本實(shí)用新型涉及細(xì)胞操控領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種壓力式單細(xì)胞操控裝置。

背景技術(shù)：

發(fā)展單顆粒水平上的顆粒和細(xì)胞分選技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有重要的意義，如在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物學(xué)等諸多領(lǐng)域，經(jīng)常需要從較為復(fù)雜的樣品中，分選出所需要的單個(gè)細(xì)胞，以進(jìn)行后續(xù)的科學(xué)研究。如癌癥研究中，分選獲得單個(gè)癌細(xì)胞后續(xù)進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序的關(guān)鍵前提。

目前，最為常用的單細(xì)胞分選技術(shù)是借助顯微鏡，采用手動(dòng)的方法從樣品中隔離出單個(gè)細(xì)胞。該方法費(fèi)時(shí)多、操控難度大并且容易對(duì)細(xì)胞造成傷害。以流式細(xì)胞儀為代表的細(xì)胞計(jì)數(shù)和篩選儀器，雖已實(shí)現(xiàn)集成化和自動(dòng)化，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的分選。還有其他比較常見(jiàn)的單細(xì)胞分選技術(shù)，如：

①陣列光鑷技術(shù)是運(yùn)用光鉗設(shè)備來(lái)提供聚焦激光束，從而產(chǎn)生一種吸引或排斥的力來(lái)固定或移動(dòng)微觀絕緣體。但陣列光鑷技術(shù)的穩(wěn)定性有待提高，激光器輸出光斑光強(qiáng)呈高斯分布，干涉場(chǎng)邊緣的光強(qiáng)較弱，因此陣列光鑷的有效捕獲范圍受到一定限制，位于陣列光鑷邊緣的顆粒處于不穩(wěn)定捕獲狀態(tài)，比較容易逃脫光鑷的束縛；

②介電電泳法是利用不同顆粒由于其介電特性、電導(dǎo)率、形狀大小等不同，在電場(chǎng)中受到不同介電電泳力而分離。這種方法應(yīng)用到芯片上，使得用于產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)的電極尺寸減小，表面積/體積比相應(yīng)增加，系統(tǒng)散熱能力提高。但是單純依靠介電電泳芯片中微電極結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)，只能實(shí)現(xiàn)混合樣品體系在微電極附近的原位富集分離，使得介電電泳富集分離之后的選擇性不高，從而分離之后樣品純度不高，不能用于后續(xù)進(jìn)一步研究；

③慣性升力法是給顆粒一個(gè)升力，利用細(xì)胞的大小在流體中所處的平衡位置不同而分離細(xì)胞，該方法理論上分離效率高。但是會(huì)有沉降現(xiàn)象影響結(jié)果，以及慣性效應(yīng)；

④磁場(chǎng)力技術(shù)是給微流控芯片施加一個(gè)外部磁場(chǎng)，完成對(duì)細(xì)胞的操控。利用該方法對(duì)細(xì)胞分選效率較高，但是需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行特殊的標(biāo)記，程序較繁瑣，容易破壞細(xì)胞完整度；

⑤離心力技術(shù)是通過(guò)施加離心力，根據(jù)細(xì)胞的大小對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選。適合細(xì)胞分選，但是只能使相同尺寸的多個(gè)細(xì)胞同時(shí)從旋轉(zhuǎn)中心向外單方向流動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行單個(gè)細(xì)胞捕獲。

綜上所述，上述方法均不能有效實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞全自動(dòng)操控，且現(xiàn)有裝置大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型的目的是要提供一種基于負(fù)壓作用的壓力式單細(xì)胞自動(dòng)操控裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型技術(shù)方案如下：

一種壓力式單細(xì)胞操控裝置，其包括細(xì)胞操控芯片、電磁鐵組件及單片機(jī)，所述細(xì)胞操控基片包括封裝為一體的玻璃底片與PDMS微流控芯片，其特征在于：

所述PDMS微流控芯片中間位置凹刻有一條首尾兩端分別設(shè)置有進(jìn)液孔和廢液孔的主通道；所述主通道距離進(jìn)液孔一定位置處設(shè)置有一線寬和長(zhǎng)度為目標(biāo)細(xì)胞直徑110％的檢測(cè)門(mén)，且位于檢測(cè)門(mén)前、后的部分主通道寬度一致；所述主通道位于檢測(cè)門(mén)后一定距離處連接有n條細(xì)胞分選通道，各連接處對(duì)應(yīng)的部分主通道為細(xì)胞分選區(qū)；n條所述細(xì)胞分選通道末端分別設(shè)有細(xì)胞采集孔；

所述進(jìn)液孔和廢液孔內(nèi)均插有鉑電極，其中插放于進(jìn)液孔內(nèi)的鉑電極與第一直流電源正極連接，且廢液孔內(nèi)插放的鉑電極經(jīng)單片機(jī)與第一直流電源負(fù)極連接；

同時(shí)，任意所述細(xì)胞采集孔上方均設(shè)置一電磁鐵組件，且n個(gè)所述電磁鐵組件均與所述單片機(jī)連接。

進(jìn)一步地，所述電磁鐵組件包括放置于所述PDMS薄膜上方的微型鋼珠、放置于所述微型鋼珠上方一定距離的電磁鐵以及用來(lái)夾持所述電磁鐵的支架。

進(jìn)一步地，所述單片機(jī)與繼電器封裝于同一電路板，所述電路板由第二直流電源供電。

進(jìn)一步地，所述細(xì)胞采集孔包括位于PDMS薄膜下方的封閉儲(chǔ)液空間和位于PDMS薄膜上方的開(kāi)放空間，且所述開(kāi)放空間的深度不小于所述微型鋼珠的直徑；同時(shí)所述PDMS薄膜厚度優(yōu)選為50μm。

進(jìn)一步地，作為本實(shí)用新型的優(yōu)選，所述主通道寬度優(yōu)選為200μm；所述細(xì)胞分選通道寬度優(yōu)選為50μm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：

1、本實(shí)用新型由于分選通道末端的細(xì)胞采集孔是封閉的，因此可避免使用傳統(tǒng)微流控芯片方法需要平衡各個(gè)孔的液面高度的繁瑣操作，具有操作簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)；

2、利用本實(shí)用新型進(jìn)行細(xì)胞操控的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且目標(biāo)細(xì)胞無(wú)需標(biāo)記；

3、本實(shí)用新型整個(gè)裝置體積小，可用手持方式操作使用。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型電磁鐵未通電時(shí)芯片側(cè)視圖；

圖3為本實(shí)用新型電磁鐵通電時(shí)芯片側(cè)視圖；

圖4為本實(shí)用新型電磁鐵支架俯視圖。

圖中：1、主通道，2、第一分選通道，3、第二分選通道，4、第三分選通道，5、第四分選通道，A、進(jìn)液孔，B、廢液孔，C、第一細(xì)胞采集孔，D、第二細(xì)胞采集孔，E、第三細(xì)胞采集孔，F(xiàn)、第四細(xì)胞采集孔，G檢測(cè)門(mén)。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

本實(shí)用新型公開(kāi)了一種壓力式單細(xì)胞操控裝置，下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖1所示的一種壓力式單細(xì)胞操控裝置，其包括細(xì)胞操控芯片、電磁鐵組件及單片機(jī)，所述細(xì)胞操控芯片包括封裝為一體的玻璃底片與PDMS微流控芯片，其特征在于：

