本實用新型涉及生物細(xì)胞檢測技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種用于微小顆粒/生物細(xì)胞檢測的微流控芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)的庫爾特計數(shù)器采用直流電信號對溶液中通過微孔的小顆粒進(jìn)行檢測,并發(fā)展為血細(xì)胞分析的儀器。另一種對微小顆粒/細(xì)胞進(jìn)行檢測的設(shè)備是流式細(xì)胞儀。流式細(xì)胞儀采用的是光學(xué)檢測方式對顆粒進(jìn)行檢測,通常需要對被檢顆粒進(jìn)行熒光標(biāo)記,而非標(biāo)記的檢測方法避免了對被測物的干擾和傷害,例如電阻抗檢測就是非標(biāo)記檢測的一種。電阻抗檢測與庫爾特計數(shù)的方法差異主要是電阻抗檢測采用了交流電激勵信號而不是直流電信號。微流控電阻抗流式檢測芯片就是將電阻抗的非標(biāo)記檢測與流式檢測中控制流體中顆粒/細(xì)胞逐個有序通過檢測部位的技術(shù)結(jié)合,在微流控芯片上實現(xiàn)小型化、集成化。
現(xiàn)有對微小顆粒/細(xì)胞流式檢測的微流控芯片通常是采用鞘流約束顆粒位置或者管道收縮來實現(xiàn)足夠的檢測靈敏度。鞘流聚焦約束顆粒位置的方案在傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀上廣泛使用,在微流控芯片上也有人采用,如中國專利201210482142.7。但是鞘流技術(shù)增加了芯片的復(fù)雜性,對流體控制也增加了難度。中國專利201310283051.5就提出了一種無鞘流的微流控芯片上流式檢測方案。
在文獻(xiàn)報道的微流控電阻抗流式檢測芯片的管道收縮的方案中,通常是用一條較長的收縮管道(約5D~20D,D為細(xì)胞直徑)來實現(xiàn),電極位于收縮管道內(nèi)部,或者遠(yuǎn)離收縮管道以較高的激勵電壓實現(xiàn)檢測。這樣的管道缺點在于,由于管道較長,流阻較大,要么管道較寬適當(dāng)降低流阻,但犧牲了檢測靈敏度,增加了多個顆粒/細(xì)胞在檢測區(qū)域的可能性;要么縮窄管道,讓管道寬度等于甚至小于顆粒/細(xì)胞外徑以提高檢測靈敏度,但流阻太大,檢測通量很低,也容易堵塞管道。而電極如果遠(yuǎn)離檢測部位,雖然可以通過提高激勵電壓來提高檢測靈敏度,但是較高的電壓有可能造成對細(xì)胞等被測顆粒的損害。
本實用新型采用電阻抗檢測方式實現(xiàn)微流控芯片上的流式檢測,檢測方法是非標(biāo)記的,對細(xì)胞或微粒的狀態(tài)沒有影響,芯片結(jié)構(gòu)和流體操作簡單,同時能夠滿足較高的通量和檢測靈敏度,是現(xiàn)有的技術(shù)形式的有益補(bǔ)充。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷,本實用新型提出了一種電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片,通過縮短最窄的檢測管道的長度,從而大大減小了流阻的增大效應(yīng),同時又提高了檢測的靈敏度。
本實用新型的一種電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片,所述微流控芯片的結(jié)構(gòu)由蓋片1和與具有蓋片形狀和大小相適應(yīng)的基片2鍵合而成,蓋片1位于基片2 中央,基片2的邊緣部分暴露在外,基片2上通過微電子加工有不少于兩個微小電極8,蓋片上有微小的翻模出來的微流控管道,基片2上設(shè)置有微小電極的一面和蓋片上含微流控管道的接觸面對準(zhǔn)鍵合,實現(xiàn)對微流控管道的封閉,同時使微小電極8位于微流控管道底面;
微流控管道由進(jìn)樣口4、一根直的主管道7、出樣口3和組成,主管道7沿進(jìn)樣口到出樣口中心的連線延伸,在連線兩邊呈對稱的結(jié)構(gòu),從進(jìn)樣口到最狹窄檢測部位5的中間段通過兩處收縮部位12區(qū)分為樣品導(dǎo)入管道10、用以引導(dǎo)被測顆粒/細(xì)胞在主管道7中央流動的收縮檢測管道11和進(jìn)一步收縮而形成的最狹窄部位5,所述最狹窄部位5位于所述微小電極8間隙的正中間,微小電極8在最狹窄部位5的兩邊對稱分布;
