連續(xù)的整體芯片三維dep細胞分選器及相關制造方法
【專利摘要】一種三維PDMS細胞分選器，該三維PDMS細胞分選器具有在PDMS層中的多個通路，所述多個通路在DEP分離區(qū)域中遵循相同路徑并在該區(qū)域中彼此流體連通。各通路在橫向于通路內(nèi)流動方向的寬度上可以不同。在PDMS層之間可以夾有平坦板。每個板可具有平坦電極，該平坦電極用于在通路內(nèi)流動的樣品流體內(nèi)產(chǎn)生DEP場。該DEP場可將目標細胞或顆粒集中在DEP分離區(qū)域內(nèi)的通路之一內(nèi)。各通路可以在DEP分離區(qū)域之后岔開，留下具有高度集中的目標細胞或顆粒的一個通路。還提供了這種結構以及其它微流控結構的制造技術。
【專利說明】連續(xù)的整體芯片三維DEP細胞分選器及相關制造方法
[0001] 相關申請交叉引用
[0002] 本申請根據(jù)35U. S. C. § 119(e)要求2012年3月27日提交的題為"CONTINUOUS WHOLE-CHIP 3-DMENSI0NAL DEP CELL SORTER AND ITS FABRICATION" 的美國臨時專 利申請第61/616, 385號和2013年3月15日提交的題為"CONTINUOUS WHOLE-CHIP 3-DMENSI0NAL DEP CELL SORTER AND RELATED FABRICATION METHOD"的美國臨時專利申 請第61/799, 451號的權益，兩者的全部內(nèi)容以引用的方式納入本文。
[0003] 政府許可權
[0004] 本發(fā)明在由自然科學基金授予的批準號為第0901154號的美國政府支持下進行。 美國政府在該發(fā)明中享有一定權利。

【背景技術】
[0005] 微流控裝置對不同流體夾帶樣品進行小規(guī)模的流體操控具有一個成本-效益機 制。例如，一些微流控裝置可用來對流體樣品中所含有的細胞進行輸送、分選和分析。
[0006] 多層軟光刻（MSL)是迄今為止使用最廣泛的用于制造微流控裝置的方法。已有多 種裝置用來提供通用的微流控功能，包括液體輸送、混合和計量，這些裝置從簡單的單層聚 二甲基硅氧烷（PDMS)通道，到具有氣動控制泵和閥的多層結構。已有以微流控多路復用器 的形式實現(xiàn)了微流控大規(guī)模集成（MLSI)，例如芯片實驗室裝置，從而對用于進行復雜的多 步驟生化分析的數(shù)以千計的閥門和數(shù)百個腔室進行單獨尋址。到目前為止，大部分的多層 PDMS裝置被證明是不是真正的三維微流控裝置。雖然多層二維微流控網(wǎng)絡可堆疊，但是由 于難以高產(chǎn)率地制造用于不同層流體性連接的高精度穿層孔，因此通常不存在層間流體的 連通。如果沒有穿層孔，則對于大型三維微流控網(wǎng)絡而言，液體的輸送和界面交互就成了復 雜的問題。
[0007] 微流控裝置可提供的一個功能是細胞或顆粒分選。例如，流體樣品可具有夾帶在 其中的各種不同類型的細胞或顆粒，且其可能需要將特定類型的細胞或顆粒從總體樣品分 離或集中。介電電泳（DEP)是用來分選細胞或顆粒的最常用的機制。DEP是指由于顆粒的 感應電偶極與所施加的電場之間的相互作用而引起的沿電場梯度的感應顆粒運動。作用于 懸浮在介質中的球形顆粒、FDEP的DEP力可表示為：
[0008]

【權利要求】
1. 一種三維介電電泳（DEP)分選裝置，該裝置包括： 第一電極； 第二電極；以及 電絕緣層，所述電絕緣層夾在所述第一電極與所述第二電極之間，其中： 所述電絕緣層包括分離通路，所述分離通路的壁部分地由所述第一電極和所述第二電 極界定， 所述電絕緣層包括收集通路，所述收集通路在橫截面厚度上小于所述分離通路并位于 所述第一電極與所述第二電極之間的電極間位置， 所述分離通路形狀做成產(chǎn)生電磁場，所述電磁場導致介電電泳作用將響應的細胞或顆 粒抽至所述第一電極與所述第二電極之間的位置，該位置實質上與所述收集通路的電極間 位置相對應，以及 所述收集通路和所述分離通路構造成使得被抽至所述分離通路中的在所述第一電極 與所述第二電極之間的電極間位置的細胞或顆粒隨后流入所述收集通路。
2. -種三維介電電泳（DEP)分選裝置，該裝置包括： 第一電極； 第二電極；以及 電絕緣層，所述電絕緣層夾在所述第一電極與所述第二電極之間，其中： 所述電絕緣層包括： 流體流動通路，所述流體流動通路具有部分地由所述第一電極和所述第二電極限定的 橫截面； 第一側通路，所述第一側通路平行于所述裝置的DEP分離區(qū)域內(nèi)的流體流動通路并通 過第一可變形薄壁與所述流體流動通路分隔； 第二側通路，所述第二側通路平行于所述DEP分離區(qū)域內(nèi)的流體流動通路并通過第二 可變形薄壁與所述流體流動通路分隔，其中： 所述第一側通路和所述第二側通路與所述流體流動通路之間密閉，以及 對所述第一側通路和所述第二側通路施加加壓氣體或流體導致所述第一可變形薄壁 和所述第二可變形薄壁膨入所述流體流動通路。
