專利名稱：生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流操控和檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及的是生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)及應(yīng)用。該芯片系統(tǒng)主要包含多通道流體操控模塊，光學(xué)檢測(cè)模塊，信號(hào)處理模塊等。
背景技術(shù)：
微流控技術(shù)是一項(xiàng)集成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)室功能，通過操控微體積流體，實(shí)現(xiàn)樣品制備、反應(yīng)、聚焦、分選及檢測(cè)等功能的微芯片技術(shù)。而基于微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)生物粒子分選與計(jì)數(shù)是生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、分析化學(xué)等領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。高效的粒子預(yù)聚焦和尺寸提純技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)數(shù)的前提，常見的聚焦分選技術(shù)主要可分為基于磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)等外場(chǎng)的聚焦分選技術(shù)以及利用鞘液夾流的聚焦分選技術(shù)等。前者需附加設(shè)備提供外場(chǎng)，存在耗能大，不利于集成微型化且易損傷生物樣本等不足。后者需多股鞘液，存在控制和操作復(fù)雜等問題。在生物微粒計(jì)數(shù)檢測(cè)方法方面，目前主要有傳統(tǒng)人工計(jì)數(shù)、基于Coulter原理的電檢測(cè)、基于光學(xué)原理的檢測(cè)。顯然傳統(tǒng)的人工技術(shù)在精度、智能化、微型化等方面已無法滿足現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室的高效樣品處理需求，而Coulter技術(shù)則存在易損傷生物粒子活性，檢測(cè)精度不高等問題?；诙S聚焦的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，由于在第三維度上粒子存在一定的重疊概率，造成計(jì)數(shù)結(jié)果存在較大誤差。近期已有研究利用兩次鞘液實(shí)現(xiàn)粒子的三維聚焦以避免粒子的重疊，但使用兩次鞘液夾流操作較復(fù)雜。同時(shí)，由于多數(shù)微流控芯片流速較低(雷諾數(shù)一般為10_6 IO1)且受到計(jì)數(shù)檢測(cè)設(shè)備的限制，使得現(xiàn)有的基于微流控技術(shù)的生物粒子計(jì)數(shù)檢測(cè)通量都非常低(一般為幾個(gè)至幾百個(gè)每秒)。另外，對(duì)生物粒子計(jì)數(shù)檢測(cè)前，往往需要對(duì)樣品進(jìn)行過濾、離心、清洗等復(fù)雜前處理操作，所需設(shè)備復(fù)雜、體積大且操作較為繁瑣。因此，如能提出生物粒子快速高精度分選、清洗、計(jì)數(shù)的自動(dòng)化、集成化、微型化裝置必將在一定程度上克服上述局限。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的多通道集成芯片系統(tǒng)。單層基片上借助彎流道中微流體慣性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微米級(jí)生物粒子分選及聚焦，通過層流效應(yīng)及慣性升力來實(shí)現(xiàn)粒子清洗和承載液交換，利用粘彈性流中的彈性力及慣性升力實(shí)現(xiàn)生物粒子的流道中心區(qū)域單平衡位置精確聚焦，最后基于光學(xué)檢測(cè)和信號(hào)處理技術(shù)對(duì)檢測(cè)到的光電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)生物粒子的高精度計(jì)數(shù)并獲取生物粒子的多種特征參數(shù)。同時(shí)，借助多層基片的堆疊實(shí)現(xiàn)通量的進(jìn)一步提升。以上技術(shù)手段在一定程度上克服了目前微流控分選與計(jì)數(shù)檢測(cè)技術(shù)通量低、精度低、外場(chǎng)耗能、自動(dòng)與集成化程度低等局限。