單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要包括微流控芯片、光學(xué)檢測(cè)模塊、電阻抗檢測(cè)模塊和處理器，其中，微流控芯片由三層基片依次對(duì)準(zhǔn)鍵合而成，流道層上設(shè)有兩條對(duì)稱的輸送聚焦流道和出口流道，在兩條輸送聚焦流道的匯合處與出口流道形成十字結(jié)構(gòu)，上下層基片的電極相對(duì)設(shè)置，形成對(duì)電極結(jié)構(gòu)，兩條出口流道處均設(shè)有對(duì)電極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞多個(gè)參數(shù)的同時(shí)表征，提高了細(xì)胞檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度，且無(wú)需鞘液、無(wú)需復(fù)雜的免疫標(biāo)記預(yù)處理，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、通量高以及集成化、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛用于細(xì)胞周期、細(xì)胞分化、藥物篩選以及疾病早期診斷與治療等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片和微納米生物粒子操控、檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于粘彈性粒子聚焦、同時(shí)進(jìn)行單細(xì)胞機(jī)械性能和電學(xué)性能表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位，獨(dú)特的生物化學(xué)和生物物理學(xué)特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)特定的功能和適應(yīng)周圍環(huán)境。生物物理性能在細(xì)胞的各個(gè)生物進(jìn)程中具有重要作用，參與到細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控、分化、遷移和代謝活動(dòng)中，且細(xì)胞內(nèi)的生理變化伴隨著物理改性和重組?？梢?jiàn)，物理性能是表征細(xì)胞的有效標(biāo)記物，單細(xì)胞的生物物理性能分析能夠闡明細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能，揭示細(xì)胞之間的差異性，在細(xì)胞分化、生理病理研究及疾病早期診斷與治療中具有重要作用。
[0003]然而，由于常規(guī)技術(shù)的檢測(cè)通量低和操作流程繁瑣，使得細(xì)胞的生物物理性能檢測(cè)不具有實(shí)際的臨床意義。與常規(guī)技術(shù)相比，微流控技術(shù)具有樣品消耗少、通量高、易于集成、操作簡(jiǎn)單和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在單細(xì)胞生物物理性能檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，基于微流控技術(shù)表征單細(xì)胞生物物理性能的研究主要分為兩種:機(jī)械性能表征技術(shù)和電學(xué)性能表征技術(shù)。在單細(xì)胞機(jī)械性能表征方面，研究者采用微管吸吮、電學(xué)變形、光延伸、流體動(dòng)力拉伸和收縮流道擠壓變形等方法，分析細(xì)胞的變形能力與機(jī)械性能。而在單細(xì)胞電學(xué)性能表征方面，膜片鉗、電旋轉(zhuǎn)、微流控阻抗細(xì)胞儀等技術(shù)被廣泛用于研究細(xì)胞的電學(xué)性能參數(shù)。這些微流控檢測(cè)芯片在單細(xì)胞生物物理性能表征方面各具優(yōu)勢(shì)，但不能同時(shí)具有較高的檢測(cè)通量和檢測(cè)精度。更重要的是，已有的微流控芯片只能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞單個(gè)性能參數(shù)的分析，而細(xì)胞極具多樣性，單一的表征參數(shù)不能有效的區(qū)分細(xì)胞，容易造成假陽(yáng)性、假陰性等情況。
[0004]因此，如能提出一種同時(shí)保證較高通量和精度、實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)必將在一定程度上克服上述局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，這種技術(shù)無(wú)需鞘液、無(wú)需復(fù)雜的免疫標(biāo)記預(yù)處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞多性能參數(shù)的同時(shí)表征，具有低成本、高通量、高精度、易于實(shí)現(xiàn)集成化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，包括微流控芯片、光學(xué)檢測(cè)模塊、電阻抗檢測(cè)模塊以及處理器；
[0008]其中，所述微流控芯片由上基片、流道層和下基片依次對(duì)準(zhǔn)鍵合而成，所述流道層上設(shè)兩條對(duì)稱設(shè)置的輸送流道、聚焦流道以及出口流道，兩條輸送流道分別與聚焦流道兩端連通，出口流道設(shè)置在聚焦流道的中心處，且與聚焦流道形成十字結(jié)構(gòu)，所述上基片設(shè)頂端電極，所述下基片設(shè)底部電極，頂端電極與底部電極相互對(duì)齊設(shè)置，在兩條出口流道上下兩側(cè)均形成對(duì)電極結(jié)構(gòu)，兩對(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布于聚焦流道的兩側(cè)；
[0009]其中，用于記錄細(xì)胞形變的光學(xué)檢測(cè)模塊位于微流控芯片中十字結(jié)構(gòu)的正下方，并與處理器連接；
[0010]其中，電阻抗檢測(cè)模塊與微流控芯片中的對(duì)電極結(jié)構(gòu)連接，并將得到的電阻抗信號(hào)傳輸給處理器。
[0011]其中，還包括進(jìn)樣裝置和廢液收集裝置，進(jìn)樣裝置和廢液收集裝置分別通過(guò)微管與微流控芯片連接。
[0012]其中，所述電阻抗檢測(cè)模塊由相互連接的電流放大器和阻抗譜儀組成，其中，阻抗譜儀連接微流控芯片中的頂端電極，電流放大器連接微流控芯片中的底部電極。
[0013]其中，所述聚焦流道為直線型流道。
[0014]有效收益:本發(fā)明提出的單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，巧妙地將細(xì)胞的機(jī)械性能和電學(xué)性能檢測(cè)方法集成起來(lái)，將待測(cè)細(xì)胞懸浮在具有良好生物相容性的粘彈性溶液里注入本系統(tǒng)中，利用本系統(tǒng)的微流控芯片流道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的無(wú)旋轉(zhuǎn)拉伸，還完成了細(xì)胞的電學(xué)性能差分檢測(cè)，再通過(guò)系統(tǒng)中的光學(xué)檢測(cè)模塊和阻抗譜儀得到了細(xì)胞的圖像信息和電阻抗信號(hào)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)處理和分析細(xì)胞的力學(xué)、電學(xué)參數(shù)。與其他細(xì)胞檢測(cè)方法相比，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞多個(gè)參數(shù)的同時(shí)表征，提高了細(xì)胞檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏度，且無(wú)需鞘液、無(wú)需復(fù)雜的免疫標(biāo)記預(yù)處理，具有低成本、操作簡(jiǎn)單、通量高以及集成化、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)可廣泛用于細(xì)胞周期、細(xì)胞分化、藥物篩選以及疾病早期診斷與治療等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的單細(xì)胞多參數(shù)表征微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)中微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為圖2中十字結(jié)構(gòu)的局部放大圖；
[0018]圖4為本發(fā)明實(shí)例中聚焦流道中細(xì)胞聚焦的原理示意圖；
[0019]圖5為本發(fā)明實(shí)例中十字結(jié)構(gòu)流道處細(xì)胞流體動(dòng)力拉伸變形示意圖；
[0020]圖6為細(xì)胞進(jìn)行差分電阻抗測(cè)量的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明所采取的技術(shù)手段和實(shí)際效果，以下結(jié)合附圖1-6及較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提出的單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)、特征及功效進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。然而所有附圖僅是供參考與說(shuō)明本發(fā)明之用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。且本發(fā)明所能夠使用的檢測(cè)儀器、芯片材料、加工方法、微結(jié)構(gòu)尺寸形狀以及應(yīng)用對(duì)象和領(lǐng)域并不局限于本實(shí)施例。
[0022]如圖1所示，一種單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括樣品進(jìn)樣裝置15、廢液收集裝置16、微流控芯片11、光學(xué)檢測(cè)模塊12、電阻抗檢測(cè)模塊13和計(jì)算機(jī)14 ;樣品進(jìn)樣裝置15和廢液收集裝置16通過(guò)微管17與微流控芯片11相連，分別用于樣品的進(jìn)樣和廢液的收集。光學(xué)檢測(cè)模塊12由物鏡122和高速攝像裝置123組成，位于微流控芯片11中十字結(jié)構(gòu)214的正下方，用于記錄細(xì)胞的形貌情況，其通過(guò)數(shù)據(jù)線19將圖像信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)14中；電阻抗檢測(cè)模塊13由電流放大器131和阻抗譜儀132組成，阻抗譜儀132通過(guò)電纜線18對(duì)芯片11施加交流激勵(lì)信號(hào)，得到的響應(yīng)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電流放大器131將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后利用阻抗譜儀132對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