對分散到溶液中的微粒/細(xì)胞進(jìn)行檢測時,微粒/細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)逐個依次通過最狹窄的檢測部位5,即流式檢測的效果。
所述微小電極8的寬度為管道最狹窄部位寬度的0.1~5倍,高度通常為幾十納米到幾百納米之間,用于檢測電阻抗信號,通過識別阻抗信號上的脈沖對被測溶液中的微粒/細(xì)胞9進(jìn)行計數(shù)、分析,微小電極8在管道最狹窄處暴露于管道溶液中,方向與管道方向垂直;電極暴露于管道溶液的部分是其工作區(qū)域,通過微電子加工的引線14把所述工作區(qū)域微米級寬度的微小電極連接到芯片邊緣的焊盤13,從而可與檢測電路相連。
所述主管道最狹窄部位5的容積是被測顆粒/細(xì)胞體積的1~10倍,收縮檢測管道 11的寬度是最狹窄部位5的1.5~3倍,通過兩處收縮部位12,管道寬度從進(jìn)樣口到最狹窄的檢測部位5逐漸收窄。
根據(jù)被測溶液中的微粒/細(xì)胞9的彈性,所述主管道7的長寬高尺寸設(shè)置為被測溶液中的微粒/細(xì)胞9直徑的0.3~5倍,對于彈性大的被測溶液中的微粒/細(xì)胞9,尺寸適用小于1倍直徑,對于彈性小的被測溶液中的微粒/細(xì)胞9,尺寸必須大于1倍直徑。
所述蓋片1的進(jìn)樣口4與主管道7之間的位置設(shè)置有過濾微柱6,微柱之間構(gòu)成網(wǎng)狀管道,管道寬度和高度一般和最狹窄部位長寬高尺寸中的最小值一致,防止大的顆粒進(jìn)入管道造成最狹窄處的堵塞。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型的有益技術(shù)效果包括:
1、避免了使用鞘流聚焦技術(shù)所必需的復(fù)雜管道和流體控制系統(tǒng),通過多級收縮聚焦的方式實現(xiàn)了對微粒/細(xì)胞位置的聚焦,實現(xiàn)了對芯片的簡化;
2、縮短最窄的檢測管道的長度,優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),減小了檢測微小顆粒時管道尺寸,從而大大減小了流阻的增大效應(yīng),同時又提高了檢測的靈敏度。
附圖說明
圖1是本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片結(jié)構(gòu)裝配俯視示意圖,以設(shè)置有8個微小電極的情形為例;
圖2是本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片蓋片上的管道結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片水平放置使用時沿A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4是本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片蓋片管道B部虛線框局部放大示意圖;
圖5是本實用新型的的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片蓋片管道C 部虛線框局部放大示意圖,以設(shè)置有8個微小電極的情形為例;(5a)為不包括電極的 C部放大示意圖;(5b)為包括電極的C部放大示意圖;
圖6是本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片芯片實物顯微影像圖,以設(shè)置有8個微小電極的情形為例。
附圖標(biāo)記:
1、蓋片(PDMS上有微小的翻模出來的微流控管道(溝道));2、基片(玻璃或硅);3、出樣口;4、進(jìn)樣口;5、管道最狹窄部位;6、過濾微柱;7、主管道;8、微小電極;9、微粒/細(xì)胞;10、樣品導(dǎo)入管道(方便樣品進(jìn)入的較寬部分);11、收縮檢測管道;12、管道收縮部位;13、焊盤;14、引線。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型的方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示,為本實用新型的具體實施例的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片俯視結(jié)構(gòu)裝配示意圖,此例中為設(shè)置8個微小電極的裝配示意。