所述PDMS微流控芯片中間位置凹刻有一條首尾兩端分別設(shè)置有進(jìn)液孔A和廢液孔B的主通道1；所述主通道距離進(jìn)液孔A一定位置處設(shè)置一通道線寬遠(yuǎn)小于主通道寬度的檢測(cè)門(mén)G，本實(shí)用新型優(yōu)選檢測(cè)門(mén)的線寬和長(zhǎng)度均為目標(biāo)細(xì)胞直徑的110％。且位于檢測(cè)門(mén)G前、后的部分主通道寬度一致，本實(shí)用新型優(yōu)選為200μm；所述主通道1位于檢測(cè)門(mén)G后一定距離處連接有n條細(xì)胞分選通道，本實(shí)施例中細(xì)胞分選通道數(shù)優(yōu)選為4條，各細(xì)胞分選通道的寬度優(yōu)選為50μm，連接處對(duì)應(yīng)到部分主通道為細(xì)胞分選區(qū)；4條所述細(xì)胞分選通道分別為第一分選通道2，其末端設(shè)置有第一細(xì)胞采集孔C；第二分選通道3，其末端設(shè)置有第二細(xì)胞采集孔D；第三分選通道4，其末端設(shè)置有第三細(xì)胞采集孔E；第四分選通道5，其末端設(shè)置有第四細(xì)胞采集孔F。

所述進(jìn)液孔和廢液孔內(nèi)均插有鉑電極，其中插放于進(jìn)液孔內(nèi)的鉑電極與第一直流電源正極連接，且廢液孔內(nèi)插放的鉑電極經(jīng)單片機(jī)與第一直流電源負(fù)極連接；

同時(shí)，任意所述第一細(xì)胞采集孔C、第二細(xì)胞采集孔D、第三細(xì)胞采集孔E、第四細(xì)胞采集孔F上方均設(shè)置一電磁鐵組件，且四個(gè)所述電磁鐵組件與所述單片機(jī)連接。

進(jìn)一步地，所述電磁鐵組件包括放置于所述PDMS薄膜上方的微型鋼珠、放置于所述微型鋼珠上方一定距離的電磁鐵以及用來(lái)夾持所述電磁鐵的支架，所述細(xì)胞采集孔包括位于PDMS薄膜下方的封閉儲(chǔ)液空間和位于PDMS薄膜上方的開(kāi)放空間，且所述開(kāi)放空間的深度不小于所述微型鋼珠的直徑；同時(shí)所述PDMS薄膜厚度優(yōu)選為50μm。

進(jìn)一步地，所述單片機(jī)與繼電器封裝于同一電路板，所述電路板由第二直流電源供電。本實(shí)用新型中，第一直流電源、第二直流電源均優(yōu)選為12V。

本實(shí)用新型使用時(shí)，初始狀態(tài)下，電磁鐵處于常閉狀態(tài)，此時(shí)細(xì)胞檢測(cè)孔側(cè)視圖如圖2所示

當(dāng)目標(biāo)細(xì)胞經(jīng)過(guò)檢測(cè)門(mén)G時(shí)，由于檢測(cè)門(mén)G很窄，所以會(huì)使整個(gè)通道的電阻發(fā)生變化，即由鉑電極、第一直流電源及單片機(jī)組成的電回路中電阻發(fā)生變化，此變化信號(hào)被單片機(jī)檢測(cè)到，隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電壓脈沖信號(hào)，該信號(hào)位于電磁鐵動(dòng)作最高及最低閾值之間。同時(shí)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制邏輯控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，給相應(yīng)的電磁鐵通電，通電電磁鐵吸附其對(duì)應(yīng)細(xì)胞采集孔內(nèi)PDMS薄膜上方的微鋼珠，使微型鋼珠對(duì)PDMS薄膜的壓力減小。相應(yīng)的，在所述PDMS薄膜張力的作用下，細(xì)胞采集孔內(nèi)產(chǎn)生壓力抽吸效果，從而將目標(biāo)細(xì)胞操控至相應(yīng)的分選通道，并最終進(jìn)入對(duì)應(yīng)的細(xì)胞采集孔，此時(shí)響應(yīng)細(xì)胞采集孔側(cè)視圖如圖3所示。當(dāng)下一個(gè)目標(biāo)細(xì)胞流經(jīng)檢測(cè)門(mén)G時(shí)，重復(fù)上述步驟，從而實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)分選。

