CN110468026B - 一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片。其特征是：由底座1，鞘液池2，鞘液通道3，细胞通道4，细胞注入池5，主通道6，光动力操控区7，细胞及废液导出通道8，特斯拉微阀9，废液池10和11，细胞存放池12和13以及光纤通道14，盖板15，连接孔16和毛细钢管17组成。光动力操控区7的四周有粗糙的光反射消除壁，用于抑制反射光，消除反射光对光纤操纵细胞的影响。本发明可用于光纤对细胞多种方式的操纵及分选，可广泛用于细胞操纵、分选、分析等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，可用于细胞操纵、分选、分析，属于微流控芯片技术领域。
(二)背景技术
1975年，一种微型化的气相色谱装置问世(Terry S C,Jerman J H,Angell J B.Agas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer[J].IEEETransactions on Electron Devices,1979,26(12):1880-1886.)，为仪器的微型化道路奠定了基础。20世纪90年代，Manz等人首次提出微型全分析***的概念(Manz A,Graber N,Widmer H M.Miniaturized Total Chemical-Analysis Systems—A Novel Concept forChemical Sensing[J].Sensors and Actuators B Chemical,1990,1(1-6):244-248.)。
微型全分析***又被称为“芯片实验室”，也被称为“微流控芯片”，其主要特征是集成化与微型化。它把化学或生物实验室的基本操作单元集成在一块微米尺度的芯片上，可控流体通过微流通道网络贯穿整个***，自动完成生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等。
细胞是生物体基本的结构和功能单位。已知除病毒之外的所有生物均由细胞所组成，但病毒生命活动也必须在细胞中才能体现。所以，单细胞分析对于细胞内生命过程的机理解释具有重要的作用。
近年来，细胞研究已经深入到分子水平上，可以帮助我们理解细微差异导致生物现象，也可以帮助我们理解细胞内微小变化所导致的疾病。通过在分子水平上研究细胞，我们可以阐明细胞内各化学成分之间的关系和相互作用，进而发现生物体的生长、分化、遗传、变异等基本生物活动的规律。
微流控芯片是目前细胞分析的重要平台。微流控芯片可以将不同操作单元技术灵活组合，具有集成化与微型化的特点。
很多研究人员对微流控细胞操纵进行了大量研究。例如2016年，苑亚鹏等研究人员提出了一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，申请号为CN201620318365.3，通过通道分选元件控制各细胞分选通道所对应铂电极与是否有电渗流动，来实现将当前待分选的细胞分选至所需通道，该装置采用电渗驱动样品，无需外加泵等设备，实现了细胞的操纵与分选。2017年，金百冶等研究人员提出了一种针对尿路上皮癌的尿脱落肿瘤细胞微流控芯片检测技术，申请号为CN201710054628.3，通过三个整体呈弧形排布的柱状凸起构成的细胞分选器，柱状凸起之间存在间隙，弧形开口作为液流入口，中间柱状凸起两侧的间隙作为液流出口，两个液流出口呈对称分布，实现了尿液中各类细胞的分离捕获。同年，董华等研究人员人提出了一种耦合介电泳和空间分离的微流控细胞分选芯片及方法，申请号为CN201711166610.9，在分选芯片的电极施加交流电场，不同的细胞因自身介电性质的差异在交流电场中产生不同的介电力，从而在主通道内发生程度不同的偏移；与此同时，流动的细胞还受到因主通道收缩膨胀结构而产生的横向迁移力，这两种作用的耦合导致不同种类的细胞从不同出口流出，实现细胞的操纵与分选。2018年，陈迪等人提出了一种细胞双向介电泳单细胞操控微流控芯片，申请号为CN201811205655.7，其包括依次连接的进口单元、单细胞介电泳操控单元和出口单元。该芯片利用介电泳原理，针对细胞在不同频率下表现出正负向介电泳的现象来实现细胞操控。单细胞操控流程为细胞流经介电泳单细胞操控区域时，利用细胞正向介电泳将细胞捕获于微阱中；接着使用细胞缓冲液清洗未被捕获于微阱的细胞；通过单独控制需要移出的目标细胞所在微阱对应的电极；利用细胞负向介电泳将微阱中的单个细胞移出微阱。最后，使用缓冲液将移出的细胞移至细胞回收出口回收，实现了对细胞的操纵。
基于电渗流原理设计的微流控芯片，虽然具有结构简单，易于携带等优点，但高压电场比较容易破坏细胞内部结构，严重时甚至会导致细胞溶膜的失活，造成假阴性结果。此外，产生电渗流需要制作电极，增加了芯片的复杂性。依据物理尺寸差异实现细胞分选的微流芯片，摆脱了常规方法对于病理医生主观经验的依赖，且全程无创，但是其结构复杂，尤其呈弧形排布的柱状凸起加工极为困难。应用介电电泳法分选细胞是将一种本身不带电、但可以被不同程度极化的细胞在不均匀电场中产生侧向移动，这种方法操作精确且不会破坏待检测物，以及易于与其它设备集成等优点，但这种方法受外界电场影响较大，很容易产生误差。并且，大多数基于介电电泳法设计的微流控芯片，也需要在微流芯片内集成电极，极大的增加了加工难度。
本发明针对以上背景技术的不足，提出一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片。该微流芯片的主通道尾部和细胞及废液导出通道之间有一个光动力操控区，用于光纤对细胞的多种操控；光动力操控区有光反射消除壁，用于吸收反射光；并且，在细胞及废液导出通道集成有特斯拉微阀，用于抑制回流。此微流芯片可用于细胞计数、测细胞的拉曼光谱以及细胞旋转等操纵。本发明提出的一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，可用于光纤对细胞多种方式的操纵及分选，具有对细胞操控高灵敏度高、对细胞活性几乎无损伤、芯片结构简单容易加工等优点，同时分选多种细胞，分选效率高。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，且操控灵敏度高、对细胞活性几乎无损伤、分选效率高、芯片容易加工的微流芯片。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，其特征是：由底座1，鞘液池2，鞘液通道3，细胞通道4，细胞注入池5，主通道6，光动力操控区7，细胞及废液导出通道8，特斯拉微阀9，废液池10和11，细胞存放池12和13，光纤通道14，盖板15，连接孔16和毛细钢管17组成。其中，细胞液从细胞注入池5注入，鞘液从鞘液池2注入，细胞液在主通道6上方形成含有细胞的微流。含有细胞的微流流入光动力操控区7，在光动力操控区7中，光纤通道14上的光纤可以对细胞进行操控。最后，可以对操控的细胞任意挑选并使其流入指定细胞分选通道。
优选的，光动力操控区7的四周有漫反射消除壁，用于减小光的反射对光动力操纵细胞的影响。
漫反射消除壁为经过加工的粗糙面。当光入射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，从而减小光的反射对光动力操纵细胞的影响。
在细胞及废液导出通道8与废液池10和11以及细胞存放池12和13之间都有特斯拉微阀9，用于抑制回流。
典型的特斯拉微阀的T型交汇口角度为90°，分叉口角度为45°。特斯拉微阀的主要性能指标就是其单向导通特性。其主要包括：第一，在逆向流动时，对流动有足够的阻碍作用；第二，在保证逆向阻碍作用的同时，要尽量减小对正向流动的阻碍作用，使其正向流通性能尽可能好。
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片制作方法：
所述基于光操纵的微流芯片底座1的制作，取两块长宽相同厚度不同的基材A和B，两块基材打磨光滑。通过水平仪检测后把一块厚的基材A放入微加工***中，用加工***加工出鞘液通道3，细胞通道4，主通道6，光动力操控区7，细胞及废液导出通道8，特斯拉微阀9以及光纤通道14。
优选的，各微流通道的宽度为Wμm，例如100μm～250μm；深度为H，例如50μm～125μm。
接着用微加工***加工出鞘液池2，细胞注入池5，废液池10和11，细胞存放池12和13。
优选的，各废液池和细胞存放池的半径为Rμm，200μm～300μm。
为了方便观察与操控，光操控区7为圆形且直径为Rd，例如2mm。
所述基于光操纵的微流芯片盖板15的制作：把薄的基材B放入微加工***的工作台上，加工出连接孔16；
优选的，连接孔16的半径与细胞存放池的半径相等，为Rμm，例如100μm～150μm。
优选的，基材为PMMA和石英。
将毛细钢管17***连接孔16并用胶固定。
底座1和盖板15的接触面涂上一层薄胶，并加强的压力，使其紧贴在一起。