3. -種三維介電電泳（DEP)分選裝置，該裝置包括： 第一電極層； 第二電極層； 電絕緣層，所述電絕緣層介于所述第一電極層與所述第二電極層之間并具有第一子層 和第二子層； 位于所述第一子層中的第一通路；以及 位于所述第二子層中的第二通路；其中： 所述第一電極層、所述第二電極層以及所述電絕緣層形成基本平坦的組件， 所述第一電極層在所述第一子層的與第二層相反的側上， 所述第二電極層在所述第二子層的與第一層相反的側上， 所述第一通路和所述第二通路遵循所述電絕緣層的DEP分離區(qū)域內(nèi)的共同路徑并在 所述DEP分離區(qū)域內(nèi)彼此直接流體連通， 所述第一通路和所述第二通路每個具有不同的垂直于所述共同路徑并垂直于標準基 本平坦組件的橫截面寬度，以及 在后DEP分離區(qū)域中，所述第一通路從所述第二通路岔開，所述后DEP分離區(qū)域位于所 述DEP分離區(qū)域的下游。
4. 根據(jù)權利要求3所述的三維DEP分選裝置，進一步包括： 所述電絕緣層的第三子層；以及 位于所述第三子層中的第三通路；其中： 所述第二子層介于所述第一子層與所述第三子層之間， 所述第三子層介于所述第二子層與所述第二電極層之間， 所述第三通路遵循在所述DEP分離區(qū)域內(nèi)的所述共同路徑并與所述DEP分離區(qū)域內(nèi)的 第二通路直接流體連通， 所述第三通路具有垂直于所述共同路徑并垂直于所述標準的基本平坦組件的橫截面 寬度，該橫截面寬度不同于所述第二通路的橫截面寬度，以及 在所述后DEP分離區(qū)域中，所述第三通路從所述第二通路岔開。
5. 根據(jù)權利要求4所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第二通路的橫截面寬 度小于所述第一通路和所述第三通路的橫截面寬度。
6. 根據(jù)權利要求4所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第二通路的橫截面寬 度大于所述第一通路和所述第三通路的橫截面寬度。
7. 根據(jù)權利要求4至6任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通路、 所述第二通路以及所述第三通路沿垂直于所述共同路徑并平行于所述基本平坦組件的方 向上大致位于彼此的正中心。
8. 根據(jù)權利要求3所述的三維DEP分選裝置，進一步包括：一個或多個附加的通路，每 個位于附加的子層中，其中： 所述一個或多個附加的通路包括第三通路， 所述一個或多個附加的通路遵循所述電絕緣層的DEP分離區(qū)域內(nèi)的共同路徑并在所 述DEP分離區(qū)域內(nèi)彼此直接流體連通且與所述第一通路和所述第二通路流體連通， 所述一個或多個附加的通路每個具有垂直于所述共同路徑并垂直于所述標準的大致 平坦組件的橫截面寬度， 每個特定的附加通路的橫截面寬度不同于與該特定的附加通路相鄰的每個附加通路 的橫截面寬度，以及 所述一個或多個附加通路中的至少一個在后DEP分離區(qū)域中從所述第二通路岔開。
9. 根據(jù)權利要求3至8任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一電極 層和所述第二電極層包括在所述DEP分離區(qū)域中的圖案化電極。
10. 根據(jù)權利要求3至8任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一電極 層和所述第二電極層是基本平坦的板，所述基本平坦的板具有面向所述電絕緣層的導電表 面。
11. 根據(jù)權利要求10所述的三維DEP分選裝置，進一步包括：所述導電表面基本上延 伸穿過所有的電絕緣層。
12. 根據(jù)權利要求10所述的三維DEP分選裝置，進一步包括：所述導電表面在由所述 DEP分離區(qū)域和所述第一通路的側壁界定的區(qū)域中或者由所述DEP分離區(qū)域和所述第二通 路的側壁界定的區(qū)域中是大致均勻的。
13. 根據(jù)權利要求10至12任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：一個或兩個 所述導電表面涂覆有厚度小于2微米的非導電涂層。
14. 根據(jù)權利要求3至13任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述電絕緣 層是聚二甲基硅氧烷（PDMS)結構。
15. 根據(jù)權利要求3至14任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述電絕緣 層是通過將多層單獨的PDMS層結合在一起而形成的聚二甲基硅氧烷（PDMS)結構。
16. 根據(jù)權利要求15所述的三維DEP分選裝置，其特征在于： 所述第一子層由一層或多層單獨的PDMS層形成，以及 所述第二子層由一層或多層單獨的PDMS層形成。
17. 根據(jù)權利要求15所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述電絕緣層是包括不 同材料組合的復合結構。
18. 根據(jù)權利要求17所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述電絕緣層是包括懸 浮在PDMS中的非PDMS材料的復合結構。
19. 根據(jù)權利要求3至18任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一子 層的厚度為約1微米至約100微米，而所述第二子層的厚度為約10微米至100微米。