技術(shù)方案:針對(duì)目前生物粒子分選、計(jì)數(shù)器件研究及應(yīng)用中存在的不足和局限，本發(fā)明的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，包括主體微流控芯片、微管、樣品液微泵、交換液微泵、第一廢液收集裝置、第二廢液收集裝置、第三廢液收集裝置、激光發(fā)射裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、計(jì)算機(jī)和光纖，主體微流控芯片上連接有微管、樣品液微泵、交換液微泵、第一廢液收集裝置、第二廢液收集裝置、第三廢液收集裝置、激光發(fā)射裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、光纖;所述主體微流控芯片包含有不對(duì)稱彎流道、第一分支通道、第二分支通道、第三分支通道、主流道、支路通道、出入口連接孔、樣品入口、交換液入口、預(yù)分選干擾粒子出口、被替換承載液出口、廢液出口、激發(fā)光光纖通道、前向角散射光纖通道、側(cè)向角散射光纖通道和熒光光纖通道和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；所述主體微流控芯片由多個(gè)單層基片堆疊鍵合而成；每層基片布局完全一樣，所述樣品入口、交換液入口、預(yù)分選干擾粒子出口、被替換承載液出口、廢液出口上均設(shè)有出入口連接孔，所述樣品液微泵與微管一端相連通，微管另一端與樣品入口上的出入口連接孔相連，樣品入口與不對(duì)稱彎流道相連通，不對(duì)稱彎流道分出第一分支通道和第二分支通道，第一分支通道與預(yù)分選干擾粒子出口相連通，預(yù)分選干擾粒子出口上的出入口連接孔與第一廢液收集裝置相連通，第二分支通道和第三分支通道一端交匯于主流道，所述第三分支通道另一端與交換液入口相連通，交換液入口上的出入口連接孔與交換液微泵相連通，所述主流道上依次設(shè)有換液流道、截面中心聚焦直流道、光學(xué)檢測(cè)區(qū)域，所述主流道末端與廢液出口相連通，廢液出口上的出入口連接孔與第二廢液收集裝置連接，所述換液流道分出一個(gè)支路通道，所述支路通道與被替換承載液出口相連通，被替換承載液出口上的出入口連接孔與第三廢液收集裝置相連接，所述激光發(fā)射裝置通過光纖與激發(fā)光光纖通道連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置通過光纖分別與前向角散射光纖通道、側(cè)向角散射光纖通道和熒光光纖通道相連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置通過光纖與計(jì)算機(jī)相連接，所述激發(fā)光光纖通道和前向角散射光纖通道分別位于主流道兩側(cè)，激發(fā)光光纖通道垂直于主流道，前向角散射光纖通道與激發(fā)光光纖通道延長(zhǎng)線的夾角為0.5° 6°，所述側(cè)向角散射光纖通道和熒光光纖通道分別位于主流道的兩側(cè)，所述側(cè)向角散射光纖通道與激發(fā)光光纖通道成95° 120° ,所述突光光纖通道分別與激發(fā)光光纖通道成60° 85°的角度，所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記有多個(gè)，分別位于所述單層基片的四個(gè)角。所述換液流道截面為矩形。所述換液流道中的交換液體積流量大于樣品液體積流量，截面中心聚焦直流道寬度大于支路通道，且交換液體積流量/樣品液體積流量大于截面中心聚焦直流道寬度/支路通道。所述主體微流控芯片為多層完全一致的基片堆疊鍵合而成。所述主體微流控芯片其基片所用材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷、玻璃、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的一種。所述光學(xué)檢測(cè)區(qū)域四周集成有激發(fā)光光纖通道、前向角散射光纖通道、側(cè)向角散射光纖通道、熒光光纖通道，激發(fā)光光纖及檢測(cè)光纖均插入通道固定集成在芯片上，從側(cè)面發(fā)射激發(fā)光及接收檢測(cè)光信號(hào)。所述不對(duì)稱彎流道、主流道、第一分支通道、第二分支通道、第三分支通道、支路通道、激發(fā)光光纖通道、前向角散射光纖通道、側(cè)向角散射光纖通道及熒光光纖通道的高度相等。所述光電轉(zhuǎn)換裝置將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)利用相應(yīng)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理。其中，光電轉(zhuǎn)換裝置的工作原理如下:所述光電轉(zhuǎn)換裝置利用集成于其中的濾光片檢測(cè)到光信號(hào)，同時(shí)將慮過的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)集成于光電轉(zhuǎn)換裝置中的模數(shù)裝換，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)。所述電轉(zhuǎn)換裝置包括濾光器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及光電二極管、光電倍增管等。所述生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)在生物粒子分選與計(jì)數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用。本發(fā)明中提出的主體微流控芯片為多層集成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，主體芯片所用材質(zhì)可為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，PDMS具有很好的光學(xué)性能和機(jī)械性能，滿足光學(xué)檢測(cè)要求，不對(duì)生物樣本造成損傷，且價(jià)格低廉配合成熟的模塑法適于批量生產(chǎn)。此外，主體微流控芯片還可選用玻璃、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等材料制作。不同材料對(duì)應(yīng)的加工工藝可能不同，可根據(jù)加工條件及應(yīng)用對(duì)象選擇芯片材質(zhì)。本發(fā)明采用無掩模光刻技術(shù)制作所需微結(jié)構(gòu)陽模并利用模塑法復(fù)制相應(yīng)結(jié)構(gòu)的PDMS基片。每層基片具有完全一致的尺寸和結(jié)構(gòu)，可利用同一陽模進(jìn)行批量復(fù)制。每層基片上均設(shè)置微結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，利用體式鏡進(jìn)行精確堆疊操作，并利用紫外/臭氧處理或氧等離子體處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)各層基片間的不可逆鍵合，進(jìn)而完成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)
八
口 o單層基片包含兩個(gè)進(jìn)口，其中生物粒子懸浮液經(jīng)微泵驅(qū)動(dòng)由入口注入不對(duì)稱彎流道，借助微流體慣性效應(yīng)(慣性遷移和截面二次流)實(shí)現(xiàn)粒子的預(yù)聚焦及尺寸分選，待測(cè)粒子繼續(xù)在芯片內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而干擾測(cè)粒子則從芯片出口流至廢液收集裝置。芯片另一入口通入PVP, PEO、PSB等具有粘彈性特性且光學(xué)性質(zhì)良好的潔凈交換液。交換液體積流量需明顯大于樣品液，交換液與待替換粒子懸浮液交匯于換液流道。由于兩種液體流速不同，使得交換液流束寬度大于待替換粒子懸浮液流束寬度，粒子在慣性升力作用下，遷移至換液流道中心，處于交換液內(nèi)。經(jīng)足夠長(zhǎng)距離后得到粘彈性粒子懸浮液和不含待測(cè)粒子的廢液。兩種流體經(jīng)過分岔結(jié)構(gòu)后，廢液通過芯片出口流至廢液收集裝置，而粘彈性粒子懸浮液則繼續(xù)沿直流道流動(dòng)。利用本換液流道實(shí)現(xiàn)待測(cè)粒子自動(dòng)清洗，消除了待測(cè)粒子懸浮液中雜質(zhì)(例如血紅蛋白、紅細(xì)胞碎片及其他小尺寸干擾細(xì)胞等)。通過微流體慣性效應(yīng)及粘彈性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)待測(cè)粒子聚焦于流道截面幾何中心位置并進(jìn)入光學(xué)檢測(cè)計(jì)數(shù)區(qū)域。經(jīng)光學(xué)檢測(cè)后，最終從出口流至廢液收集裝置。在光學(xué)檢測(cè)環(huán)節(jié)有四個(gè)光纖通道，光纖水平插入這些通道，用于發(fā)射激光及接收光信號(hào)。其中激發(fā)光光纖通道垂直于主流道，在激發(fā)光光纖通道同側(cè)的光纖通道為熒光光纖通道，而另一側(cè)則分別為前向角散射光纖通道及側(cè)向散射光光纖通道。射入光纖的光學(xué)信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過相應(yīng)識(shí)別程序得到待測(cè)粒子數(shù)量和多項(xiàng)生物粒子檢測(cè)參數(shù)。所有基片共用相同的出入口連接孔，即無論基片層數(shù)多少，芯片出入口連接孔數(shù)量不變。本發(fā)明提出的多層、多通道集成設(shè)計(jì)，大幅提高了生物粒子分選、計(jì)數(shù)效率，與傳統(tǒng)的流式細(xì)胞計(jì)數(shù)檢測(cè)技術(shù)相比，多層基片的堆疊以及不對(duì)稱彎流道慣性預(yù)聚焦環(huán)節(jié)、粘彈性流體粒子清洗和換液環(huán)節(jié)、粘彈性與慣性效應(yīng)單平衡位置聚焦環(huán)節(jié)、光學(xué)檢測(cè)環(huán)節(jié)的集成應(yīng)用很好地實(shí)現(xiàn)了高通量、高精度的生物粒子分選與計(jì)數(shù)檢測(cè)。有益效果:本發(fā)明提出的集成化高效粒子分選計(jì)數(shù)、檢測(cè)芯片系統(tǒng)，單層基片上巧妙利用不對(duì)稱彎流道中微流體的慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子的聚焦與分選，然后利用直流道中慣性遷移實(shí)現(xiàn)粒子清洗和換液，再則利用粘彈性和慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子在流道中心區(qū)域的單平衡位置精確聚焦，同時(shí)集成光纖通道便于與光學(xué)器件封裝拼接。與其他粒子計(jì)數(shù)檢測(cè)計(jì)數(shù)相比，該芯片系統(tǒng)具有成本低、操作簡(jiǎn)單、無需鞘液、精度高以及自動(dòng)化、集成化程度高等優(yōu)點(diǎn)。另外，本發(fā)明中主體微流控芯片采用多層基片堆疊，實(shí)現(xiàn)粒子的高通量、快速、微型化計(jì)數(shù)檢測(cè)。本發(fā)明提出的芯片系統(tǒng)和方法可廣泛用于生物學(xué)、臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)及生化分析等領(lǐng)域。


圖1本發(fā)明實(shí)施例1中集成芯片系統(tǒng)示意圖。圖2本發(fā)明實(shí)施例1中非底層基片示意圖，即A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3本發(fā)明實(shí)施例7中換液流道粒子承載液交換原理圖。圖4A本發(fā)明實(shí)施例8中截面中心聚焦直流道粒子單平衡位置聚焦原理側(cè)視圖。圖4B為本發(fā)明實(shí)施例8中截面中心聚焦直流道粒子單平衡位置聚焦流道B-B截面圖。圖4C為本發(fā)明實(shí)施例8中截面中心聚焦直流道粒子單平衡位置聚焦流道C-C截面圖。圖5本發(fā)明實(shí)施例8中光學(xué)檢測(cè)區(qū)域粒子光學(xué)特性檢測(cè)原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其實(shí)施例如圖1所示。非底層基片示意圖，即A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。本發(fā)明所能夠使用的芯片材質(zhì)、制作工藝、基片層數(shù)、微結(jié)構(gòu)尺寸、光纖規(guī)格、光學(xué)檢測(cè)器、信號(hào)處理方法及芯片系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象不局限于本實(shí)施例。實(shí)施例1:如圖1和圖2所示，生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，包括主體微流控芯片10、微管17、樣品液微泵11、交換液微泵18、第一廢液收集裝置12、第二廢液收集裝置19、第三廢液收集裝置20、激光發(fā)射裝置13、光電轉(zhuǎn)換裝置14、計(jì)算機(jī)15和光纖16，主體微流控芯片10上連接有微管17、樣品液微泵11、交換液微泵18、第一廢液收集裝置12、第二廢液收集裝置19、第三廢液收集裝置20、激光發(fā)射裝置13、光電轉(zhuǎn)換裝置14、光纖16 ；所述主體微流控芯片10包含有不對(duì)稱彎流道23、第一分支通道285、第二分支通道286、第三分支通道287、主流道288、支路通道289、出入口連接孔201、樣品入口 21、交換液入口 22、預(yù)分選干擾粒子出口 24、被替換承載液出口 26、廢液出口 29、激發(fā)光光纖通道281、前向角散射光纖通道282、側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記202 ；所述主體微流控芯片10由多個(gè)單層基片101，102，103堆疊鍵合而成；每層單層基片101，102, 103布局完全一樣,所述樣品入口 21、交換液入口 22、預(yù)分選干擾粒子出口 24、被替換承載液出口 26、廢液出口 29上均設(shè)有出入口連接孔201，所述樣品液微泵11與微管17 —端相連通，微管17另一端與樣品入口 21上的出入口連接孔201相連，樣品入口 21與不對(duì)稱彎流道23相連通，不對(duì)稱彎流道23分出第一分支通道285和第二分支通道286，第一分支通道285與預(yù)分選干擾粒子出口 24相連通，預(yù)分選干擾粒子出口 24上的出入口連接孔201與第一廢液收集裝置12相連通，第二分支通道286和第三分支通道287 —端交匯于主流道288，所述第三分支通道287另一端與交換液入口 22相連通，交換液入口 22上的出入口連接孔201與交換液微泵18相連通，所述主流道288上依次設(shè)有換液流道25、截面中心聚焦直流道27、光學(xué)檢測(cè)區(qū)域28，所述主流道288末端與廢液出口 29相連通，廢液出口 29上的出入口連接孔201與第二廢液收集裝置19連接，所述換液流道25分出一個(gè)支路通道289，所述支路通道289與被替換承載液出口 26相連通，被替換承載液出口 26上的出入口連接孔201與第三廢液收集裝置20相連接，所述激光發(fā)射裝置13通過光纖與激發(fā)光光纖通道281連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置14通過光纖分別與前向角散射光纖通道282、側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284相連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置14通過光纖16與計(jì)算機(jī)15相連接，所述激發(fā)光光纖通道281和前向角散射光纖通道282分別位于主流道288兩側(cè)，激發(fā)光光纖通道281垂直于主流道288，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角為0.5°，所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，所述側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成120°的角度，所述熒光光纖通道284分別與激發(fā)光光纖通道281成60°的角度，所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記202有多個(gè)，分別位于所述單層基片101，102，103的四個(gè)角。所述換液流道25截面為矩形。