第一微阱31区中有25个点位捕获到了细胞，在尺寸为L2的第二微阱32区中有494个点位捕获到了细胞，在尺寸为L3的第三微阱33区有578个点位捕获到了细胞，从统计结果来看微流控芯片的不同微阱在抓取细胞数量上有着不同的捕获率。
由于尺寸为L1的第一微阱21内捕获细胞样本少，故仅对细胞荧光场下尺寸为L2的第二微阱32和尺寸为L3的第三微阱33的细胞照片进行了粒径分析，得到了细胞费雷特直径分布(如图13所示)和细胞荧光光斑面积分布(如图14所示)。从数据中可以看到尺寸为L2的第二微阱32所捕获的细胞粒径约18.94um，面积约为234.5um2；尺寸为L3的第三微阱33所获得细胞粒径约为16.74um，面积约为188.1um2，从数据可以看出两种微阱所捕获的细胞尺寸具有差异性，验证了微流控芯片可以在小尺寸微阱区捕获到较小细胞，大尺寸微阱区捕获到较大细胞的作用。
本实用新型微流控芯片可以捕获不同大小的细胞，当细胞流过微流控芯片时，不同大小的细胞能够被捕获在不同大小的微阱中，实现不同细胞大小的独立分区，得到较为全面的单细胞捕获样本，为下游的细胞尺寸异质性研究提供强有力的支撑，在一定程度上消除尺寸差异带来的影响，从而提高微流控芯片的完整性。
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种微流控芯片，其包括基底(10)、位于所述基底(10)上的电极层图案(1)以及位于所述电极层图案(1)上的微阱阵列(3)，其特征在于：
所述微阱阵列(3)包括具有宽度为第一尺寸(L1)的多个第一微阱(31)、具有宽度为第二尺寸(L2)的多个第二微阱(32)和具有宽度为第三尺寸(L3)的多个第三微阱(33)，所述第一微阱(21)位于所述微流控芯片的上游区域，所述第三微阱(33)位于所述微流控芯片的下游区域，所述第二微阱(32)位于所述第一微阱(31)和第三微阱(33)之间；第一尺寸(L1)小于第二尺寸(L2)，第二尺寸(L3)小于第三尺寸(L3)。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一微阱(31)、第二微阱(32)和第三微阱(33)由左向右排列设置。
3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片设有位于所述基底(10)上的多个像素单元，所述电极层图案(1)包括位于每个像素单元内且相对设置的第一插指电极(22)和第二插指电极(23)，所述第一微阱(31)、第二微阱(32)和第三微阱(33)均位于相对设置的第一插指电极(22)和第二插指电极(23)之间且位于所述第一插指电极(22)和第二插指电极(23)的上方。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于：所述电极层图案(1)还包括位于外周的连接电极(21)，所述第一插指电极(22)和第二插指电极(23)均与所述连接电极(21)连接。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：还包括位于两端的缓冲区域(50)，所述缓冲区域(50)与所述电极层图案(2)间隔或者相邻设置，所述缓冲区域(50)位于所述第一微阱(31)的外侧和第三微阱(33)的外侧。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片还包括封装层，至少部分第一插指电极(22)和至少部分第二插指电极(23)由所述封装层(40)覆盖，相邻两个封装层(40)之间限定对应的微阱的尺寸。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述第一尺寸(L1)为8um至12um，所述第二尺寸(L2)为13um至17um，所述第三尺寸(L3)为18um至22um。
8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片由一夹具固定。
9.一种微流控细胞实验平台，由微流控芯片所搭建的，其特征在于，其包括荧光宏观变焦的显微镜(11)、显示屏(12)、用于注射细胞进入微流控芯片内的注射泵(13)和信号发生器(14)，所述显微镜(11)、显示屏(12)、注射泵(13)和信号发生器(14)均与微流控芯片连接；由所述注射泵(13)注射进入所述微流控芯片的上游区域的细胞具有不同粒径；所述微流控芯片具有捕获对应粒径细胞的多个第一微阱(31)、捕获对应粒径细胞的多个第二微阱(32)和捕获对应粒径细胞的多个第三微阱(33)；所述第一微阱(31)的宽度为第一尺寸(L1)，所述第二微阱(32)的宽度为第二尺寸(L2)，所述第三微阱(33)的宽度为第三尺寸(L3)，所述第一微阱(31)位于所述微流控芯片的上游区域，所述第三微阱(33)位于所述微流控芯片的上下游区域，所述第二微阱(32)位于所述第一微阱(21)和第三微阱(33)之间；第一尺寸(L1)小于第二尺寸(L2)，第二尺寸(L3)小于第三尺寸(L3)。
10.根据权利要求9所述的微流控细胞实验平台，其特征在于，所述第一微阱(31)、第二微阱(32)和第三微阱(33)由左向右排列设置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122027843.9U CN215667929U (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202122027843.9U CN215667929U (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN215667929U true CN215667929U (zh) | 2022-01-28 |
Family
ID=79956243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202122027843.9U Active CN215667929U (zh) | 2021-08-26 | 2021-08-26 | 一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN215667929U (zh) |
-
2021
- 2021-08-26 CN CN202122027843.9U patent/CN215667929U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106399091B (zh) | 基于旋转电场诱导的感应电荷电渗的细胞捕捉芯片 | |
| CN108977343B (zh) | 基于介电泳原理的用于细胞分离与捕获的微流控芯片 | |
| CN108728328B (zh) | 集成单细胞捕获的微流控细胞分选芯片 | |
| Wu et al. | A planar dielectrophoresis-based chip for high-throughput cell pairing | |
| JP2003107099A (ja) | 微粒子分別マイクロチップと微粒子分別装置 | |
| WO2007070592A2 (en) | Three dimensional dielectrophorectic separator and methods of use | |
| CN110823787B (zh) | 双t形结构高通量检测膜电容、质电导率的装置及方法 | |
| CN110354925B (zh) | 一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片及其制备方法 | |
| CN113333042B (zh) | 一种用于核酸检测的微流控芯片及其制作方法 | |
| CN109894163A (zh) | 一种高通量、高内涵药物筛选微流控芯片及其制备方法 | |
| CN215667929U (zh) | 一种微流控芯片以及微流控细胞实验平台 | |
| CN114774275A (zh) | 基于旋转电场下双极性电极的三维细胞球生成芯片及应用 | |
| CN112986546B (zh) | 一种用于监测三维基质中群体细胞侵袭的阻抗传感方法 | |
| CN107754870B (zh) | 三维微流控芯片、其制备方法及其应用 | |
| CN113996360B (zh) | 捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片及其制备方法 | |
| CN108529555B (zh) | 一种与循环肿瘤细胞尺寸匹配的微纳复合结构表面、制备方法及其应用 | |
| Kwak et al. | Dielectrophoretic corral trap device for single bioparticle immobilization | |
| CN217324123U (zh) | 一种细胞捕获及配对微流控封装芯片 | |
| CN211216724U (zh) | 一种包含可形变液态金属电极的微流控芯片 | |
| CN114891628A (zh) | 一种细胞捕获及配对微流控芯片 | |
| CN111855766B (zh) | 一种细胞多参数检测微纳传感器及其制作方法 | |
| CN113101989A (zh) | 一种细胞捕获与拉伸一体式的阵列化微流控芯片 | |
| CN113447470A (zh) | 一种表面增强拉曼散射基底、检测芯片及制备方法 | |
| CN217638837U (zh) | 一种测试介电泳力的装置 | |
| CN113322156B (zh) | 一种模拟输卵管微环境的仿生微流控芯片及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |