本發(fā)明涉及微流控技術(shù)以及細(xì)胞檢測(cè)的醫(yī)工結(jié)合領(lǐng)域，具體而言，涉及一種集成三維水動(dòng)力聚焦模塊與細(xì)胞阻抗分析模塊的微流控芯片。

背景技術(shù)：

1、細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特性以及電學(xué)特性在生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和臨床診斷的細(xì)胞基礎(chǔ)分析中具有重要的意義。目前形態(tài)學(xué)檢測(cè)一般借助光學(xué)顯微鏡進(jìn)行細(xì)胞成像，進(jìn)而通過圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。電學(xué)特性一般采用電阻抗分析技術(shù)，電阻抗分析技術(shù)能夠迅速、無損和無標(biāo)簽地獲取單個(gè)細(xì)胞的電學(xué)特性；這些電學(xué)特性一般為等效的細(xì)胞膜電容、細(xì)胞質(zhì)電阻以及進(jìn)一步的細(xì)胞膜的介電常數(shù)和細(xì)胞質(zhì)的電導(dǎo)率。形態(tài)學(xué)和電學(xué)特性參數(shù)與細(xì)胞的生物物理性質(zhì)和動(dòng)態(tài)活動(dòng)密切相關(guān)，如大小、形態(tài)、膜的完整性、生長狀態(tài)和增殖。

2、細(xì)胞的電阻抗分析技術(shù)主要是構(gòu)造電極—懸浮介質(zhì)—細(xì)胞的電路系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)施加不同頻率的交變電壓激勵(lì)信號(hào)，采集細(xì)胞取代電極測(cè)量區(qū)域流體介質(zhì)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的差分電流信號(hào)，從而提取細(xì)胞的阻抗信號(hào)。當(dāng)交變電壓信號(hào)的頻率在數(shù)百khz至10mhz范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)可以測(cè)量出細(xì)胞的體積參數(shù)以及細(xì)胞膜的介電常數(shù)；當(dāng)交變電壓信號(hào)的頻率在10mhz以上時(shí)，可以測(cè)得細(xì)胞質(zhì)的電導(dǎo)率。

3、目前，細(xì)胞電阻抗分析系統(tǒng)都是先通過細(xì)胞聚焦模塊進(jìn)行細(xì)胞聚焦的，然后再通過電極和阻抗分析儀進(jìn)行細(xì)胞的電阻抗分析，細(xì)胞聚焦模塊和電阻抗分析系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。細(xì)胞聚焦模塊的主要方式有水動(dòng)力聚焦、慣性聚焦、介電聚焦和聲光聚焦，其中介電聚焦和聲光聚焦都需要外加物理場(chǎng)的方式來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞聚焦；而與慣性聚焦相比，水動(dòng)力聚焦不需要特定的微流道結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置細(xì)胞懸液流(樣品流)以及鞘流入口，在微通道中樣品流被鞘流包覆，并在水平或垂直方向聚焦成窄流，這種方式將兩個(gè)或多個(gè)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域的可能性降至最低，并確保了均勻的細(xì)胞速度。然而，現(xiàn)有的水動(dòng)力聚焦形成的單列細(xì)胞流動(dòng)穩(wěn)定性較差，聚焦流在微通道的橫截面的中心位置，在后續(xù)電阻抗測(cè)量過程對(duì)細(xì)胞在聚焦流橫截面的位置十分敏感，所以，聚焦流在微通道的橫截面的中心位置不利于細(xì)胞阻抗分析的準(zhǔn)確性。此外，現(xiàn)有采用電極的單細(xì)胞阻抗測(cè)量模塊的測(cè)量準(zhǔn)確度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明就是為了解決現(xiàn)有基于水動(dòng)力聚焦的微流控芯片實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞成列流動(dòng)穩(wěn)定性較差，聚焦流在微通道的橫截面的中心位置不利于后續(xù)電阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量，以及單細(xì)胞阻抗測(cè)量模塊的測(cè)量準(zhǔn)確度較低的技術(shù)問題，提供一種測(cè)量準(zhǔn)確度更高的集成三維水動(dòng)力聚焦模塊與細(xì)胞阻抗分析模塊的微流控芯片。

