專(zhuān)利名稱(chēng)：濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置和方法及制造該微觀流體 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置 (microfluidic device),制造該微觀流體裝置的方法，以及使用該微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法。
背景技術(shù)：
通常，生物分析方法，例如病原體檢測(cè)和分子診斷，包括從樣品中分離出目標(biāo)細(xì)胞，濃縮含有細(xì)胞的樣品，從細(xì)胞中分離并擴(kuò)增生物分子、雜交及檢測(cè)。芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip) (LOC)，使得這一系列生物分析方法在微芯片上快速并自動(dòng)進(jìn)行，它是目前正在研究的課題。LOC包括為了進(jìn)行這些生物分析步驟的微觀流體裝置。微觀流體裝置指進(jìn)口、出口、反應(yīng)室等通過(guò)微通道流體連接的裝置。除了其上形成的微通道之外，該微觀流體裝置通常包括輸送流體的微型泵，混合流體的微混合器，過(guò)濾被輸送流體的微過(guò)濾器，等等。預(yù)計(jì)集成所述生物分析步驟的常規(guī)裝置包括細(xì)胞計(jì)數(shù)室、細(xì)胞分選室、DNA抽取室和PCR擴(kuò)增室，這些室通過(guò)通道順序并流體連接，且分別具有閥門(mén)和泵。然而，在構(gòu)建簡(jiǎn)單集成所述生物分析方法的裝置時(shí)，需要大量閥門(mén)和微流體控制器，因此難以在單個(gè)裝置中集成這些生物分析方法，而且還需要大量腔室，從而使得裝置體積過(guò)大且過(guò)于昂貴。另外，在腔室之間輸送樣品溶液時(shí)產(chǎn)生氣泡和損失樣品的可能性很高。因此，為了使LOC小型化，需要在單個(gè)室中進(jìn)行盡可能多的生物分析方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了允許在單個(gè)室中形成含有細(xì)胞或病毒的樣品的濃縮物并溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置。本發(fā)明還提供制造該微觀流體裝置的方法。本發(fā)明還提供在該微觀流體裝置的單個(gè)室中同時(shí)濃縮含有細(xì)胞或病毒的樣品及溶解細(xì)胞或病毒的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置，該裝置包括含有陽(yáng)極的陽(yáng)極室，含有陰極的陰極室及分隔陽(yáng)極室和陰極室的離子交換膜，其中陰極室包括固體載體。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方案，固體載體的表面涂布有細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)(cell-binding substance)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)是水接觸角為70° -90°的疏水性物質(zhì)，或者給電荷物質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，疏水性物質(zhì)選自十八烷基三氯硅烷(OTS)、十三氟四氫辛基三甲氧基硅烷(DTS)、十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化銨(OTC)、 聚乙烯亞胺三甲氧基硅烷(PEM)，及其混合物。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，固體載體的結(jié)構(gòu)選自扁平結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、珠粒結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，離子交換膜傳導(dǎo)電流但不允許陽(yáng)極室和陰極室中的電解反應(yīng)產(chǎn)生的離子和氣體通過(guò)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陰極由能夠吸附氫氣的金屬形成，而陽(yáng)極由標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且不和水反應(yīng)的金屬形成。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陰極由鈀(Pd)形成。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陽(yáng)極由選自以下的金屬形成銅(Cu)、鉛(Pb)、銀 (Ag)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和錫(Sn)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陰極室和陽(yáng)極室分別還包括引入和排放溶液的進(jìn)口和出口。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置還包括離子交換膜；在離子交換膜的一側(cè)上形成的第一粘結(jié)層；在離子交換膜的另一側(cè)上形成的第二粘結(jié)層；粘附在第一粘結(jié)層上并具有梯狀開(kāi)口的陽(yáng)極支持基底； 固定在陽(yáng)極支持基底上并與陽(yáng)極支持基底的梯形開(kāi)口形狀對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極；形成陽(yáng)極室同時(shí)覆蓋陽(yáng)極的陽(yáng)極室基底；粘附在第二粘結(jié)層上的陰極室基底，該陰極室基底形成陰極室并包括上表面粘附在第二粘結(jié)層上的固體載體；以及固定在陰極室底部的陰極。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層可分別具有足夠的粘合力，并可以足夠薄以傳導(dǎo)電流。