所述換液流道25中的交換液體積流量大于樣品液體積流量，截面中心聚焦直流道27寬度大于支路通道289，且交換液體積流量/樣品液體積流量大于截面中心聚焦直流道27寬度/支路通道289。所述主體微流控芯片10為多層完全一致的基片堆疊鍵合而成。所述主體微流控芯片10其基片所用材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷、玻璃、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的一種。在光學(xué)檢測(cè)區(qū)域28四周集成有激發(fā)光光纖通道281、前向角散射光纖通道282、側(cè)向角散射光纖通道283、熒光光纖通道284，激發(fā)光光纖及檢測(cè)光纖均插入通道固定集成在芯片上，從側(cè)面發(fā)射激發(fā)光及接收檢測(cè)光信號(hào)。所述不對(duì)稱彎流道23、主流道288、第一分支通道285、第二分支通道286、第三分支通道287、支路通道289、激發(fā)光光纖通道281、前向角散射光纖通道282、側(cè)向角散射光纖通道283及熒光光纖通道284的高度相等。所述光電轉(zhuǎn)換裝置14將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)15利用相應(yīng)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理。其中，所述光電轉(zhuǎn)換裝置14包括濾光器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及光電二極管、光電倍增管等。本實(shí)施例以一種基于粘彈性及慣性效應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)生物微粒快速、高精度分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)芯片為例來闡述本發(fā)明中提出的方法、器件制作、系統(tǒng)構(gòu)建及計(jì)數(shù)檢測(cè)原理。本實(shí)施例中主體微流控芯片非底層基片的材質(zhì)選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。當(dāng)然，還可選用玻璃、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等光學(xué)性能良好的材料制作。不同材料對(duì)應(yīng)的芯片加工工藝、鍵合技術(shù)可能存在差異，可根據(jù)加工條件及應(yīng)用需求來選擇相應(yīng)材料。本實(shí)施例中利用無掩模光刻工藝制作SU-8陽模，并采用模塑法制作單層PDMS基片。該制作工藝具有成本低、制作周期短、適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求及加工條件還可考慮采用有掩模光刻、超精密機(jī)加工等技術(shù)來制作陽模，甚至可通過其他加工手段直接完成基片制作。實(shí)施例2:與實(shí)施例1基本一樣，所不同的是，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角為6°，所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成110°的角度，熒光光纖通道284與激發(fā)光光纖通道281成70°的角度，所述主體微流控芯片10其基片所用材質(zhì)為環(huán)氧樹脂。實(shí)施例3:與實(shí)施例1基本一樣，所不同的是，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角為3 °，所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成100°的角度，熒光光纖通道284與激發(fā)光光纖通道281成80°的角度，所述主體微流控芯片10其基片所用材質(zhì)為甲基丙烯酸甲酯。實(shí)施例4:與實(shí)施例1基本一樣，所不同的是，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角為3.5°，所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成105°的角度，熒光光纖通道284與激發(fā)光光纖通道281成75°的角度，所述主體微流控芯片10其基片所用材質(zhì)為聚碳酸酯。實(shí)施例5: 與實(shí)施例1基本一樣，所不同的是，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角為4.5°，所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成95°的角度，熒光光纖通道284與激發(fā)光光纖通道281成85°的角度，所述主體微流控芯片10其基片所用材質(zhì)為玻璃。實(shí)施例6:PDMS基片制作的具體工藝流程如下:首先，利用CAD軟件繪制芯片流道圖并將其導(dǎo)入無掩模光刻設(shè)備。在經(jīng)過清洗、脫水等預(yù)處理的硅片上旋涂特定厚度的SU-8光刻膠，并將旋涂后的SU-8硅基片置于熱板上逐步升溫加熱進(jìn)行前烘。然后，將前烘完的SU-8硅基片置于無掩模光刻設(shè)備進(jìn)行曝光處理，完成曝光的基片還需再一次曝后烘加熱才能進(jìn)行顯影。