本實用新型涉及的是一種生物醫(yī)學領域的檢測技術，具體是一種基于PDMS芯片的片上細胞檢測裝置及其檢測系統(tǒng)。

背景技術：

流式細胞術(Flow Cytometry)是一種對單細胞或其他生物微粒子進行快速測定并分選收集和定量分析的檢測手段。流式細胞儀作為該種檢測技術平臺，是一種現(xiàn)代化生物醫(yī)學儀器。其檢測參數(shù)可以是光散射或者熒光指標；但這之前需要制備熒光素標記抗體并對細胞進行染色，整個系統(tǒng)復雜而且儀器造價昂貴。

光流控是光學和微流控技術的結晶，因此微流體器件也被稱為光學芯片或芯片實驗室(Lab on a chip)。其微分析系統(tǒng)使用的樣品試劑量極少、分辨率和靈敏度高、成本低、分析時間短，可廣泛用于化學、生物、醫(yī)學的檢測分析以及光學和信息處理，而且液體環(huán)境對這些領域所關心的檢測對象來說非常適宜。微流體芯片技術有望將這種細胞分選技術集成于一塊芯片上，從而使系統(tǒng)微型化。微流控芯片所采用的PDMS材料，具有透明、易于加工和良好生物兼容性等優(yōu)點。因此基于PDMS的微流控芯片具有非常好的應用前景。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種基于PDMS芯片的片上細胞辨別及分選系統(tǒng)，利用光學進行細胞(或微顆粒)的探測并可實現(xiàn)兩種混合細胞(或微顆粒)溶液的分離。通過基于光纖布拉格(Bragg)光柵法布里-珀羅諧振腔(FP腔)實現(xiàn)細胞辨別，F(xiàn)P腔的諧振作用可以極大地提高針對透明細胞的辨別能力，可以免去對細胞進行染色等預處理。

本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本實用新型涉及一種基于PDMS芯片的片上細胞辨別及分選裝置，該裝置為三層結構，由上而下依次包括：具有液體微通道的芯片層、PDMS薄膜夾層和具有氣體微通道的基底層，其中：芯片層上設有火字形結構的液體微通道以及位于微通道中心的光纖Bragg光柵FP諧振腔，PDMS薄膜夾層和基底層之間設有連通的微通道氣閥，當對微通道氣閥泵入空氣時，PDMS薄膜夾層產(chǎn)生形變并閉合/打開芯片層的液體微通道。

所述的火字形結構的液體微通道包括：三個進樣口以及兩個出樣口，其中：用于輸入待分選的細胞液的第一進樣口位于用于輸入鞘液的第二和第三進樣口之間，第一進樣口、第一出樣口、第二進樣口、第二出樣口、第三進樣口之間均為連通。

所述的微通道寬度為60μm，深度為128μm。所述的微通道長度為15mm，這個長度是為了更好地將細胞液聚焦同時保持穩(wěn)定的層流。

所述的微通道氣閥優(yōu)選為兩個且分別用于進氣和出氣，該微通道氣閥設置于三入兩出的微通道的出樣口。

所述的光纖Bragg光柵FP諧振腔的光纖輸入端和輸出端分別設置于芯片層內(nèi)，具體通過兩端與第一進樣口相垂直的光纖槽實現(xiàn)，從而使得光纖的端面與微通道面平齊。

所述的光纖的纖芯直徑為9μm、外徑為125μm的單模光纖，光纖的數(shù)值孔徑為0.14；所述的Bragg光柵波長為1550nm，帶寬為0.2nm。

所述的基底層和芯片層采用但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，具體通過光刻的方法制備出帶有微通道凸結構的陽模，將PDMS中的預聚物和固化劑以質(zhì)量比為10:1配比攪拌混合，澆注于陽模模板上；然后將其置于真空泵中抽走PDMS中的空氣泡，再在60攝氏度烘箱兩個小時固化后，將固化后的聚合物從模板上剝離，便制得帶有微通道結構的聚合物。

所述的PDMS薄膜夾層的厚度為30微米，通過在厚度為30微米的液晶盒中灌注液態(tài)PDMS，將其放入烘箱2小時，固化后得到。

本實用新型涉及一種包含上述片上細胞辨別及分選裝置的檢測系統(tǒng)，包括：片上細胞辨別及分選裝置以及與之相連的注射泵、氣泵、可調(diào)諧激光器和功率探測器，其中：片上細胞辨別及分選裝置的出樣口和進樣口分別與注射泵相連，微通道氣閥端口與氣泵相連，片上細胞辨別及分選裝置的光纖Bragg光柵FP諧振腔的輸入端和輸出端分別與可調(diào)諧激光器和功率探測器相連，通過氣泵控制片上細胞辨別及分選裝置的PDMS薄膜夾層形變并實現(xiàn)閉合/打開。

所述的可調(diào)諧激光器輸出的光源為1528-1573nm波段。

技術效果

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型對使用的流體類型沒有限制而且制備工藝簡單，調(diào)諧方便。所采用的光檢測方法不僅對細胞樣品沒有損傷，而且可以避免對細胞樣本進行染色或熒光標記等預處理。芯片的微通有三個注樣口和兩個出樣口，在直通道的中間部分有一個Bragg光纖光柵組成的FP腔，末端的兩個出樣通道各有微氣閥開關，利用鞘液的包裹擠壓作用，使得待分選的細胞液聚焦經(jīng)過檢測部，同時并保證細胞(或微顆粒)是一個一個地排列開。由FP腔的透過率變化分辨通過的細胞(或微顆粒)種類，并控制出樣通道微氣閥開關實現(xiàn)分揀收集的功能。