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陽(yáng)極支持基底可以由印刷電路板(PCB)形成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了制造用于濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置的方法，該方法包括制備陽(yáng)極支持基底，該陽(yáng)極支持基底包括位于側(cè)面上的梯形陽(yáng)極并具有形狀對(duì)應(yīng)于梯形陽(yáng)極的開(kāi)口 ；將陽(yáng)極室基底固定在陽(yáng)極支持基底上，以形成陽(yáng)極室同時(shí)覆蓋陽(yáng)極；制備包含固體載體的陰極室基底，該陰極室基底形成陰極室，并包括固定在陰極室底部的陰極；在離子交換膜兩側(cè)分別形成第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層；以及將陽(yáng)極支持基底粘附在第一粘結(jié)層上，且將陰極室基底粘附在第二粘結(jié)層上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，陽(yáng)極支持基底的制備可包括在涂有金屬的印刷電路板 (PCB)上涂布光刻膠膜；透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成梯形陽(yáng)極的圖案的掩膜照射UV光，并顯影該圖案；蝕刻曝光的金屬；以及切割曝光的PCB，形成開(kāi)口。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，陰極室基底的制備包括在陰極室基底上涂布光刻膠膜； 透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成固體載體的圖案的掩膜照射UV光，并顯影該圖案；蝕刻曝光的基底；通過(guò)真空蒸鍍(包括用電子束加熱)將金屬氣相沉積在陰極室基底上；除去光刻膠膜； 以及用另一種金屬電鍍陰極室基底的金屬沉積面。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，陰極室基底的制備還包括用細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)涂布固體載體的表面。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，粘結(jié)層的形成可包括在離子交換膜的兩側(cè)旋涂粘合劑，將離子交換膜的一側(cè)粘附在陽(yáng)極支持基底上，同時(shí)用輥筒展開(kāi)離子交換膜；以及將離子交換膜的另一側(cè)粘附至陰極室基底。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，粘合劑在環(huán)境溫度下可以為液體，當(dāng)施加熱或紫外光固化時(shí)可獲得粘附性。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，將粘結(jié)層粘附至電極支持基底可通過(guò)以下步驟進(jìn)行將陽(yáng)極支持基底、離子交換膜和陰極室基底布置成陣列，并施加熱和壓力。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了使用微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法，該方法包括將含有標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于或低于水的離子物質(zhì)的溶液引入微觀流體裝置的陽(yáng)極室；將含有標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于細(xì)胞或病毒及水的離子物質(zhì)的溶液引入微觀流體裝置的陰極室；通過(guò)陽(yáng)極和陰極施加電流，從而誘導(dǎo)陽(yáng)極室和陰極室中發(fā)生電解，并調(diào)節(jié)引入陽(yáng)極室或陰極室中的溶液的pH。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，被引入陽(yáng)極室且較低標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的離子包括至少一種選自NO3' F—、SO42' PO/—和CO/—的離子。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，被引入陽(yáng)極室且標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的離子包括 Cr。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，被引入陰極室且較低標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的離子包括至少一種選自Na+、K+、Ca2+，Mg2+和Al3+的離子。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，可以通過(guò)改變所施加的電流的方向、所施加的電流的強(qiáng)度、電流施加的時(shí)間、電極的寬度或離子交換膜的厚度而調(diào)節(jié)溶液的pH。