2、本發(fā)明提供一種集成三維水動(dòng)力聚焦模塊與細(xì)胞阻抗分析模塊的微流控芯片，包括下基板和上基板，上基板設(shè)有待檢測(cè)細(xì)胞懸液進(jìn)入通孔、鞘流進(jìn)入通孔和細(xì)胞懸液輸出通孔，上基板的底面設(shè)有鞘流流道和主流道，鞘流流道對(duì)稱布置在主流道的兩側(cè)，主流道與鞘流流道的另一側(cè)交叉，鞘流流道的另一側(cè)由右側(cè)邊一和右側(cè)邊二組成，右側(cè)邊一位于主流道的一側(cè)，右側(cè)邊二位于主流道的另一側(cè)，右側(cè)邊一和右側(cè)邊二對(duì)稱布置在主流道的兩側(cè)，右側(cè)邊一與右側(cè)邊二的結(jié)合點(diǎn)與主流道連通，右側(cè)邊一與主流道的夾角是45°，右側(cè)邊二與主流道的夾角是45°；鞘流流道與主流道在豎直方向上存在高度差；鞘流進(jìn)入通孔與鞘流流道的一側(cè)連通，待檢測(cè)細(xì)胞懸液進(jìn)入通孔與主流道的一端連通，細(xì)胞懸液輸出通孔與主流道的另一端連通；

3、下基板的表面連接有中間電極和兩個(gè)側(cè)向電極，兩個(gè)側(cè)向電極位于中間電極的兩側(cè)；側(cè)向電極由接觸部和引出部組成，中間電極由接觸部和引出部組成，中間電極的接觸部以及兩個(gè)側(cè)向電極的接觸部相互平行；下基板的一部分與上基板的底面連接，中間電極的接觸部以及兩個(gè)側(cè)向電極的接觸部均位于主流道的正下方，中間電極的接觸部以及兩個(gè)側(cè)向電極的接觸部均與主流道垂直；中間電極的引出部沒有完全被上基板覆蓋，兩個(gè)側(cè)向電極的引出部沒有完全被上基板覆蓋；

4、上基板是透明的，下基板是透明的。

5、優(yōu)選地，鞘流流道的橫截面為矩形，主流道的橫截面為矩形。

6、優(yōu)選地，當(dāng)細(xì)胞懸液進(jìn)入主流道、鞘流進(jìn)入鞘流流道時(shí)，主流道的矩形橫截面中聚焦流的高h(yuǎn)f為：

7、

8、主流道的矩形橫截面中聚焦流的寬wf為：dmax是細(xì)胞的最大直徑，是細(xì)胞的平均直徑。

9、優(yōu)選地，通過調(diào)整鞘流的流速us與細(xì)胞懸液的流速ui的比值，確定主流道的矩形橫截面中聚焦流的高h(yuǎn)f和寬wf。

10、優(yōu)選地，側(cè)向電極的接觸部為矩形，中間電極的接觸部是矩形。

11、優(yōu)選地，中間電極的寬度與側(cè)向電極的寬度相等，中間電極與兩個(gè)側(cè)向電極之間的間距相等，中間電極與側(cè)向電極之間的間距與中間電極的寬度相等。

12、優(yōu)選地，中間電極的寬度為被測(cè)細(xì)胞平均直徑的1至2倍。

13、本發(fā)明還提供一種單細(xì)胞阻抗測(cè)量裝置，包括測(cè)量電路以及上述任意一項(xiàng)集成三維水動(dòng)力聚焦模塊與細(xì)胞阻抗分析模塊的微流控芯片，測(cè)量電路包括鎖相放大器、電阻ri、三個(gè)電容cdl、兩個(gè)電容cm、兩個(gè)電阻rm和兩個(gè)電容cmem，中間電極的引出部用于通過信號(hào)線與阻抗分析儀中信號(hào)發(fā)生器的輸出端連接，兩個(gè)側(cè)向電極的引出部通過信號(hào)線與鎖相放大器的信號(hào)輸入端連接，鎖相放大器的信號(hào)輸出端用于與阻抗分析儀的輸入端連接；中間電極與第一個(gè)電容cdl的一端連接，第一個(gè)側(cè)向電極與第二個(gè)電容cdl的一端連接，第二個(gè)側(cè)向電極與第三個(gè)電容cdl的一端連接，第二個(gè)電容cdl的另一端通過串聯(lián)的兩個(gè)電阻rm與第三個(gè)電容cdl的另一端連接，兩個(gè)電容cm串聯(lián)在一起后連接于第二個(gè)電容cdl的另一端和第三個(gè)電容cdl的另一端連接，兩個(gè)串聯(lián)的電容cm之間的結(jié)點(diǎn)與第一個(gè)電容cdl的另一端連接，兩個(gè)電阻rm串聯(lián)，兩個(gè)電阻rm之間的結(jié)點(diǎn)與第一個(gè)電容cdl的另一端連接，第一個(gè)電容cmem、電阻ri和第二個(gè)電容cmem串聯(lián)在一起后并聯(lián)在第一個(gè)電容cm的兩端。