附圖說明

圖1為本實用新型所用微流體芯片細胞辨別及分選部分示意圖；

圖中：1-1第一進樣口、1-2第二進樣口、1-3第三進樣口、1-4入射端光纖、1-5出射端光纖、1-6光纖Bragg光柵FP諧振腔、1-7微氣閥、1-8微氣閥、1-9第一出樣口、1-10第 一出樣口。

圖2為本實用新型所用微流體芯片細胞分選部分微氣閥實現(xiàn)原理圖；

圖中：a為爆炸示意圖；b、c、d依次為組裝過程示意圖；2-1芯片層，其中的微通道為液體微通道；2-2PDMS薄膜夾層；2-3基底層，其中的微通道為氣體微通道。

圖3為本實用新型整體裝置示意圖；

圖中：3-1注射泵、3-2Peek管、3-3一分二轉(zhuǎn)接頭、3-4片上細胞辨別及分選裝置、3-5可調(diào)諧激光器、3-6和3-7末端帶Bragg光柵的光纖、3-8功率探測器、3-9注射泵、3-10和3-11樣品收集器、3-12控制計算機。

圖4a為不同細胞經(jīng)過FP腔時其透射譜漂移變化示意圖；

圖4b為不同細胞依次經(jīng)過FP腔時透射強度的變化示意圖；

圖中：不同細胞種類對應的變化量不同。

具體實施方式

實施例1

如圖1和圖2所示，本實施例涉及的基于PDMS芯片的片上細胞辨別及分選裝置中，第一進樣口1-1為待分選的細胞液，第二和第三進樣口1-2和1-3為鞘液通道。截面為矩形結構的第一進樣口1-1位于第二進樣口1-2和第三進樣口1-3之間且其矩形結構的邊長從第二進樣口和第三進樣口的合并端至第一出樣口1-9和第一出樣口1-10的合并端逐漸減小。

試樣裝在注射器內(nèi)并由注冊泵注入PDMS芯片，并控制注射速度。鞘液對樣品流形成包裹擠壓作用，使得待分選的細胞液聚焦經(jīng)過檢測區(qū)，同時并保證細胞(或微顆粒)是一個一個地依次通過FP腔。

檢測區(qū)的FP腔一端的光纖1-4與可調(diào)諧激光器相連，其波長范圍為1528nm-1573nm；FP腔另一端的光纖1-5與功率探測器相連。FP腔的間距與微通道的寬度一致，為60μm。激光由光纖1-4導入并在FP腔內(nèi)諧振，當有細胞(或微顆粒)經(jīng)過FP腔時，光場受到微擾，諧振條件發(fā)生改變，透過光纖1-5的強度也發(fā)生相應變化。

FP腔內(nèi)的共振波長滿足:其中：n為細胞周圍液體的折射率，l_FP為諧振腔的腔長，n_c和l_c為細胞的有效折射率和有效尺寸，m為正整數(shù)，可變量ξ＝0代表腔內(nèi)無細胞通過的情況，ξ＝1代表腔內(nèi)有細胞通過的情況。從上述表達式可以看出，F(xiàn)P腔透光率曲線變化與腔內(nèi)有無細胞相關。

主通道末端一分為二，分別由兩個微氣閥控制微通道的開啟閉合?？刂莆忾y1-7和1-8的注射器的方向相反，如圖2中的3-9所示，并由同一個注射泵控制，這樣一個氣閥充氣的時 候另一個氣閥抽氣，可以保證微通道1-9和1-10始終是一個開啟的時候另一個閉合。

實施例2

如圖3所示，本實施例涉及的包含上述基于PDMS芯片的片上細胞辨別及分選裝置的檢測系統(tǒng)中，可調(diào)諧激光器3-5的波長為1550nm，與FP腔透射特征波長一致。光纖3-6和3-7一端的Bragg光柵相對形成一個FP腔，并在Bragg反射波長帶寬內(nèi)出現(xiàn)特征透射。功率探測器3-8檢測透過光功率的變化。所述芯片中的微通道為火字形，F(xiàn)P腔處在直通到中段偏。一是為了使前端的細胞液和鞘液形成穩(wěn)定層流，并使得細胞液中間層逐漸收窄；二是末端微氣閥開啟閉合需要響應時間。實驗分析中所用的細胞液和鞘液分別由液體注射泵3-1獨立來控制。裝有液體的注射器置于注射泵的步進電機上，注入速度分別由兩個注射泵來精確調(diào)節(jié)。注射泵的速度分別為20和10μL/min。細胞液和鞘液通過PEEK管3-2泵入微流體芯片3-4相應的進樣口。兩個微氣閥的開關由另一獨立的注射泵3-9控制，這兩個微量注射器分別相背，當液體通道需要閉合時它往芯片3-4泵入空氣，速度為30μL/min。

如圖4所示，為理論的干涉曲線。圖4a為利用自發(fā)輻射放大器(ASE)所測得的光纖Bragg光柵FP腔的透射譜。顆粒1和2分別處于FP腔內(nèi)時，透射譜會發(fā)生明顯變化，二者相差明顯，因此可以區(qū)分處于FP腔內(nèi)顆粒的種類。本實用新型所制備的可以探測到折射率差的微小變化，這在檢測癌變細胞方面也有很大的用處。當用于測量細胞折射率時，只需將3-5更換為ASE，3-8更換為光譜儀。分別記錄細胞經(jīng)過FP腔前和在FP腔內(nèi)時其透過率曲線，由其漂移量并利用公式(1)即可求出細胞的有效折射率和大小的乘積(n_c l_c)，即光程。對于癌變細胞，這個數(shù)值一般比正常細胞大。

上述具體實施可由本領域技術人員在不背離本實用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進行局部調(diào)整，本實用新型的保護范圍以權利要求書為準且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本實用新型之約束。