本发明至少具备以下的明显优点：
(1)提出一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片。相比较于其他已提出的细胞分选微流芯片，本发明具有对细胞活性几乎无损伤、易加工等优点。
(2)将光纤操纵功能集成在微流芯片内，具有高集成度、操作灵活等优点。
(3)可用于光纤对细胞多种方式的操纵及分选，并且能同时分选多种细胞，分选效率高。
(四)附图说明
图1是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的底座俯视图。由底座1，鞘液池2，鞘液通道3，细胞通道4，细胞注入池5，主通道6，光动力操控区7，细胞及废液导出通道8，特斯拉微阀9，废液池10和11，细胞存放池12和13以及光纤通道14组成。
图2是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的盖板立体图。由盖板15.连接孔16和毛细钢管17组成。
图3是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的底座立体图。在光动力操控区7四周有漫反射消除壁18，用于抑制光的反射。
图4是一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片中特斯拉阀的平面示意图。
图5是基于一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的细胞计数装置。由显示器201，CCD202，物镜203，同轴双波导光纤204，同轴双波导光纤连接器205，捕获光源206，三端环形器207，激励光源208，光电倍增管209，示波器210，信号采集卡211，处理器212，载物台213和一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片214组成。
图6是同轴双波导光纤捕获及激发光和反射光光路示意图。601为同轴双波导光纤的包层，602为同轴双波导光纤的环形芯，603为同轴双波导光纤的中间芯，604为捕获的细胞。
图7是基于一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的拉曼分选装置。由显示器301，CCD302，物镜303，同轴双波导光纤304，同轴双波导光纤连接器305，捕获光源306，三端环形器307，激励光源308，拉曼光谱仪309，载物台310，微流芯片311组成。
图8是基于一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的光操纵示意图。601为同轴双波导光纤的包层，602为同轴双波导光纤的环形芯，603为同轴双波导光纤的中间芯，604为细胞。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
图5是基于一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的细胞计数装置。由显示器201，CCD202，物镜203，同轴双波导光纤204，同轴双波导光纤连接器205，捕获光源206，三端环形器207，激励光源208，光电倍增管209，示波器210，信号采集卡211，处理器212，载物台213和一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片214组成。
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片214放于载物台213上。微流芯片上方有物镜203，CCD202，CCD202和显示器201相连，用于实时检测微流芯片内光操纵的情况。
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片214中的光纤通道14中放置一根同轴双波导光纤204。同轴双波导光纤204的环形芯通过同轴双波导光纤连接器205与捕获光源206相连。同轴双波导光纤204的中间芯通过同轴双波导光纤连接器205与三端环形器207的2#端口相连。
所述的同轴双波导光纤204，需要对其端面进行研磨成一定角度。环形芯用于从细胞流中捕获细胞，中间芯传输激励光源用于细胞计数。
在光动力操控区7中，捕获光源206发出的光经过同轴双波导光纤204的环形芯将单细胞流中的细胞捕获。