14、本發(fā)明還提供一種微流控芯片的設(shè)計(jì)方法，微流控芯片是前述任意一項(xiàng)集成三維水動(dòng)力聚焦模塊與細(xì)胞阻抗分析模塊的微流控芯片，設(shè)計(jì)方法包括：

15、使用comsol軟件對(duì)三維水動(dòng)力聚焦進(jìn)行仿真，在樣本流和兩側(cè)鞘流的交匯處，樣本流在豎直方向上被聚焦至主流道的底面壁，同時(shí)在水平方向上，樣本流在交匯處開始被兩側(cè)高速的鞘流擠壓，最終在主流道中形成穩(wěn)定的聚焦流；通過主流道的橫截面圖計(jì)算聚焦流的hf和wf；

16、鞘流的流速是us，樣本流的流速是ui，在us/ui的比值確定的條件下，高度差δh一定范圍內(nèi)，隨著δh的增大，聚焦流高度不斷下降的同時(shí)寬度在小幅度地增大；進(jìn)而制作δh、hf和wf三者的關(guān)系曲線；

17、根據(jù)主流道橫截面圖計(jì)算聚焦流的hf和wf的具體值，進(jìn)一步根據(jù)曲線得出高度差δh的具體取值。

18、本發(fā)明還提供一種使用微流控芯片的豎直方向聚焦效果檢測(cè)方法，將阻抗分析儀與測(cè)量電路連接；使待測(cè)粒子進(jìn)入主流道、鞘流進(jìn)入鞘流流道，在主流道形成聚焦流；通過三共面電極的阻抗信號(hào)波形來驗(yàn)證粒子在豎直方向上的高度，波形的峰值越大說明粒子距離電極越遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)聚焦流豎直方向聚焦效果的檢測(cè)。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、將三維水動(dòng)力聚焦模塊和細(xì)胞阻抗分析模塊集成在一起。

21、通過在鞘流流道與主流道之間設(shè)置高度差的方式實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱的三維水動(dòng)力聚焦，形成的聚焦流靠近微通道的底面壁。

22、單細(xì)胞成列流動(dòng)穩(wěn)定性更好。

23、微流道的整體結(jié)構(gòu)使制造成本較低。

24、微流道的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證在同一時(shí)刻只有一個(gè)細(xì)胞流過電極區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，從而精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞的電阻抗測(cè)量。

25、三共面電極差分測(cè)量結(jié)構(gòu)不僅能有效抑制共模干擾，提高信噪比，還能減少電極極化效應(yīng)，提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。還可以適用于微電極和微流體應(yīng)用，在生物傳感、化學(xué)傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)。

26、細(xì)胞在微流控芯片流道底面壁的單個(gè)成列流動(dòng)能夠確保細(xì)胞在倒置顯微鏡物鏡的景深范圍內(nèi)流動(dòng)，避免了流體擾動(dòng)影響觀測(cè)以及細(xì)胞失焦的問題，便于觀察細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征以及成像。

27、微流控芯片能夠根據(jù)不同直徑的細(xì)胞調(diào)整樣品流與鞘流之間的流速比，從而調(diào)節(jié)聚焦流的尺寸，最終在某一特定尺寸微流控芯片中實(shí)現(xiàn)不同直徑細(xì)胞的電阻抗分析。

28、同一尺寸規(guī)格的微流控芯片，可以調(diào)整流速比us/ui的具體數(shù)值，進(jìn)而針對(duì)各種不同直徑的細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)。

29、集成三維水動(dòng)力聚焦模塊和細(xì)胞阻抗分析模塊于一個(gè)微流控芯片中，實(shí)現(xiàn)高通量細(xì)胞形態(tài)檢測(cè)、細(xì)胞阻抗信號(hào)檢測(cè)以及細(xì)胞活性檢測(cè)等功能。

30、采用三共面電極除了能夠通過檢測(cè)微流控芯片的差分阻抗電流信號(hào)進(jìn)而確定細(xì)胞的活性以外，還能夠驗(yàn)證細(xì)胞在豎直方向上的聚焦效果。

31、本發(fā)明進(jìn)一步的特征和方面，將在以下參考附圖的具體實(shí)施方式的描述中，得以清楚地記載。