在基片上的微小電極通常采用金或鉑加工而成,也可用其它金屬。主要是要求金屬具有較好的惰性,通電時在溶液中不易發(fā)生反應(yīng)。微小電極通過微加工工藝加工而成,在基片上厚度只有幾十到幾百納米,幾乎不影響管道的結(jié)構(gòu)尺寸和流體流動。電極的面積盡可能小,因為電極表面不能與PDMS鍵合,面積太大容易脫落。電極在管道最狹窄處暴露到管道溶液中,電極方向與管道方向垂直。電極從管道最狹窄處暴露到管道溶液的部分是工作區(qū)域,從工作區(qū)域需要將微米級寬度的電極通過引線擴(kuò)展到芯片外與檢測電路相連,引線部分同樣是金或鉑,其主要特征是將微米級(2~100微米)的電極延伸到芯片的基片邊緣,暴露于蓋片之外,尺寸擴(kuò)大到毫米級(0.2~2毫米),作為與宏觀電路的接口。電極引線也不能占用基片太大的面積,不能出現(xiàn)大片的金屬以防止 PDMS蓋片脫落,芯片管道泄漏。
微小電極的引線到基片邊緣形成較大面積(長寬均為0.2~2毫米)的焊盤,可與常規(guī)尺寸的檢測電路實現(xiàn)電氣連接。微小電極寬度為管道最狹窄部位寬度的0.1~5倍,微小電極間隙寬度一般大于最狹窄部位長度的1倍。
如圖2所示,為本實用新型的電阻抗流式檢測微小顆粒、細(xì)胞的微流控芯片蓋片上管道結(jié)構(gòu)示意圖,其中管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要特征是:一根直管道實現(xiàn)檢測,管道沿進(jìn)樣口到出樣口中心的連線延伸,在連線兩邊呈對稱的結(jié)構(gòu);管道兩級的收縮,利用流體在該結(jié)構(gòu)中的流動特性實現(xiàn)對微粒/細(xì)胞位置的限制從而實現(xiàn)逐個有序通過檢測部位;檢測部位的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)被測物的具體尺寸和彈性進(jìn)行優(yōu)化以實現(xiàn)阻抗檢測的高靈敏度和微粒/細(xì)胞相對較高的通量。主管道經(jīng)過最狹窄檢測部位后到出樣管道之間的結(jié)構(gòu)與進(jìn)樣管道采用對稱的設(shè)計,在實際使用時,出樣管道之間的結(jié)構(gòu)與進(jìn)樣管道可以是不對稱的,在滿足出樣口和進(jìn)樣口的條件下,分別可以具有不同的形狀。
如圖3所示,包括了帶有微流控管道的蓋片2和帶有電極的基片1,以及微粒/細(xì)胞在管道最狹窄部位被檢測到時在本實用新型的微流體芯片中的位置關(guān)系。
除了實用新型內(nèi)容提到的結(jié)構(gòu)特征之外,還有一些具體的說明如下:
本實用新型可以用于PDMS材料制作的芯片,也可以用于其它的材料(如塑料)、加工工藝(如注塑)制作出來的芯片。該結(jié)構(gòu)可以用來檢測在溶液(一般是水溶液)中的微米級尺度的細(xì)胞(直徑1~30微米)或者其它顆粒,也可以根據(jù)被測顆粒的實際尺寸和本實用新型的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計規(guī)則,調(diào)整管道和電極的尺寸,來實現(xiàn)更小或者更大尺寸顆粒的檢測。當(dāng)被測物是彈性較小的顆粒時,主管道7的長寬高均需大于被測顆粒最大外徑,但不大于它的2倍,即主管道7長寬高的尺寸范圍為D~2D。當(dāng)被測物是細(xì)胞等彈性較大的顆粒時,所述主管道7長寬高的尺寸范圍為0.5D~2D。
如圖4所示,過濾微柱6中,微柱的形狀可以是方形、菱形等,微柱之間構(gòu)成網(wǎng)狀管道,管道寬度是最狹窄檢測部位寬度的0.5到2倍,其中被測物為彈性較大的顆粒(如細(xì)胞)時,寬度可以較寬(1~2倍),被測物為彈性較小的顆粒時,寬度不大于最窄處的1倍。
如圖5所示,分為設(shè)置電極(對準(zhǔn)鍵合后的完整芯片)和不設(shè)置電極(蓋片未與帶電極基片鍵合)兩種情形下,表示微流體芯片管道狹窄部位的局部放大結(jié)構(gòu)。
如圖6所示,結(jié)合本實用新型的微流體芯片的實際使用環(huán)境,利用顯微鏡觀察到的微小電極管道的狀態(tài)(基片材料為透明玻璃)。