最后，將顯影得到的陽模進(jìn)行硬烘加熱以提高保留微結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，這樣就完成了SU-8陽模的制作。基于SU-8陽模和模塑法，經(jīng)過PDMS配比、攪拌、倒模、真空脫氣、PDMS固化、脫模等具體工藝步驟，最終得到所需的單層PDMS基片。實(shí)施例7:換液流道粒子承載液交換過程及原理:被樣品液微泵11增壓的樣品液經(jīng)微管17從樣品入口 21進(jìn)入不對(duì)稱彎流道23。滿足aP ^ 0.07Dh (其中aP為粒子直徑，Dh為流道水力直徑)的粒子在慣性升力(包含剪切誘導(dǎo)慣性升力及壁面誘導(dǎo)慣性升力)和截面二次流誘導(dǎo)的迪恩拽力的共同作用下聚焦于平衡位置且粒徑越大聚焦位置越靠近內(nèi)壁面，而粒徑小于0.07Dh的粒子則無法聚焦且粒徑越小越靠近外壁面。本實(shí)施例中待測(cè)粒子為粒徑大于0.07Dh的靠近外壁面的較小粒子，靠近內(nèi)壁面的較大粒子通過預(yù)分選干擾粒子出口 24由支路引出并經(jīng)微管17導(dǎo)入廢液收集裝置12，靠近內(nèi)壁面較小粒子則繼續(xù)在芯片內(nèi)流動(dòng)與由交換液入口 22進(jìn)入芯片的交換液252 —起流至換液流道25。利用樣品液微泵11和換液微泵18控制兩種液體的體積流量使得交換液252體積流量明顯大于樣品液。當(dāng)然，可以增加不對(duì)稱彎流道23末端分岔支路個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)多種尺寸粒子分選并將待測(cè)粒子253所在支路引入換液流道25。待替換粒子懸浮液251與交換液252交匯的夾角不宜過大且兩者流速不能過高，以保證兩股流體呈層流狀態(tài)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中換液流道粒子承載液交換原理圖。進(jìn)入換液流道25后，由于流道變寬引起寬度方向上剪切率梯度減小，從而導(dǎo)致待測(cè)粒子253受到的剪切誘導(dǎo)慣性升力255減小，小于壁面誘導(dǎo)慣性升力254，引起待測(cè)粒子253向流道中心方向移動(dòng)。同時(shí)，交換液252體積流量大于待替換粒子懸浮液251體積流量，使得前者層流寬度大于后者，粒子聚焦平衡時(shí)處于交換液252流束中，形成新的粘彈性粒子懸浮液257。而被替換承載液256流束中已不含待測(cè)粒子，通過被替換承載液出口 26流至廢液收集裝置12，從而實(shí)現(xiàn)了粒子承載液的更新交換，新的粒子懸浮液不含干擾雜質(zhì)，即達(dá)到粒子自動(dòng)清洗的目的。實(shí)施例8:截面中心聚焦直流道粒子單平衡位置聚焦過程及光學(xué)特性檢測(cè)過程:新的粒子承載液為粘彈性溶液，隨該溶液流動(dòng)的粒子在慣性效應(yīng)及彈性效應(yīng)的共同作用下聚焦于流道中心位置，如圖4A、4B、4C所示，圖4A為流道側(cè)視圖，圖4B和圖4C分別為流道B-B與C-C截面圖。B處粒子聚焦于流道上下兩面中心附近，在粘彈性效應(yīng)作用下粒子受到指向截面中心的彈性力271，同時(shí)粒子在慣性效應(yīng)作用下還受到壁面誘導(dǎo)慣性升力254與剪切誘導(dǎo)慣性升力255。在這些力的共同作用下，粒子最終聚焦于截面中心位置。待測(cè)粒子束大小將影響計(jì)數(shù)檢測(cè)精度，而本發(fā)明同時(shí)利用了慣性效應(yīng)及粘彈性效應(yīng)使得粒子束大小非常接近待測(cè)粒子，有效避免被測(cè)粒子55重疊，大大提高了計(jì)數(shù)檢測(cè)的精度。激發(fā)光光纖通道281垂直于主流道，激發(fā)光發(fā)射裝置13所發(fā)出的激發(fā)光經(jīng)插入激發(fā)光光纖通道281的光纖射向被測(cè)粒子55，被測(cè)粒子55受激發(fā)，在與入射光51成0.5° 6°的夾角范圍內(nèi)產(chǎn)生前向角散射光52，前向角散射光纖通道282與激發(fā)光光纖通道281延長(zhǎng)線的夾角可取0.5° 6° ,但激發(fā)光光纖通道281與前向角散射光纖通道282不能在同一直線上，否則激發(fā)光將與前向角散射光一起射入前向角散射光纖，干擾前向角散射光檢測(cè)。所述側(cè)向角散射光纖通道283和熒光光纖通道284分別位于主流道288的兩側(cè)，所述側(cè)向角散射光纖通道283與激發(fā)光光纖通道281成95° 120°，所述熒光光纖通道284分別與激發(fā)光光纖通道281成60° 85°的角度，光纖檢測(cè)區(qū)域原理如圖5所示。光纖通道高度與光纖外徑大小相等，保證光纖中心與流道截面中心即被測(cè)粒子55在同一直線上，這樣發(fā)射光能夠精確的射中被測(cè)粒子55，而被測(cè)粒子55所發(fā)出的散射光及熒光能夠精確的射入信號(hào)檢測(cè)光纖。前向角散射光52信號(hào)反映細(xì)胞體積大小,前向角散射光52強(qiáng),則細(xì)胞體積越大，反之細(xì)胞體積小。側(cè)向角散射光53信號(hào)可提供細(xì)胞內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)及顆粒性質(zhì)的信息。