、轉(zhuǎn)換，再通過(guò)數(shù)據(jù)線19將得到的細(xì)胞阻抗信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)14中；最后在計(jì)算機(jī)14中利用軟件將得到的細(xì)胞圖像信息和電阻抗信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到細(xì)胞的大小、變形量、電阻抗幅值和相位角等參數(shù)，完成對(duì)細(xì)胞機(jī)械性能和電學(xué)性能多參數(shù)表征，進(jìn)而繪制多細(xì)胞性能參數(shù)的散點(diǎn)圖，完成具有實(shí)際意義的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，再根據(jù)得到的細(xì)胞性能參數(shù)，結(jié)合力學(xué)模型和電學(xué)模型，進(jìn)一步分析得到細(xì)胞的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和特性。
[0023]如圖2?3所示，所述微流控芯片11由三層基片依次對(duì)準(zhǔn)鍵合而成，自上而下分別為上基片281、流道層282和下基片283，流道層282包括進(jìn)口流道211、輸送流道212、聚焦流道213以及出口流道215，進(jìn)口流道211在與輸送流道212連接處形成兩條對(duì)稱的輸送支流，兩條輸送支流分別與聚焦流道213兩端連通，出口流道215設(shè)置在聚焦流道213的中心處，且與聚焦流道213形成十字結(jié)構(gòu)214，上基片281設(shè)頂端電極22，下基片283設(shè)底部電極23，頂端電極22與底部電極23大小相同，相互對(duì)齊設(shè)置，形成對(duì)電極結(jié)構(gòu)，在兩條出口流道215上下兩側(cè)均形成對(duì)電極結(jié)構(gòu)，兩對(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布于聚焦流道213的兩側(cè)；上基片281上還設(shè)有出口連接孔24、入口連接孔26，出口連接孔24位于出口流道215的出口處，入孔連接孔26位于進(jìn)口流道211的進(jìn)口處。
[0024]進(jìn)行單細(xì)胞檢測(cè)時(shí)，分散有待測(cè)細(xì)胞的粘彈性樣品液以特定流速由進(jìn)口流道211進(jìn)入芯片11，經(jīng)過(guò)輸送流道212到達(dá)聚焦流道213時(shí)，由于粘彈性流體的三維聚焦作用，使細(xì)胞41規(guī)則排列于流道中心線上，聚焦后的細(xì)胞41進(jìn)入十字結(jié)構(gòu)214中心時(shí)，受到兩股等速流體的擠壓作用發(fā)生變形，位于十字結(jié)構(gòu)214正下方的光學(xué)檢測(cè)模塊12高速記錄細(xì)胞41的形貌情況，隨后細(xì)胞41離開(kāi)十字結(jié)構(gòu)214，進(jìn)入出口流道215上的對(duì)電極區(qū)域，此時(shí)電阻抗檢測(cè)模塊13對(duì)細(xì)胞41的電學(xué)性能進(jìn)行差分檢測(cè)，最后細(xì)胞41通過(guò)出口連接孔24進(jìn)入廢液收集裝置16。
[0025]微流控芯片11中上基片281和下基片283所用材質(zhì)為透明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)中的任意一種，流道層282所用材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷(PDMS)、玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)中的任意一種，頂端電極22和底部電極23為完全相同的金屬微電極，其所用材質(zhì)為金或鉬等。上基片281和下基片283的制作可通過(guò)結(jié)合光刻技術(shù)和磁控濺射技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而流道層282則可利用光刻技術(shù)或其他刻蝕技術(shù)快速加工得到。為了防止流道內(nèi)表面對(duì)細(xì)胞41的吸附，各種材質(zhì)流道都需經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾等特定方式進(jìn)行改性。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，各層基片通過(guò)紫外/臭氧照射或氧等離子體處理等表面改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)不可逆封裝，也可利用各層基片的不同組份配比實(shí)現(xiàn)不可逆自鍵合。
[0026]如圖4所示，細(xì)胞41在微流控芯片11的聚焦流道213內(nèi)實(shí)現(xiàn)高通量三維聚焦。當(dāng)分散在粘彈性樣品液中的細(xì)胞41進(jìn)入聚焦流道213時(shí)，由于粘彈性介質(zhì)的第一法向應(yīng)力在流道的四邊角和中心位置處最小，細(xì)胞41受到彈性力43作用往流道四邊角與中心線遷移。但位于邊角處的細(xì)胞41同時(shí)受到細(xì)胞變形誘導(dǎo)的壁面升力42作用而向流道中心處遷移，最終細(xì)胞41在流道的中心線處形成唯一的平衡位置，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞41的高通量三維聚焦，整個(gè)過(guò)程在直線型聚焦流道213中完成，因此無(wú)需鞘流作用。將細(xì)胞41精準(zhǔn)聚焦在流道中心線上，排除了后續(xù)性能表征中細(xì)胞位置帶來(lái)的干擾，提高了檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性。細(xì)胞41的懸浮介質(zhì)為具有良好生物相容性的粘彈性溶液，其可通過(guò)向等滲的磷酸鹽緩沖液中添加聚乙烯吡咯烷酮或聚環(huán)氧乙烷配制。