通過(guò)參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)，在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的橫截面圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的角向立體圖；圖3A是在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中，柱的上表面不完全結(jié)合在離子交換膜上的情況下，流動(dòng)的溶液流過(guò)柱的上表面的現(xiàn)象的示意圖；圖3B是在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中，柱的側(cè)面完全結(jié)合在離子交換膜上的情況下，流動(dòng)的溶液流過(guò)柱的側(cè)面的現(xiàn)象的示意圖；圖4是說(shuō)明制備本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的方法的各個(gè)步驟的流程圖；圖5是制備本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的陽(yáng)極支持基底的示例性方法的示意圖；圖6是制備本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的陰極室基底的示例性方法的示意圖；圖7A至圖7C分別是本發(fā)明實(shí)施例中制備的陰極室基底的不同形狀的上表面的示意圖；以及圖8是在電泳實(shí)驗(yàn)實(shí)施例中進(jìn)行電泳得到的照片，該照片示出在使用本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置進(jìn)行DNA抽取時(shí)證實(shí)抽取DNA效果的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參考附圖更全面地描述本發(fā)明，該附圖示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。然而， 本發(fā)明可以具體表現(xiàn)為不同的形式，而不應(yīng)認(rèn)為受限于在此提出的這些實(shí)施方案；相反，提供這些實(shí)施方案使得本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容透徹且全面，并且將本發(fā)明的構(gòu)思完全傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的橫截面圖。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的該實(shí)施方案的微觀流體裝置包括離子交換膜101、第一粘結(jié)層 103、第二粘結(jié)層105、陽(yáng)極支持基底107、陽(yáng)極111、陽(yáng)極室基底113、陰極室基底117和陰極 123。離子交換膜101的特征在于，離子交換膜101傳導(dǎo)電流但不允許陽(yáng)極室和陰極室中的電解反應(yīng)所產(chǎn)生的離子或氣體通過(guò)。例如，離子交換膜101的特征在于，離子交換膜 101傳導(dǎo)電流但不允許陽(yáng)極室和陰極室中的質(zhì)子和氫氧根離子通過(guò)。離子交換膜101可以是陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜。陽(yáng)離子交換膜是允許陽(yáng)離子通過(guò)但對(duì)陰離子的滲透表現(xiàn)出幾乎100%抵抗性的膜。另一方面，陰離子交換膜是允許陰離子通過(guò)但對(duì)陽(yáng)離子的滲透表現(xiàn)出幾乎100%抵抗性的膜。例如，陽(yáng)離子交換膜可以是強(qiáng)酸交換膜(含-S03_、Naf ion )或弱酸交換膜 (含-C00-)，而陰離子交換膜可以是強(qiáng)堿交換膜(含N+(CH3))或弱堿交換膜(含N(CH3)2)。陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中是廣為人知的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠選擇并購(gòu)買(mǎi)合適的離子交換膜101。例如，可以購(gòu)買(mǎi)以下商品名的離子交換膜101 Nafion (Dupont Corp.)>Dowex (Sigma-Aldrich Co.)和 Diaion (Sigma-Aldrich Co·)。第一粘結(jié)層103形成在離子交換膜101的一側(cè)，第二粘結(jié)層105形成在離子交換膜101的另一側(cè)。需要第一粘結(jié)層103和第二粘結(jié)層105具有足夠的粘合力且還要足夠薄以便傳導(dǎo)電流?？梢酝ㄟ^(guò)涂覆粘合劑分別形成第一粘結(jié)層103和第二粘結(jié)層105，該粘合劑在環(huán)境溫度下為液體，而當(dāng)在離子交換膜101的兩側(cè)施加熱而固化及加熱粘結(jié)層時(shí)可獲得粘性。在本發(fā)明的本實(shí)施例中，使用Dow Corning Primer 1205作為粘合劑。陽(yáng)極支持基底107粘附在第一粘結(jié)層103上，且包括梯狀開(kāi)口 109。陽(yáng)極支持基底 107可由選自以下的物質(zhì)形成印刷電路板(PCB)、硅晶片、玻璃、石英、金屬和塑料。例如， 陽(yáng)極支持基底107可以由PCB形成。在使用PCB作為陽(yáng)極支持基底107的情況下，加工方便，且可以減少傳導(dǎo)電流所經(jīng)由的開(kāi)口的寬度，從而可增加單個(gè)橫列中的電極數(shù)量。由此，可以降低電阻，可以均一地控制PH變化分布，以及使柱狀結(jié)構(gòu)的芯片的作用最大化。大規(guī)模生產(chǎn)微觀流體裝置的成本可以降低。例如，在PCB上形成開(kāi)口的方法比通過(guò)噴砂在玻璃基底上形成開(kāi)口的方法便宜約 100 倍。將陽(yáng)極111固定在陽(yáng)極支持基底107上，并根據(jù)梯狀開(kāi)口 109成形。陽(yáng)極111可以由標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且不與水反應(yīng)的金屬形成。此時(shí)，陽(yáng)極室115中不產(chǎn)生氣體，從而陽(yáng)極室115不需要?dú)怏w出口。陽(yáng)極111可以由選自氧化電位高于水且不與水反應(yīng)的任何金屬形成，但陽(yáng)極111
