一種基于微流控芯片的單細胞分選裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于微流控芯片的單細胞分選裝置，包括具有樣品分選通道的PDMS微流控芯片；所述樣品分選通道包括進樣區(qū)，該進樣區(qū)一端連通插有鉑電極的進樣孔，另一端與檢測區(qū)相連通，且進樣孔內的鉑電極與直流電源的正極連接；分別連通進樣區(qū)、分選區(qū)的檢測區(qū)；以及具有若干細胞分選通道的分選區(qū)，各所述細胞分選通道一端均與檢測區(qū)相連通，另一端分別連通插有鉑電極的目標細胞儲液孔；各所述目標細胞儲液孔內的鉑電極均與通道分選元件相連接，并通過一個參考電阻與直流電源負極相連接；該參考電阻的兩端連接信號放大元件的輸入端，信號放大元件的輸出端連接至信號采集控制系統(tǒng)。本實用新型具有檢測精度高、結構簡單、易于攜帶等優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于微流控芯片的單細胞分選裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及單細胞操控領域，具體的說是涉及一種能夠在微流控芯片對單細胞進行操控的單細胞分選裝置。
【背景技術】
[0002]微流控芯片(microfluidic chip)技術是通過分析化學、電子學、材料學、生物學、醫(yī)學及微機電加工、計算機技術的交叉將化學、生物學等領域所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分選和檢測等過程，縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，并對其結果進行檢測與分析，從而實現(xiàn)血液樣本檢測的整體微型化、自動化、集成化和便攜化的技術。
[0003 ]在微流控芯片上，通過對微流體施加不同的力，比如介電電泳、磁場力、聲動力、光鑷技術等，在微流控通道內這些力與流體動力相結合，從而實現(xiàn)單細胞的操控分選。在單細胞的分析中，能夠在眾多細胞中分選出一個特殊的細胞是非常重要的，目前，有多種方法應用在微流控芯片上進行單細胞的操控:
[0004]1.介電電泳法:這種技術描述的是一種本身不帶電、但可以被不同程度極化的顆粒在不均勻的電場中產生的側向移動。由于不同的細胞具有不同的介電特性，基于這種介電泳力的微流控芯片設備已經可以用于醫(yī)學診斷。這種方法操作精確且不會破壞待檢測物，具有收集速度快、收集位置可調以及易于與其它設備集成等優(yōu)點;但這種方法受外界電場影響較大，易產生誤差。
[0005]2.光鑷技術:這種技術是運用光鉗設備來提供聚焦激光束，從而產生一種吸引或排斥的力來固定或移動微觀絕緣體。這種技術已經可以用來在三維環(huán)境下以一種不接觸的方式來對絕緣顆粒進行操控和分選，這種設備在操控方面具有高靈敏性，同時在不同生物學應用中對于活細胞的操控也是一個有力的工具，比如進行活細胞的分選，分析單細胞基于環(huán)境變化的運動規(guī)律等;但是這種方法操作起來不太方便，而且設備較復雜，成本較高。
[0006]3.流體動力技術:在微流控芯片設備上進行流體動力操控可以更好的觀察環(huán)境變化對細胞產生的影響，在流通通道中引入樣品和介質可以提供一種更為高效和高通量的細胞分選;但細胞在流體中流動時可能產生變形，并影響到細胞的活性，同時流體中的細胞操控比較麻煩。
[0007]4.磁場力技術:通過對微流控芯片系統(tǒng)施加外部的磁場實現(xiàn)對生物惰性顆粒及細胞的操控。相對于光強或電場來說，恒定的磁場對細胞產生的不利影響小的多，因此表面磁場力對于生物細胞的操控及分選特別有效;然而對每種不同細胞進行特殊的生物標記會對細胞本身的特性產生影響。
[0008]5.離心力技術:通過對螺旋的微流控通道施加離心力，根據細胞的尺寸實現(xiàn)對細胞的分選。離心力技術特別適合于細胞的操控，可以輕松實現(xiàn)細胞的分離目的;缺點是這種方法只能使細胞從旋轉中心向外單方向流動，同時很難使旋轉的轉盤與固定的設備相互作用。

【發(fā)明內容】

[0009]鑒于已有技術存在的缺陷，本實用新型的目的是要提供一種基于微流控芯片的單細胞分選裝置，該裝置具有檢測精度高、結構簡單、易于攜帶等優(yōu)點。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案:
[0011]—種基于微流控芯片的單細胞分選裝置，包括玻璃底片及加工有樣品分選通道的PDMS微流控芯片，該PDMS微流控芯片與玻璃底片之間形成待測樣品流通的微流道且所述PDMS微流控芯片凹刻有微流道一側與玻璃底片封接為一體結構，其特征在于:
[0012]所述樣品分選通道包括
[0013]進樣區(qū)，該進樣區(qū)一端連通插有鉑電極的進樣孔，另一端與檢測區(qū)相連通，且進樣孔內的鉑電極與直流電源的正極連接；
[0014]分別連通進樣區(qū)、分選區(qū)的檢測區(qū)；
[0015]以及具有若干細胞分選通道的分選區(qū)，各所述細胞分選通道一端均與檢測區(qū)相連通，另一端分別連通插有鉑電極的目標細胞儲液孔;各所述目標細胞儲液孔內的鉑電極均與通道分選元件相連接，并通過一個參考電阻與直流電源負極相連接;該參考電阻的兩端連接信號放大元件的輸入端，信號放大元件的輸出端連接信號采集控制系統(tǒng);本單細胞分選裝置工作時，通過通道分選元件控制各所述細胞分選通道所對應鉑電極與是否電源負極連通(即是否有電滲流動)，來實現(xiàn)將當前待分選的細胞分選至該通道。
[0016]進一步的，所述信號放大元件采用差分放大器元件。
[0017]進一步的，所述信號采集控制系統(tǒng)包括單片機處理器;所述單片機處理器用以檢測所述樣品通道的檢測區(qū)內是否有待分選的細胞通過，當存在待分選的細胞通過所述檢測區(qū)時，則控制通道分選元件進行細胞分選通道選擇動作，即控制對應的目標細胞儲液孔的鉑電極與直流電源的通斷完成細胞分選，以完成斷開原細胞分選通道，接通目標細胞分選通道，使細胞在電滲作用下進入目標細胞分選通道;所述通道分選元件通過按照所述單片機處理器的控制命令控制對應的目標細胞儲液孔的鉑電極與直流電源的通斷完成細胞分選。
[0018]所述通道分選元件采用分別與各目標細胞儲液孔內的鉑電極相連接的繼電器;該繼電器受控于單片機處理器，用以在所述單片機處理器控制命令的作用下，控制對應的目標細胞儲液孔內的鉑電極與直流電源負極的通斷，實現(xiàn)控制各細胞分選通道內產生電滲流驅動作用的目的。
[0019]進一步的，所述細胞分選通道以與檢測區(qū)的連通處為中心，呈放射形分布于PDMS微流控芯片上。
[0020]采取上述裝置進行單細胞操控過程為:
[0021 ]設定該裝置具有η個目標細胞儲液孔(記為N1，i = 1-η)，即所述細胞分選通道的數量為η個；
[0022]具體的其包括如下步驟:
[0023]I)樣品滴加:首先在進樣孔以及各個目標細胞儲液孔中滴加相同體積的磷酸鹽(PBS)緩沖液，然后將一定量的待分選單細胞樣品滴加到進樣孔中；
[0024]2)樣品運輸預檢測:接通直流電源，將進樣孔中的樣品電滲運輸至預接通的某一目標細胞儲液孔，如Ni ；
[0025]3)樣品運輸檢測過程:當存在待分選的樣品細胞經過檢測區(qū)時，相應的參考電阻兩端電壓發(fā)生變化，該電壓變化信號由與參考電阻連接的信號放大元件采集，信號放大元件進行信號放大后發(fā)送至信號采集控制系統(tǒng)進行分析處理；同時信號采集控制系統(tǒng)內的單片機處理器在檢測到樣品細胞經過檢測通道的檢測區(qū)時，則控制通道分選元件-繼電器進行細胞分選通道選擇動作;所述繼電器通過按照所述單片機處理器的控制命令控制對應的細胞分選通道如犯的鉑電極與直流電源的接通，其他細胞分選通道的鉑電極與直流電源斷開原通路，從而使細胞在電滲作用下進入N2通路，經過一定時間T后，完成細胞進入目的分選通道N2通路的分選過程；當下一個細胞經過檢測區(qū)時，單片機處理器繼續(xù)動作，斷開其他通路，接通N3通路，從而按照單片機處理器內部設定的接通邏輯依次動作，完成細胞的分選。
[0026]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的優(yōu)點在于:
[0027]1.本實用新型采用電滲驅動樣品，無需外加栗等設備，減少了裝置的體積；
[0028]2.本實用新型采用外接電阻差分檢測方式，且不需要在檢測區(qū)域兩端設置檢測通道，簡化的芯片的結構；
[0029]3.本實用新型利用信號采集處理系統(tǒng)作為數據處理終端來完成細胞分選通道的選擇動作，具有裝置體積小，造價低、能夠有效便捷實現(xiàn)樣品細胞分選工作。
【附圖說明】
[0030]圖1為本實用新型所述的單細胞分選裝置電路原理圖；
[0031 ]圖2為本實用新型所述的單細胞分選裝置電路結構圖；
[0032]圖3為本實用新型所述的單細胞分選裝置-PDMS微流控芯片結構示意圖。
[0033]圖中:1、檢測區(qū)，2、與目標細胞儲液孔B配套的細胞分選通道，3、與目標細胞儲液孔C配套的細胞分選通道，4、與目標細胞儲液孔D配套的細胞分選通道，5、與目標細胞儲液孔E配套的細胞分選通道，6、與目標細胞儲液孔F配套的細胞分選通道，R、定值電阻，P、差分放大器。
【具體實施方式】
[0034]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。
[0035]阻抗脈沖檢測技術(RPS)是一種應用廣泛的檢測方法，可實現(xiàn)單個細胞的檢測和尺寸判定，和其它技術相比，RPS技術具有檢測精度高、檢測可靠、易于便攜化等突出優(yōu)點；同時鑒于近年來微納加工技術的快速發(fā)展，基于微流控芯片的便攜化電子檢測技術和儀器的研究也受到了廣泛關注;本實用新型也是基于上述兩種技術設計了一種新型的在微流控芯片上實現(xiàn)全自動操控單細胞分選的裝置。
[0036]如圖1所述的電路設計原理，本實用新型主要包括:用于實現(xiàn)分選細胞的微流控芯片細胞分選部分，根據所述微流控芯片細胞分選部分的檢測區(qū)域通過細胞時所對應的電阻值轉化為電壓信號的電壓檢測部分，將所述電壓信號放大的差分放大部分以及基于所述電壓信號控制各分選細胞通道通斷的單片機處理部分;所述電壓檢測部分輸入端與定值電阻R兩端連接，所述電壓檢測部分輸出端與所述差分放大部分輸入端連接、所述差分放大部分輸出端與所述單片機處理部分連接、所述單片機處理部分輸出端與繼電器連接。
[0037]因此，基于上述電路組成，本實用新型所述的單細胞分選裝置，其包括:
[0038]由玻璃底片、設置有若干微流道的TOMS微流控芯片組成的微流控芯片細胞分選部分、信號放大元件以及信號采集控制系統(tǒng)；
[0039]所述PDMS微流控芯片上的微流道包括:
[0040]進樣區(qū)，該進樣區(qū)一端連通插有鉑電極的進樣孔，另一端與檢測區(qū)相連通，且進樣孔內的鉑電極與直流電源的正極連接；
[0041 ] 分別連通進樣區(qū)、分選區(qū)的檢測區(qū)；
[0042]以及具有若干均與所述檢測區(qū)相連通的細胞分選通道的分選區(qū)；各所述細胞分選通道一端均與檢測區(qū)相連通，另一端分別連通插有鉑電極的目標細胞儲液孔，各個細胞分選通道與相對應的目標細胞儲液孔配套使用，微通道數量以實際分選需求為準;優(yōu)選的，各所述細胞分選通道呈放射形分布于PDMS微流控芯片上，即分別以與檢測區(qū)連通處為起點，沿遠離該連通處方向延長一定長度后連接插有鉑電極的目標細胞儲液孔；
[0043]同時本單細胞分選裝置利用差分原理對信號進行放大，即在電路系統(tǒng)中串聯(lián)一個參考電阻即定值電阻R，從參考電阻兩端引出檢測信號，達到差分放大的目的，以提高本單細胞分選裝置的信噪比和實驗精度。即各所述目標細胞儲液孔內的鉑電極均通過受單片機處理部分控制的通道分選元件-繼電器和參考電阻與直流電源負極連接;所述參考電阻的兩端均通過導線與相應的信號放大元件的輸入端連接，所述差分放大單元-信號放大元件的輸出端與信號采集控制系統(tǒng)連接，所述信號采集控制系統(tǒng)通過控制繼電器的動作控制各分選通道的電極與主電路的通斷，用以在各個分選通道內產生電滲流實現(xiàn)將當前待分選的細胞分選至該通道。
[0044]下面結合具體實例I對本實用新型做進一步說明:
[0045]如圖2-圖3所示，該裝置設置有若干微流道的PDMS微流控芯片；