本實(shí)用新型裝置的PDMS微流控芯片是和玻璃底片封接成一體的。

本裝置中的PDMS芯片包括進(jìn)液孔A、廢液孔B、第一細(xì)胞采集孔C、第二細(xì)胞采集孔D、第三細(xì)胞采集孔E、第四細(xì)胞采集孔F、檢測(cè)門(mén)G、主通道1、第一分選通道2、第二分選通道3、第三分選通道4、第四分選通道5。

采用軟光刻技術(shù)制作出所需的PDMS微流控芯片；即通過(guò)打印掩膜、使用SU-8負(fù)光刻膠，通過(guò)紫外線曝光在硅基晶片上加工出有微通道的陽(yáng)膜。然后在晶片上利用旋涂機(jī)旋涂一薄層PDMS，采用恒溫真空爐，在約80℃左右條件下加熱1h左右。然后分別在圖1中虛線圓形區(qū)域放四個(gè)直徑為2mm的鐵柱，芯片下方放置一塊永磁鐵以固定鐵柱，之后在芯片上倒PDMS，采用恒溫真空爐，在約80℃左右條件下加熱1h左右，以獲得本實(shí)施例中使用的細(xì)胞分選芯片。然后對(duì)細(xì)胞分選芯片進(jìn)行Plasma處理，并將芯片有微通道一側(cè)鍵合在載玻片表面。

全自動(dòng)細(xì)胞分選微流控芯片裝置分選細(xì)胞時(shí)的步驟如下：

1.芯片加工

1)通過(guò)打印掩膜、使用SU-8負(fù)光刻膠，通過(guò)紫外線曝光在硅基晶片上加工出有微通道(高度為25μm)的陽(yáng)膜；

2)取30gPDMS和3g固化劑，混合均勻后抽真空至無(wú)氣泡，此過(guò)程約半個(gè)小時(shí)；

3)在硅晶片上倒入約5g上述配制好的PDMS，晶片放置在旋涂機(jī)上，利用旋涂機(jī)(500r/min)旋涂形成一薄層PDMS，采用恒溫真空爐，在約80℃左右條件下加熱1h左右；

4)薄膜固化后，分別在分選通道末端的微孔上放四個(gè)直徑為2mm的鐵柱，芯片下方放置一塊永磁鐵以固定鐵柱，之后在芯片上倒約25g上述配制好的PDMS，采用恒溫真空爐，在約80℃左右條件下加熱1h左右；

5)剪下芯片，用打孔器對(duì)芯片的進(jìn)樣孔與廢液孔打孔，直徑均為4.5mm，將芯片與載玻片經(jīng)過(guò)Plasma處理2min，之后將芯片有微通道一側(cè)鍵合在載玻片表面。

2.細(xì)胞操控

1)先分別向儲(chǔ)液孔A、B中滴入25μl 1×PBS和20μl 1×PBS緩沖液，然后將10μl含有樣品的緩沖液滴入儲(chǔ)液孔A中；

2)將4粒鋼珠分別放入第一至第四細(xì)胞采集孔內(nèi)；

3)將四個(gè)電磁鐵放置在支架上，如圖4所示為磁鐵支架俯視圖，并將每個(gè)電磁鐵放置在各個(gè)細(xì)胞采集孔正上方；

4)當(dāng)樣品中的細(xì)胞通過(guò)檢測(cè)門(mén)時(shí)，單片機(jī)會(huì)檢測(cè)到細(xì)胞流經(jīng)信號(hào)，該信號(hào)比普通噪音產(chǎn)生的信號(hào)要大幾十倍，而且該信號(hào)位于電磁鐵動(dòng)作最高與最低閾值之間，單片機(jī)則會(huì)控制繼電器，使得相應(yīng)的微鋼珠上方的電磁鐵通電，吸附薄膜上方的微鋼珠而產(chǎn)生壓力抽吸效果，從而將目標(biāo)細(xì)胞操控至相應(yīng)的分選通道，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)分選。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。