熒光54強(qiáng)度與細(xì)胞內(nèi)DNA、RNA和蛋白質(zhì)含量成正比，通過熒光54信號(hào)檢測(cè)可以判定細(xì)胞內(nèi)這些組分含量、抗原及酶活性(熒光信號(hào)的產(chǎn)生主要有兩種，一種是標(biāo)記在細(xì)胞上的熒光物質(zhì)受激發(fā)而產(chǎn)生的，另一種是細(xì)胞自身受激發(fā)而產(chǎn)生)。經(jīng)過光學(xué)檢測(cè)區(qū)域28后粘彈性粒子懸浮液257直接經(jīng)廢液出口 29流至廢液收集裝置12。同時(shí)，為增加芯片通量以提高系統(tǒng)計(jì)數(shù)檢測(cè)速度，本實(shí)施例采用多個(gè)單層基片101，102，103堆疊，所有基片共用出入口連接孔201。利用紫外/臭氧鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)基片間的不可逆鍵合同時(shí)通過基片上的“ + ”對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記202配合體視鏡或其它校準(zhǔn)輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)基片間的精確堆疊。鍵合最底層基片103前先將已經(jīng)完成鍵合的多個(gè)單層基片101，102出入口用打孔裝置打孔，得到出入口連接孔201，最后完成與最底層的單層基片103的鍵合。在芯片光纖通道上插入相應(yīng)光纖16,光纖16外徑與光纖通道尺寸對(duì)應(yīng)，以保證光纖16固定在芯片上。另外，為避免不同層基片間光信號(hào)的相互干擾，所選用的光纖數(shù)值孔徑不能過大，同時(shí)光纖通道不能離光學(xué)檢測(cè)區(qū)域28過遠(yuǎn)且單層基片厚度不能過小(單層基片厚度太小還會(huì)造成流道結(jié)構(gòu)易變形)。芯片的光纖16總數(shù)為4倍基片數(shù)量(不包含沒有流道的最底層的基片103。前向角散射光52信號(hào)較強(qiáng)，可利用光電二極管將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而熒光54信號(hào)較弱，需通過光電倍增管(PMP)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，側(cè)向角散射光53根據(jù)需求選擇光電二極管或光電倍增管。傳入計(jì)算機(jī)15的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過相關(guān)軟件分析處理得到粒子數(shù)量、DNA含量以及表面抗原等參數(shù)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:包括主體微流控芯片(10)、微管(17)、樣品液微泵(11)、交換液微泵(18)、第一廢液收集裝置(12)、第二廢液收集裝置(19)、第三廢液收集裝置(20)、激光發(fā)射裝置(13)、光電轉(zhuǎn)換裝置(14)、計(jì)算機(jī)(15 )和光纖(16 )，主體微流控芯片(10 )上連接有微管(17 )、樣品液微泵(11)、交換液微泵(18)、第一廢液收集裝置(12)、第二廢液收集裝置(19)、第三廢液收集裝置(20)、激光發(fā)射裝置(13)、光電轉(zhuǎn)換裝置(14)、光纖(16)； 所述主體微流控芯片(10)包含有不對(duì)稱彎流道(23)、第一分支通道(285)、第二分支通道(286 )、第三分支通道(287 )、主流道(288 )、支路通道(289 )、出入口連接孔(201)、樣品入口(21)、交換液入口(22)、預(yù)分選干擾粒子出口(24)、被替換承載液出口(26)、廢液出口(29)、激發(fā)光光纖通道(281)、前向角散射光纖通道(282)、側(cè)向角散射光纖通道(283)和熒光光纖通道(284)和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(202)； 所述主體微流控芯片(10)由多個(gè)單層基片(101，102，103)堆疊鍵合而成； 每層單層基片(101，102，103)布局完全一樣，所述樣品入口(21)、交換液入口(22)、預(yù)分選干擾粒子出口(24)、被替換承載液出口(26)、廢液出口(29)上均設(shè)有出入口連接孔(201)，所述樣品液微泵(11)與微管(17)—端相連通，微管(17)另一端與樣品入口(21)上的出入口連接孔(201)相連，樣品入口(21)與不對(duì)稱彎流道(23)相連通，不對(duì)稱彎流道(23 )分出第一分支通道(285 )和第二分支通道(286 )，第一分支通道(285 )與預(yù)分選干擾粒子出口(24)相連通，預(yù)分選干擾粒子出口(24)上的出入口連接孔(201)與第一廢液收集裝置(12)相連通，第二分支通道(286)和第三分支通道(287 ) 一端交匯于主流道(288)，所述第三分支通道(287 )另一端與交換液入口( 22 )相連通，交換液入口( 22 )上的出入口連接孔(201)與交換液微泵(18)相連通，所述主流道(288)上依次設(shè)有換液流道(25)、截面中心聚焦直流道(27)、光學(xué)檢測(cè)區(qū)域(28)，所述主流道(288)末端與廢液出口( 29)相連通，廢液出口(29)上的出入口連接孔(201)與第二廢液收集裝置(19)連接，所述換液流道(25)分出一個(gè)支路通道(289)，所述支路通道(289)與被替換承載液出口(26)相連通，被替換承載液出口( 