8并不限于此。通常，根據(jù)水的電解，在陽(yáng)極111附近產(chǎn)生氧氣，形成泡沫，產(chǎn)生的質(zhì)子降低了溶液的pH。另一方面，本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置采用標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的金屬，因此，金屬被氧化并離子化，而水沒(méi)有被電解，因此沒(méi)有氣體產(chǎn)生，另外，可在某些情況下例如電壓增大和溶質(zhì)變化時(shí)產(chǎn)生的少量氧和標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的金屬結(jié)合，形成金屬氧化物，從而不會(huì)因氧氣生成而產(chǎn)生泡沫。標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且與水反應(yīng)的金屬不適合用作陽(yáng)極111。例如，鉀(K)、鈣 (Ca)，鈉(Na)和鎂(Mg)不適合用作陽(yáng)極111。另外，標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水但形成氧化膜太快從而使得電阻增加的金屬也不適合用作陽(yáng)極111。例如，鋁(Al)很快氧化為氧化鋁，因此不適合用作陽(yáng)極111。本發(fā)明實(shí)施方案的陽(yáng)極111可由選自銅(Cu)、鉛(Pb)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、 鎳(Ni)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和錫(Sn)的金屬形成。陽(yáng)極室基底113覆蓋陽(yáng)極111并形成陽(yáng)極室115。陰極室基底117粘附在第二粘結(jié)層105上，形成陰極室119，并包括多個(gè)柱121，柱 121的上表面粘附在第二粘結(jié)層105上。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，柱121的結(jié)構(gòu)可以選自扁平結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、珠粒結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。柱121可以處于可結(jié)合細(xì)胞的狀態(tài)。例如，借助柱121表面的物理或化學(xué)性質(zhì)如疏水性或電荷可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和柱121的結(jié)合。需要柱121表面上涂覆有細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)。對(duì)細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)沒(méi)有特別限制，只要該細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)是能夠給柱121提供疏水性或電荷且能夠俘獲細(xì)胞或病毒的物質(zhì)。例如，細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)可以是水接觸角為70° -90°的疏水性物質(zhì)，或給電荷物質(zhì)。確定柱121表面疏水程度的代表性方法包括水接觸角。當(dāng)柱121表面的水接觸角增加時(shí)，疏水程度增加。當(dāng)含細(xì)胞或病毒的溶液與水接觸角為70° -90°的疏水的柱121 接觸時(shí)，細(xì)胞或病毒通過(guò)與疏水柱121之間的疏水相互作用等結(jié)合在柱121上。親水的柱 121幾乎不與細(xì)胞或病毒結(jié)合，如以下實(shí)施例所示。另外，當(dāng)疏水柱121的水接觸角低于或高于上述范圍時(shí)，結(jié)合在疏水柱121上的細(xì)胞或病毒的數(shù)量下降(未示出結(jié)果)。疏水性物質(zhì)的實(shí)例包括十八烷基三氯硅烷(OTS)、十三氟四氫辛基三甲氧基硅烷 (DTS)、十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化銨(OTC)、聚乙烯亞胺三甲氧基硅烷(PEI M)，等等。將陰極123固定在陰極室119底部而不是柱121上。陰極123可以由能吸附氫氣的金屬形成。此時(shí)，由于陰極室119中無(wú)氣體產(chǎn)生，陰極室119不需要?dú)怏w出口。陰極123可以由能吸附氫氣的任何金屬形成，但陰極并不具體限于此。例如， 陰極123可以由已知能吸附大量氫氣的鈕I (Pd)形成(參見(jiàn)Bhadra Munasiri, et al., J. Electroanal. Chem.，pp 333-337，1992)。例如，在使用 Pd 作為陰極 123 的情況下，Pd 可以通過(guò)吸附因水的電解在陰極123附近產(chǎn)生的氫氣而防止氣體產(chǎn)生，而水的電解同時(shí)產(chǎn)生的0H_離子可升高陰極123附近的溶液的pH。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的角向立體圖。參見(jiàn)圖2，微觀流體裝置包括，作為主要部件的陽(yáng)極室基底213、陽(yáng)極支持基底207、離子交換膜201和陰極室基底217。陽(yáng)極室基底213包括形成陽(yáng)極室215的空間、進(jìn)口 229a、出口 231a、陰極孔225a 和陽(yáng)極孔227a。陽(yáng)極支持基底207包括梯狀開(kāi)口 209、形狀對(duì)應(yīng)于梯狀開(kāi)口 209的陽(yáng)極211、進(jìn)口 229b、出口 231b、陰極孔225b和陽(yáng)極墊227b。離子交換膜201包括進(jìn)口 229c、出口 231c和陰極孔225c。陰極室基底217包括陰極室219、多個(gè)柱221、固定在陰極室219底部的陰極223、 進(jìn)口 229d、出口 231d和陰極墊225d。進(jìn)口229a、229b、229c 和 229d 對(duì)齊排列，出口 231a、231b、231c 和 231d 也對(duì)齊排列。另外，陰極孔225a、225b和225c，以及陰極墊225d對(duì)齊排列，陽(yáng)極孔227a和陽(yáng)極墊 227b也對(duì)齊排列。圖3A是在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中柱321的上表面不完全結(jié)合在離子交換膜301上的情況下，流動(dòng)的溶液流過(guò)柱321的上表面的現(xiàn)象的示意圖。