[0046]進樣孔A位于所述PDMS微流控芯片上的左端，目標細胞儲液孔B、目標細胞儲液孔C、目標細胞儲液孔D、目標細胞儲液孔E、目標細胞儲液孔F以及和目標細胞儲液孔相配套的第2?6號細胞分選通道均位于檢測區(qū)I右端;左端進樣孔A通過檢測區(qū)I與第2?6號細胞分選通道連通;在左端進樣孔A及目標細胞儲液孔B?F中均插入鉑電極;左端進樣孔A中的鉑電極的另一端與直流電源的正極相連；目標細胞儲液孔B?F中的鉑電極的另一端均與繼電器(受單片機處理器控制)連接;繼電器另一端通過定值電阻R連接至直流電源的負極;對應的定值電阻R兩端通過導線連接至差分放大器P的兩個輸入端;差分放大器P的輸出端連接至單片機處理器的輸入端;單片機處理器接收的信號可以直接在顯示屏上顯示；單片機處理器通過控制繼電器來控制各分選通道的電極與主電路的通斷產生電滲流，進而實現(xiàn)細胞分選。
[0047]對應的實例I的操作步驟:
[0048](I)樣品滴加:首先在左端A進樣孔以及各個目標細胞儲液孔B?F中滴加相同體積的磷酸鹽(PBS)緩沖液，取出A進樣孔中的磷酸鹽(PBS)緩沖液，然后將等量的待分選單細胞樣品滴加到A進樣孔中；
[0049](2)樣品運輸:接通直流電源，將左端進樣孔A中的樣品電滲運輸至預接通的儲液孔B內。當樣品單細胞經過檢測區(qū)時，檢測區(qū)電阻值發(fā)生變化，進一步導致與該電路串聯(lián)的電阻R兩端的電壓發(fā)生變化，產生電壓變化信號，電壓變化信號經過差分放大器元件(如AD620差分放大器)差分信號放大后輸入至單片機處理器，由單片機處理器對該信號采集、分析以及控制繼電器動作，進行細胞分選通道鉑電極通斷控制;所述單片機處理器預先設置一動作電壓值為U，延時值T，當有樣品單細胞通過檢測區(qū)在單片機處理器上產生的檢測信號大于U時，單片機處理器控制繼電器動作，切斷原來與電路接通的目標細胞儲液孔B，按照單片機預設的邏輯順序，將目標細胞儲液孔C與主電路連接，從而在目標細胞儲液孔C和進樣孔A之間形成電滲流，將單細胞分選至細胞分選通道3中，經過時間T后完成細胞在C儲液孔的分選;當再有單細胞通過檢測通道時，單片機按照此邏輯順序依次動作，從而完成對單細胞的分選操控。
[0050]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于微流控芯片的單細胞分選裝置，包括玻璃底片及加工有樣品分選通道的PDMS微流控芯片，該PDMS微流控芯片與玻璃底片之間形成待測樣品流通的微流道且所述PDMS微流控芯片凹刻有微流道一側與玻璃底片封接為一體結構，其特征在于: 所述樣品分選通道包括 進樣區(qū)，該進樣區(qū)一端連通插有鉑電極的進樣孔，另一端與檢測區(qū)相連通，且進樣孔內的鉑電極與直流電源的正極連接； 分別連通進樣區(qū)、分選區(qū)的檢測區(qū)； 以及具有若干細胞分選通道的分選區(qū)，各所述細胞分選通道一端均與檢測區(qū)相連通，另一端分別連通插有鉑電極的目標細胞儲液孔;各所述目標細胞儲液孔內的鉑電極均與通道分選元件相連接，并通過一個參考電阻與直流電源負極相連接;該參考電阻的兩端連接信號放大元件的輸入端，信號放大元件的輸出端連接信號采集控制系統(tǒng)。2.根據權利要求1所述的基于微流控芯片的單細胞分選裝置，其特征在于:所述信號放大元件采用差分放大器元件。3.根據權利要求1所述的基于微流控芯片的單細胞分選裝置，其特征在于:所述信號采集控制系統(tǒng)包括單片機處理器。4.根據權利要求3所述的基于微流控芯片的單細胞分選裝置，其特征在于: 所述通道分選元件包括分別與各目標細胞儲液孔內的鉑電極相連接的繼電器。5.根據權利要求1所述的基于微流控芯片的單細胞分選裝置，其特征在于: 各所述細胞分選通道分別以與檢測區(qū)的連通處為中心，呈放射形分布于PDMS微流控芯片上。
【文檔編號】C12M1/34GK205556678SQ201620318365
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】苑亞鵬, 董夢超, 宋永欣, 潘新祥
【申請人】大連海事大學