20. 根據(jù)權利要求3至19任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一子 層的厚度為約100微米至約500微米，而所述第二子層的厚度為約100微米至500微米。
21. 根據(jù)權利要求3至19任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通 路的橫截面寬度為至少1微米，而所述第二通路和所述第二通路的橫截面寬度為至少2微 米。
22. 根據(jù)權利要求3至19任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通 路的橫截面寬度小于1微米，而所述第二通路的橫截面寬度小于2微米。
23. 根據(jù)權利要求4至21任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通 路和所述第三通路具有不同的橫截面寬度。
24. 根據(jù)權利要求4至23任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通 路、所述第二通路以及所述第三通路的總體橫截面在所述DEP分離區(qū)域內(nèi)大致呈岔路"H" 形狀，由此當在所述第一電極層與所述第二電極層之間施加交流電壓時，夾帶在流體中的 具有正DEP的顆?；蛘呒毎占诜诌x通路中。
25. 根據(jù)權利要求3至23任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述第一通 路、所述第二通路以及所述第三通路的總體橫截面在所述DEP分離區(qū)域內(nèi)大致呈岔路" + " 形狀，由此當在所述第一電極層與所述第二電極層之間施加交流電壓時，夾帶在流體中的 具有負DEP的顆粒或者細胞收集在分選通路中。
26. 根據(jù)權利要求3至24任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：施加穿過所 述第一電極和所述第二電極的交流（AC)電壓導致非均勻電磁場形成在流過所述DEP分離 區(qū)域內(nèi)的所述第一通路和所述第二通路的流體內(nèi)，其中該非均勻電磁場的強度偏向所述第 一通路或者所述第二通路之一。
27. 根據(jù)權利要求3至26任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述三維DEP 分選裝置被納入手持設備。
28. 根據(jù)權利要求3至27任一項所述的三維DEP分選裝置，其特征在于：所述三維DEP 分選裝置聯(lián)接至手動泵送裝置，所述手動泵送裝置配置成將流體樣品驅動穿過所述分選裝 置的所述第一通路和所述第二通路。
29. -種多層聚二甲基硅氧烷（PDMS)微流控結構的制造方法，所述方法包括： a) 將第一未固化PDMS凝膠沉積到陽模上； b) 在所述陽模與沖模之間壓縮所述第一未固化PDMS凝膠，所述沖模具有板和PDMS薄 層，該板的模量實質上大于PDMS的模量，該PDMS薄層在該板的面向所述陽模的一側上； c) 將所述第一未固化PDMS凝膠固化為PDMS層； d) 從所述陽模釋放所述PDMS層，所述PDMS層具有模具界面表面，所述模具界面表面在 釋放之前與所述陽模配合； e) 將所述PDMS層轉移至接收面； f) 將所述PDMS層的模具界面表面的各部分結合至所述接收面；以及 g) 從PDMS沖模釋放所述PDMS層。
30. 根據(jù)權利要求29所述的方法，進一步包括： 對于其它的PDMS層重復步驟a)至g)。
31. 根據(jù)權利要求29至30中任一項所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄層厚度小 于500微米。
32. 根據(jù)權利要求29至31中任一項所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄層厚度在 10微米與30微米之間。
33. 根據(jù)權利要求29至32中任一項所述的方法，進一步包括： 用第二未固化PDMS凝膠對所述板進行旋涂，以形成所述PDMS薄層；以及 固化所述第二未固化PDMS凝膠。
34. 根據(jù)權利要求33所述的方法，其特征在于：所述第二未固化PDMS凝膠添加有 鉬-二乙烯四甲基二硅氧烷（C8H 18OPtSi2)。
35. 根據(jù)權利要求33或34所述的方法，其特征在于：除了用于PDMS凝膠的標準固化 劑之外，所述第二未固化PDMS凝膠添加有鉬-二乙烯四甲基二硅氧烷（C 8H18OPtSi2)。
36. 根據(jù)權利要求34或35所述的方法，其特征在于：所述鉬-二乙烯四甲基二硅氧烷 添加量在16-20微升/10克PDMS基和1克PDMS。
37. 根據(jù)權利要求34至36中任一項所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄層用CYTOP 表面處理來處理。
【文檔編號】B01D57/02GK104321126SQ201380028118
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權日:2012年3月27日
【發(fā)明者】邱培鈺, 黃國威, 范育睿, 龔育諄 申請人:加利福尼亞大學董事會