26 )上的出入口連接孔(201)與第三廢液收集裝置(20 )相連接，所述激光發(fā)射裝置(13)通過光纖與激發(fā)光光纖通道(281)連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置(14)通過光纖分別與前向角散射光纖通道(282 )、側(cè)向角散射光纖通道(283 )和熒光光纖通道(284 )相連接，所述光電轉(zhuǎn)換裝置(14)通過光纖(16)與計(jì)算機(jī)(15)相連接，所述激發(fā)光光纖通道(281)和前向角散射光纖通道(282 )分別位于主流道(288 )兩側(cè)，激發(fā)光光纖通道(281)垂直于主流道(288 )，前向角散射光纖通道(282)與激發(fā)光光纖通道(281)延長(zhǎng)線的夾角為0.5° 6°，所述側(cè)向角散射光纖通道(283 )和熒光光纖通道(284 )分別位于主流道(288 )的兩側(cè)，所述側(cè)向角散射光纖通道(283)與激發(fā)光光纖通道(281)成95° 120°，所述熒光光纖通道(284)分別與激發(fā)光光纖通道(281)成60° 85°的角度，所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(202)有多個(gè)，分別位于所述單層基片(101，102，103)的四個(gè)角。
2.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述換液流道(25)截面為矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述換液流道(25)中的交換液體積流量大于樣品液體積流量，截面中心聚焦直流道(27)寬度大于支路通道(289) ，且交換液體積流量/樣品液體積流量大于截面中心聚焦直流道(27 )寬度/支路通道(289 )。
4.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述主體微流控芯片(10)為多層完全一致的基片堆疊鍵合而成。
5.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述主體微流控芯片(10)其基片所用材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷、玻璃、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:在光學(xué)檢測(cè)區(qū)域(28)四周集成有激發(fā)光光纖通道(281)、前向角散射光纖通道(282)、側(cè)向角散射光纖通道(283 )、突光光纖通道(284),激發(fā)光光纖及檢測(cè)光纖均插入通道固定集成在芯片上，從側(cè)面發(fā)射激發(fā)光及接收檢測(cè)光信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述不對(duì)稱彎流道(23)、主流道(288)、第一分支通道(285)、第二分支通道(286)、第三分支通道(287 )、支路通道(289 )、激發(fā)光光纖通道(281)、前向角散射光纖通道(282 )、側(cè)向角散射光纖通道(283)及熒光光纖通道(284)的高度相等。
8.如權(quán)利要求1所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述光電轉(zhuǎn)換裝置(14)將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)(15)利用相應(yīng)軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)在生物粒子分選與計(jì)數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了生物微粒高通量分選和計(jì)數(shù)檢測(cè)的集成芯片系統(tǒng)及應(yīng)用。該芯片系統(tǒng)包括主體微流控芯片、微管、樣品液微泵、交換液微泵、第一廢液收集裝置、第二廢液收集裝置、第三廢液收集裝置、激光發(fā)射裝置、光電轉(zhuǎn)換裝置、光纖和計(jì)算機(jī)，在主體微流控芯片上包含不對(duì)稱彎流道、第一分支通道、第二分支通道、第三分支通道、主流道、支路通道、對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記等。本發(fā)明利用不對(duì)稱彎流道實(shí)現(xiàn)粒子的預(yù)聚焦和分選，利用換液流道實(shí)現(xiàn)待測(cè)粒子承載液的交換以及粒子清洗，利用粘彈性流體的粘彈性效應(yīng)及慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子的截面中心單平衡位置聚焦。本發(fā)明無需鞘液、無需復(fù)雜的粒子預(yù)清洗、無需光學(xué)校準(zhǔn)，具有高速、高精度、集成化、微型化、自動(dòng)化、低成本、制作工藝簡(jiǎn)單及易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK103191791SQ20131006661
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者倪中華, 易紅, 戴卿, 項(xiàng)楠 申請(qǐng)人:東南大學(xué)