參見(jiàn)圖3A，包含細(xì)胞或病毒的溶液完全在柱321的上表面上流動(dòng)，即，細(xì)胞或病毒不能被柱321俘獲，因此， 不能實(shí)現(xiàn)含細(xì)胞或病毒的溶液的濃縮。圖3B是在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中柱321的上表面完全結(jié)合在離子交換膜301上的情況下，流動(dòng)的溶液流過(guò)柱321的側(cè)面的現(xiàn)象的示意圖。參見(jiàn)圖3B，和圖3A 顯示的情況不同，當(dāng)包含細(xì)胞或病毒的溶液流過(guò)柱321時(shí)，細(xì)胞或病毒可以被柱321俘獲， 因此，可以實(shí)現(xiàn)含細(xì)胞或病毒的溶液的濃縮。本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置通過(guò)引入第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層解決了問(wèn)題。在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中，陽(yáng)極室和陰極室指可以容納物質(zhì)(例如流體)的空間，且可以是能將物質(zhì)放入亞微升空間的微室，但所述微室并不限于此。發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置不具體限于在特定的形式、結(jié)構(gòu)、尺寸等。本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的陰極室和陽(yáng)極室分別還包括引入和排放溶液的進(jìn)口和出口，且還可以包括接收和排放溶液的微型泵。在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中，可以將含有標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于或低于水的各類(lèi)離子的溶液，即待電解的電解液，引入陽(yáng)極室。標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的離子可包括至少一種選自N03_、F_、SO42' P043_和C032_的陰離子，標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的離子可以由包括 Cl—離子的電解液提供，但本發(fā)明并不限于此。如果引入陽(yáng)極室的溶液包括標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的化合物，則當(dāng)使用本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置進(jìn)行電解時(shí)，在陽(yáng)極室中水發(fā)生電解，產(chǎn)生氧氣和H+離子。此時(shí)，陽(yáng)極室中溶液的PH因存在H+離子而下降。另一方面，如上所述，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且不和水反應(yīng)的金屬作為陽(yáng)極時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的金屬被氧化而不會(huì)產(chǎn)生氧氣。標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的Cl—離子尤其最適合用于細(xì)胞溶解。在本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置中，可以將含有細(xì)胞或病毒以及各種標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的溶液引入陰極室中。離子的實(shí)例包括Na+、K+、Ca2+，Mg2+和Al3+等，但不限于此。因此，在使用本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置進(jìn)行電解時(shí)，水在陰極室電解中產(chǎn)生氫氣和0H—離子。此時(shí)，陰極室中的溶液因存在0H—離子而達(dá)到較高的pH。另外，如上所述，當(dāng)使用能吸附氫氣的金屬作為陰極時(shí)，產(chǎn)生的氫氣被吸附，而無(wú)氣泡產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，細(xì)胞或病毒可包括細(xì)菌細(xì)胞、噬菌體、植物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞、植物病毒、動(dòng)物病毒等，但細(xì)胞或病毒的具體類(lèi)型在此沒(méi)有具體限定。圖4是說(shuō)明制造本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的方法的各個(gè)步驟的流程圖。參見(jiàn)圖4，首先制備陽(yáng)極支持基底(410)，該陽(yáng)極支持基底包括梯形陽(yáng)極并具有和梯形陽(yáng)極形狀對(duì)應(yīng)的開(kāi)口。圖5是制備本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的陽(yáng)極支持基底的示例性方法的示意圖。參見(jiàn)圖5，為了制備陽(yáng)極支持基底，首先在PCB501上涂布光刻膠膜505，PCB 501事先已經(jīng)涂布有金屬503(步驟(b));透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成梯形陽(yáng)極的圖案的掩膜照射 UV光，以便將光刻膠膜505曝光于UV光(步驟(c));以及顯影圖案(步驟(d))。接下來(lái)， 蝕刻曝光的金屬503 (步驟(e))，并剝?nèi)ス饪棠z膜505 (步驟(f))。然后，蝕刻曝光的PCB501 以形成開(kāi)口(步驟(g));以及在保留的金屬503上涂布另一種金屬507 (步驟(h))。參見(jiàn)圖4，隨后將陽(yáng)極室基底固定在陽(yáng)極支持基底上，從而形成覆蓋陽(yáng)極(420)的陽(yáng)極室。