激励光源208发出的光信号进入三端环形器的1#口，由2#口输出进入同轴双波导光纤的中间芯，被细胞反射的光信号经三端环形器207的2#端口进入三端环形器207，从环形器207的3#端口输出的信号进入光电倍增管209，光电倍增管209把输出的光信号转换成电信号并将信号放大。光电倍增管209还将电信号分成两路信号，一路信号送到示波器210采集波形，另一路信号送到信号采集卡211中，并将采集到的数据送到处理器212上处理，完成细胞计数。
在微流芯片由于流体是层流流动，对于捕获的细胞，通过移动轻微移动载物台可以将其移动到指定的层流并释放，实现细胞分选的功能。
实施例1的装置同时实现了细胞计数和细胞分选的功能。
实施例2：
图7是基于一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片的拉曼分选装置。由显示器301，CCD302，物镜303，同轴双波导光纤304，同轴双波导光纤连接器305，捕获光源306，三端环形器307，激励光源308，拉曼光谱仪309，载物台310，微流芯片311组成。
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片311放于载物台310上。微流芯片上方有物镜303，CCD302，CCD302和显示器301相连，用于实时检测微流芯片内光操纵的情况。
一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片311中的光纤通道14中放置一根同轴双波导光纤304。同轴双波导光纤304的环形芯通过同轴双波导光纤连接器305与捕获光源306相连。同轴双波导光纤304的中间芯通过同轴双波导光纤连接器305与三端环形器307的2#端口相连。
所述的同轴双波导光纤304，需要对其端面进行研磨成一定角度。环形芯用于从细胞流中捕获细胞，中间芯传输激励光源用于激发细胞的拉曼光谱。
在光动力操控区7中，捕获光源306发出的光经过同轴双波导光纤304的环形芯将单细胞流中的细胞捕获。
激励光源308发出的光信号进入三端环形器的1#口，由2#口输出进入同轴双波导光纤的中间芯，被细胞反射的光信号经三端环形器307的2#端口进入三端环形器307，从环形器307的3#端口输出的信号由拉曼光谱仪接收，就可以测得捕获的细胞的拉曼光谱。
在微流芯片由于流体是层流流动，对于捕获的细胞，根据其拉曼光谱，可以任意挑选并轻微移动载物台，将其移动到指定的层流释放，实现细胞分选的功能。
实施例2的装置同时实现了测量细胞拉曼光谱和细胞分选的功能。
Claims (5)
1.一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，其特征是：由底座(1)，鞘液池(2)，鞘液通道(3)，细胞通道(4)，细胞注入池(5)，主通道(6)，光动力操控区(7)，细胞及废液导出通道(8)，特斯拉微阀(9)，第一废液池(10)和第二废液池(11)，第一细胞存放池(12)和第二细胞存放池(13)以及光纤通道(14)，盖板(15)，连接孔(16)和毛细钢管(17)组成，其中，细胞液从细胞注入池(5)注入，鞘液从鞘液池(2)注入，细胞液在主通道(6)内形成含有细胞的微流，含有细胞的微流流入光动力操控区(7)，在光动力操控区(7)中，光纤通道(14)上的光纤可以对细胞进行操控，最后，可以对操控的细胞任意挑选并使其流入指定细胞分选通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，所用的光纤为同轴双波导光纤。
3.根据权利要求2所述的一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，其特征是：光纤端面研磨成棱台状，使环形芯的光汇聚，从而捕获细胞，中间芯用于发出和收集信号光。
4.根据权利要求1所述的一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，其特征是：光动力操控区(7)的四周加工有粗糙的光的漫反射消除壁，用于消除光的反射对光动力操纵细胞的影响。
5.根据权利要求1所述的一种用于光纤光动力细胞操纵的微流芯片，其特征是：在细胞及废液导出通道(8)与第一废液池(10)和第二废液池(11)以及第一细胞存放池(12)和第二细胞存放池(13)之间都有特斯拉微阀(9)，用于抑制回流。
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