[0027]如圖5所示，細(xì)胞41在拉伸流場(chǎng)51作用下的變形過(guò)程如下:當(dāng)經(jīng)過(guò)聚焦的細(xì)胞41平穩(wěn)到達(dá)十字結(jié)構(gòu)214中心時(shí)，細(xì)胞41承受來(lái)自入口處流體的壓縮應(yīng)力52和出口處流體的拉伸應(yīng)力53作用發(fā)生形變。通過(guò)調(diào)節(jié)流體流速，實(shí)現(xiàn)不同程度的細(xì)胞變形。位于十字結(jié)構(gòu)214正下方的光學(xué)檢測(cè)模塊12，高速記錄細(xì)胞41的變形過(guò)程。利用拉伸流場(chǎng)作用使細(xì)胞41發(fā)生變形，大大降低了對(duì)細(xì)胞41的損傷，同時(shí)可以方便地控制流速研究不同作用力下的細(xì)胞41變形。
[0028]圖6為細(xì)胞41進(jìn)行差分電阻抗測(cè)量的示意圖，對(duì)電極結(jié)構(gòu)的頂端電極22施加交流激勵(lì)信號(hào)，從底部電極23得到相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)細(xì)胞41離開(kāi)十字結(jié)構(gòu)214流向任一出口流道215的對(duì)電極結(jié)構(gòu)處時(shí)，電阻抗檢測(cè)模塊13實(shí)時(shí)獲取細(xì)胞懸浮液的電阻抗信號(hào)，同時(shí)另一個(gè)對(duì)電極結(jié)構(gòu)對(duì)純粘彈性介質(zhì)進(jìn)行阻抗表征，利用差分電路直接得到細(xì)胞41電阻抗信息，必要時(shí)，可同時(shí)施加多個(gè)頻率的激勵(lì)信號(hào)，能夠獲得細(xì)胞41在不同頻率下的電阻抗信號(hào)，得到細(xì)胞41的多頻率阻抗譜。由于細(xì)胞與細(xì)胞之間有一定的間隔，因此當(dāng)含有細(xì)胞的懸浮液流向一對(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)時(shí)，流向另一對(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)的液體為純粘彈性液體，即里面沒(méi)有細(xì)胞的液體。
[0029]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制。應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的相關(guān)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括微流控芯片(11 )、光學(xué)檢測(cè)模塊(12)、電阻抗檢測(cè)模塊(13)以及處理器(14); 其中，所述微流控芯片(11)由上基片(281)、流道層(282)和下基片(283)依次對(duì)準(zhǔn)鍵合而成，所述流道層(282)上設(shè)兩條對(duì)稱設(shè)置的輸送流道(212)、聚焦流道(213)以及出口流道(215)，兩條輸送流道(212)分別與聚焦流道(213)兩端連通，出口流道(215)設(shè)置在聚焦流道(213)的中心處，且與聚焦流道(213)形成十字結(jié)構(gòu)(214)，所述上基片(281)設(shè)頂端電極(22)，所述下基片(283)設(shè)底部電極(23)，頂端電極(22)與底部電極(23)相互對(duì)齊設(shè)置，在兩條出口流道(215)上下兩側(cè)均形成對(duì)電極結(jié)構(gòu)，兩對(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布于聚焦流道(213)的兩側(cè)； 其中，用于記錄細(xì)胞形變的光學(xué)檢測(cè)模塊(12)位于微流控芯片(11)中十字槽結(jié)構(gòu)(214)的正下方，并與處理器(14)連接； 其中，電阻抗檢測(cè)模塊(13)與微流控芯片(11)中的對(duì)電極結(jié)構(gòu)連接，并將得到的電阻抗信號(hào)傳輸給處理器(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:還包括進(jìn)樣裝置(15)和廢液收集裝置(16)，進(jìn)樣裝置(15)和廢液收集裝置(16)分別通過(guò)微管(17)與微流控芯片(11)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述電阻抗檢測(cè)模塊由相互連接的電流放大器(131)和阻抗譜儀(132)組成，其中，阻抗譜儀(132)連接微流控芯片(11)中的頂端電極(22)，電流放大器(131)連接微流控芯片(11)中的底部電極(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單細(xì)胞多參數(shù)表征的微流控芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦流道(213)為直線型流道。
【文檔編號(hào)】G01N15/14GK103439241SQ201310372705
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】倪中華, 唐文來(lái), 項(xiàng)楠, 嚴(yán)巖 申請(qǐng)人:東南大學(xué)