接著，陰極室基底形成陰極室并包括固定在陰極室(430)上的陰極，所述陰極室基底包括固體載體，例如多個(gè)柱。圖6是說(shuō)明制備本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置的陰極室基底的方法的示意圖。參見(jiàn)圖6，為了制備陰極室基底，首先在硅晶片601上涂布光刻膠膜603(步驟 (a))，透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成柱的圖案的掩膜605照射UV光，并在掩膜605上顯影圖案 (步驟(C))。隨后，蝕刻曝光的硅晶片601，通過(guò)包括用電子束加熱的真空蒸鍍將金屬607 和609依次氣相沉積在硅晶片601上(步驟(e)和(f))。然后，使用溶劑除去光刻膠膜 603 (此時(shí)，還除去光刻膠膜603上的金屬607)(步驟(g))，在硅晶片601的金屬609上電鍍另一種金屬611 (步驟(h))。陰極室基底的制備還包括在形成的柱的表面上涂布細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)。再參見(jiàn)圖4，然后在離子交換膜(440)的兩側(cè)分別形成第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層。第一和第二粘結(jié)層的形成可包括在離子交換膜的兩側(cè)旋涂粘合劑；將離子交換膜的一側(cè)粘附在陽(yáng)極支持基底上，同時(shí)用輥筒展開(kāi)離子交換膜；以及將離子交換膜的另一側(cè)結(jié)合在陰極室基底上。粘合劑在環(huán)境溫度下可以為液體，當(dāng)施加熱或紫外光進(jìn)行固化時(shí)可獲得粘附性。 在本發(fā)明的實(shí)施方案中，可以使用Dow Corning Primer 1205作為粘合劑。接下來(lái)，將陽(yáng)極支持基底粘附在第一粘結(jié)層上，并將陰極室基底粘附在第二粘結(jié)層(450)上。通過(guò)將陽(yáng)極支持基底、離子交換膜和陰極室基底布置成陣列，并向該陣列施加熱和壓力，可以實(shí)現(xiàn)第一和第二粘結(jié)層與陽(yáng)極支持基底和陰極室基底的粘附。此外，本發(fā)明提供了使用本發(fā)明實(shí)施方案的微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法。使用微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法包括將含有標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于或低于水的多種離子的溶液引入微觀流體裝置的陽(yáng)極室；將含有細(xì)胞或病毒及標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的多種離子的溶液引入微觀流體裝置的陰極室；通過(guò)陽(yáng)極和陰極施加電流，以誘導(dǎo)陽(yáng)極室和陰極室中發(fā)生電解，并調(diào)節(jié)引入陽(yáng)
11極室或陰極室的溶液的pH。標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的陰離子、標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的陰離子和標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的陽(yáng)離子的實(shí)例，以及細(xì)胞或病毒的實(shí)例如上所述。但是，步驟(a)和(b)可以同時(shí)進(jìn)行或依次進(jìn)行。通過(guò)改變所施加的電流的方向、所施加的電流的強(qiáng)度、電流施加的時(shí)間、電極的寬度或離子交換膜的厚度可以調(diào)節(jié)溶液的pH。所施加的電流的方向、所施加的電流的強(qiáng)度、電流施加的時(shí)間、電極的寬度和離子交換膜的厚度的精確值可以根據(jù)需要的pH、室的體積等改變，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉菀椎卮_定這些參數(shù)。當(dāng)將含有NaCl (其是生物樣品溶液中含量最多的)的樣品溶液引入陽(yáng)極和陰極， 然后電解時(shí)，在陽(yáng)極室的氯離子而不是水被電解，產(chǎn)生氯氣，從而，產(chǎn)生的質(zhì)子的量比陰極室中產(chǎn)生的氫氧根離子的量少。該數(shù)量的質(zhì)子是由氯氣和水反應(yīng)產(chǎn)生的，且根據(jù)溶解氯氣的條件而改變，因此使得樣品溶液的PH難以控制。為了解決這些問(wèn)題，本發(fā)明在陽(yáng)極室和陰極室中分別使用標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的化合物和標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的化合物。然而， 在僅僅溶解細(xì)胞的情況下，可以將包含NaCl的樣品溶液引入陽(yáng)極和陰極，然后電解，從而細(xì)胞可以在陰極溶解。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，由于將含有標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的化合物的陰極室用溶液引入陰極室，因此水在陰極室中被電解，以產(chǎn)生氫氣和0H_離子。另外，由于將含有標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的化合物的陽(yáng)極室用溶液引入陽(yáng)極室，因此水在陽(yáng)極室中被電解，以產(chǎn)生氧氣和H+離子。結(jié)果，根據(jù)pH，陰極室中的溶液是堿性的，而根據(jù)pH，陽(yáng)極室中的溶液是酸性的。另一方面，如上討論的，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且不和水反應(yīng)的金屬作為陽(yáng)極，且使用吸附氫氣的金屬作為陰極時(shí)，可以防止陽(yáng)極室和陰極室中產(chǎn)生氣體。在下文，將參考下列實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，這些實(shí)施例僅僅用于說(shuō)明性目的，而不意圖用這些實(shí)施例限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例I微觀流體裝置的制造使用娃晶片制備圖2所不的陽(yáng)極室基底。使用圖5所示的方法制備陽(yáng)極支持基底。PCB用作陽(yáng)極支持基底，其上涂布鉛作為陽(yáng)極。陽(yáng)極支持基底的寬度和長(zhǎng)度分別為14mm和34mm,開(kāi)口的寬度為I. Omm,橫向單元電極的寬度為O. 5mm。使用圖6所示的方法制備陰極室基底。硅晶片用作基底，其上涂布鈀作為陰極。圖 7A是本發(fā)明實(shí)施例中制備的陰極室基底717a的上表面的示意圖。參見(jiàn)圖7A，在陰極室基底717a上形成多個(gè)柱721a，除了柱721a之外，在陰極室的底部形成陰極719a，還提供和電源連接的陰極墊725a。在娃晶片上旋涂(500rpm,5s ;700rpm, 10s)Dow Corning Primer 1205 作為粘合劑，使用輥筒將含有-SO3-Na+基團(tuán)的陽(yáng)離子交換膜粘附在硅晶片上，然后在其上旋涂 (500rpm,5s ； 1500rpm, 10s)Dow Corning Primer 1205,以便在陽(yáng)離子交換膜上形成第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層。Dow Corning Primerl205 的特征在于，Dow Corning Primer 1205 在環(huán)境溫度下具有和水同樣低的粘度且沒(méi)有粘性，但當(dāng)向Dow Corning Primer 1205施加熱時(shí)，粘合劑固化并獲得粘性。將上述制備的陽(yáng)極室基底、陽(yáng)極支持基底、陽(yáng)離子交換膜和陰極室基底布置為陣列，并通過(guò)加熱至120°C及施加I噸壓力30分鐘將它們結(jié)合在一起，以制備本發(fā)明的微觀流體裝置。制備的陰極室和陽(yáng)極室的體積分別為10 μ I。實(shí)施例2-6微觀流體裝置的制備用和實(shí)施例I相同的方法制備實(shí)施例2-6的微觀流體裝置，不同之處在于陰極室基底的形狀不同。圖7Β和7C分別是實(shí)施例2和實(shí)施例3制備的不同形狀的陰極室基底的上表面的示意圖。比較例I微觀流體裝置的制備用和實(shí)施例I相同的方法制備微觀流體裝置，不同之處在于，其中沒(méi)有提供第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例I證實(shí)微觀流體裝置對(duì)含有細(xì)胞的樣品的濃縮的影響證實(shí)使用實(shí)施例1-6和比較例I制備的微觀流體裝置俘獲細(xì)胞對(duì)包含細(xì)胞的樣品的濃縮的影響。使500 μ I含有Escherichia coil細(xì)胞、細(xì)胞濃度為2. 5X IO6細(xì)胞/ml的溶液以 30μ Ι/min的流速流過(guò)每個(gè)微觀流體裝置的陰極室，然后計(jì)數(shù)陰極室俘獲的細(xì)胞數(shù)目，確定細(xì)胞的俘獲比率。結(jié)果示于表I。如表I所示，使用本發(fā)明實(shí)施例制備的微觀流體裝置獲得的細(xì)胞俘獲比率大于90%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)機(jī)械鄰接微觀流體裝置的柱的上表面而不是用粘合劑結(jié)合柱的上表面來(lái)俘獲細(xì)胞時(shí)，沒(méi)有細(xì)胞被俘獲。表I
權(quán)利要求
1.用于濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置，該裝置包括 容納陽(yáng)極的陽(yáng)極室；容納陰極和固體載體的陰極室，其中所述固體載體處于細(xì)胞可結(jié)合的狀態(tài)；和分隔陽(yáng)極室和陰極室的離子交換膜，其中所述陽(yáng)極室形成在所述離子交換膜的一側(cè)上形成的第一粘結(jié)層上，和所述陰極室形成在所述離子交換膜的另一側(cè)上形成的第二粘結(jié)層，所述第二粘結(jié)層粘附在所述固體載體的上表面。
2.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，其中固體載體的表面涂布有細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)。
3.權(quán)利要求2的微觀流體裝置，其中細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)是水接觸角為70°-90°的疏水性物質(zhì)，或給電荷物質(zhì)。
4.權(quán)利要求3的微觀流體裝置，其中疏水性物質(zhì)選自十八烷基三氯硅烷、十三氟四氫辛基三甲氧基硅烷、十八烷基二甲基(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化銨、聚乙烯亞胺三甲氧基娃燒、及其混合物。
5.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，其中固體載體的結(jié)構(gòu)選自扁平結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)、珠粒結(jié)構(gòu)和篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，其中離子交換膜傳導(dǎo)電流，但不允許陽(yáng)極室和陰極室中的電解反應(yīng)所產(chǎn)生的離子和氣體通過(guò)。
7.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，其中陰極是由能夠吸附氫氣的金屬形成的，而陽(yáng)極是由標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水且不與水反應(yīng)的金屬形成的。
8.權(quán)利要求7的微觀流體裝置，其中陰極由鈀(Pd)形成。
9.權(quán)利要求7的微觀流體裝置，其中陽(yáng)極是由選自以下的金屬形成的銅(Cu)、鉛 (Pb)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鐵(Fe)和錫(Sn)。
10.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，其中陰極室和陽(yáng)極室還分別包括引入和排放溶液的進(jìn)口和出口。
11.權(quán)利要求I的微觀流體裝置，還包括離子交換膜；第一粘結(jié)層，形成在離子交換膜的一側(cè)上；第二粘結(jié)層，形成在離子交換膜的另一側(cè)上；陽(yáng)極支持基底，粘附在第一粘結(jié)層上并具有梯狀開(kāi)口 ；陽(yáng)極，固定在陽(yáng)極支持基底上且形狀對(duì)應(yīng)于陽(yáng)極支持基底的梯形開(kāi)口；陽(yáng)極室基底，形成陽(yáng)極室同時(shí)覆蓋陽(yáng)極；陰極室基底，粘附在第二粘結(jié)層上，形成陰極室并包括上表面粘附在第二粘結(jié)層上的固體載體；以及陰極，固定在陰極室的底部。
12.權(quán)利要求11的微觀流體裝置，其中第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層能夠傳導(dǎo)電流。
13.權(quán)利要求11的微觀流體裝置，其中電極支持基底是由印刷電路板(PCB)形成的。
14.制備權(quán)利要求I的微觀流體裝置的方法，該方法包括制備陽(yáng)極支持基底，該陽(yáng)極支持基底包括位于一側(cè)的梯形陽(yáng)極并具有形狀對(duì)應(yīng)于梯形陽(yáng)極的開(kāi)口；將陽(yáng)極室基底固定在陽(yáng)極支持基底上，以覆蓋陽(yáng)極并形成陽(yáng)極室；制備包含固體載體的陰極室基底，該陰極室基底形成陰極室，并包括固定在陰極室底部的陰極；在離子交換膜相應(yīng)側(cè)面上形成第一粘結(jié)層和第二粘結(jié)層；以及將陽(yáng)極支持基底粘附在第一粘結(jié)層上，而將陰極室基底粘附至第二粘結(jié)層上。
15.權(quán)利要求14的方法，其中制備陽(yáng)極支持基底包括在涂有金屬的印刷電路板(PCB)上涂布光刻膠膜；透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成梯形陽(yáng)極的圖案的掩模照射UV光，并顯影陽(yáng)極上的圖案；蝕刻曝光的涂有金屬的PCB ;以及切割曝光的涂有金屬的PCB，形成開(kāi)口。
16.權(quán)利要求14的方法，其中制備陰極室基底包括在陰極室基底上涂布光刻膠膜；透過(guò)具有被設(shè)計(jì)用于形成固體基底的圖案的掩模照射UV光，并顯影固體基底上的圖蝕刻曝光的固體基底；通過(guò)包括電子束加熱的真空蒸鍍將金屬氣相沉積在固體基底上；除去光刻膠膜；以及用另一種金屬電鍍固體基底的金屬沉積面。
17.權(quán)利要求14的方法，其中制備陰極室基底還包括用細(xì)胞結(jié)合物質(zhì)涂布固體載體的表面。
18.權(quán)利要求14的方法，其中形成第一和第二粘結(jié)層包括在離子交換膜的兩側(cè)旋涂粘合劑；將離子交換膜的一側(cè)粘附在陽(yáng)極支持基底上，同時(shí)用輥筒展開(kāi)離子交換膜；以及將離子交換膜的另一側(cè)粘附在陰極室基底上。
19.權(quán)利要求18的方法，其中粘合劑在室溫下為液體，當(dāng)向粘合劑施加熱或紫外光而固化時(shí)獲得粘附性。
20.權(quán)利要求14的方法，其中將第一和第二粘結(jié)層粘附在陽(yáng)極支持基底和陰極室基底上是通過(guò)將陽(yáng)極支持基底、離子交換膜和陰極室基底布置成陣列，并向該陣列施加熱和壓力而進(jìn)行的。
21.使用權(quán)利要求I的微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法，該方法包括將含有標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于或低于水的多種離子的溶液引入微觀流體裝置的陽(yáng)極室中；將含有細(xì)胞或病毒及標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的多種離子的溶液引入微觀流體裝置的陰極室；以及通過(guò)陽(yáng)極和陰極施加電流，以誘導(dǎo)陽(yáng)極室和陰極室中發(fā)生電解，并調(diào)節(jié)引入陽(yáng)極室或陰極室中的溶液的pH。
22.權(quán)利要求21的方法，其中被引入陽(yáng)極室且標(biāo)準(zhǔn)氧化電位低于水的離子包括至少一種選自 NO3' F' SO42' PO43-和 CO32-的離子。
23.權(quán)利要求21的方法，其中被引入陽(yáng)極室且標(biāo)準(zhǔn)氧化電位高于水的離子包括Cl'
24.權(quán)利要求21的方法，其中被引入陰極室且標(biāo)準(zhǔn)還原電位低于水的離子包括至少一種選自Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Al3+的離子。
25.權(quán)利要求21的方法，其中溶液的pH是通過(guò)改變所施加的電流的方向、所施加的電流的強(qiáng)度、電流施加的時(shí)間、電極的寬度或離子交換膜的厚度而調(diào)節(jié)的。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的微觀流體裝置，該裝置包括容納陽(yáng)極的陽(yáng)極室，容納陰極的陰極室，分隔陽(yáng)極室和陰極室的離子交換膜，陰極室包含固體載體；本發(fā)明還提供了制造所述微觀流體裝置的方法，及使用該微觀流體裝置濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品和溶解細(xì)胞或病毒的方法。所述微觀流體裝置可以有效地濃縮包含細(xì)胞或病毒的樣品并溶解細(xì)胞或病毒，且濃縮和溶解方法可以在單個(gè)室中進(jìn)行。
文檔編號(hào)C12M1/34GK102586094SQ20121003279
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者李憲周, 鄭成榮, 金俊鎬, 黃奎淵 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社