CN116673079A - 一种三维聚焦的高通量微流控芯片及其应用和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维聚焦的高通量微流控芯片及其应用和制作方法，所述芯片主体中设置有微流控结构，所述微流控结构包括样品通道、鞘液通道、检测通道和废液通道，所述样品通道设置于两个鞘液通道之间；所述样品通道包括相通的样品入口通道和样品汇合通道；所述鞘液通道包括相通的鞘液入口通道和鞘液汇合通道；所述样品入口通道和所述鞘液入口通道均设置于所述芯片主体的一侧，所述废液通道设置于所述芯片主体的另一侧。本发明摒弃了传统的垂直于芯片平面的入口设计，改为采用侧面设置进样和出样接口，避免了芯片接口与显微镜镜头的干扰，从而缩小芯片的尺寸，极大地减小了通道的流阻，实现细胞的高速流动。

Description

一种三维聚焦的高通量微流控芯片及其应用和制作方法

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种三维聚焦的高通量微流控芯片及其应用和制作方法。

背景技术

时域拉伸单细胞成像技术是一种新型的细胞成像检测方法，使用宽带脉冲激光作为光源，将宽带脉冲激光在时域上拉伸编码和空间上进行色散并照射细胞，通过对收集到的信号进行解码恢复出清晰的细胞图像。这种检测方法测具有极高的图像采集速度(每秒传输帧数高达千万至十亿)，非常适用于数量级庞大的细胞样本的检测。

然而，时域拉伸单细胞成像技术在实际应用过程中，其性能受到了微流控芯片的制约。作为大部分细胞检测的载体，细胞在流动过程中被检测或被捕捉，而细胞的流速很难匹配时域拉伸单细胞成像技术的成像检测速度。目前，最快的用于细胞成像检测的微流控芯片可以使细胞达到25m/s的移动速度，但是依旧低于目前时域拉伸单细胞成像系统容许的60m/s的上限，而且，这款微流控芯片为全玻璃芯片，虽然具有光学性能好，材料强度高等优点，但是其加工设备昂贵，工艺复杂，微流控芯片单片成本极高。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维聚焦的高通量微流控芯片，包括芯片盖板、芯片主体和芯片底板，

所述芯片主体中设置有微流控结构，所述微流控结构包括样品通道、鞘液通道、检测通道和废液通道，所述样品通道设置于两个鞘液通道之间；

所述样品通道包括相通的样品入口通道和样品汇合通道；

所述鞘液通道包括相通的鞘液入口通道和鞘液汇合通道；

所述样品汇合通道与所述鞘液汇合通道在汇合段汇合，并在所述汇合段与所述检测通道相通；

所述检测通道与所述废液通道相通；

所述样品入口通道和所述鞘液入口通道均设置于所述芯片主体的一侧，所述废液通道设置于所述芯片主体的另一侧。

进一步地，所述鞘液汇合通道的起始高度大于所述样品汇合通道的起始高度的两倍；

且所述鞘液汇合通道的起始高度大于检测细胞的直径。

进一步地，所述鞘液汇合通道和所述样品汇合通道均为前宽后窄的结构。

进一步地，所述样品入口通道和所述样品汇合通道相通处设置有样品储液池；

所述鞘液入口通道和所述鞘液汇合通道相通处设置有鞘液储液池；

所述检测通道与所述废液通道相通处设置有废液储液池。

进一步地，所述检测通道的横纵截面为矩形。

进一步地，若所述芯片主体、所述芯片盖板和所述芯片底板存在间隙，则用树脂填充间隙。

进一步地，所述样品入口通道、所述鞘液入口通道和所述废液通道的材质为毛细钢针。

本发明也提供了上述的三维聚焦的高通量微流控芯片在单细胞成像检测的应用，包括，

使用注射泵将样品注入芯片主体，样品流经样品入口通道、样品储液池和样品汇合通道，同时使用注射泵将鞘液注入芯片主体，鞘液流经鞘液入口通道、鞘液储液池和鞘液汇合通道；

随后，样品和鞘液在汇合段汇合，在检测通道检测样品中的细胞。

本发明还提供了上述的三维聚焦的高通量微流控芯片的制作方法，包括，

进行光刻形成模具；

使用所述模具制备芯片主体；

将芯片盖板、芯片主体和芯片底板组装得到三维聚焦的高通量微流控芯片。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

1、本发明摒弃了传统的垂直于芯片平面的入口设计，改为采用侧面设置进样和出样接口，避免了芯片接口与显微镜镜头的干扰，从而缩小芯片的尺寸，极大地减小了通道的流阻。本发明的微流控芯片可以承受很高的流量和压强，实现细胞的高速流动，以尽量满足时域拉伸光学显微镜的要求。

2、本发明针对细胞的聚焦，通过将样品通道和鞘液通道设置在不同的高度，驱使细胞全部流动到矩形通道的一侧；增加液体和细胞的流速，增加通道截面上的速度梯度，使得细胞所受惯性升力的作用更为明显，在高惯性力的作用下迅速稳定在一个固定的垂直高度，从而实现细胞的三维聚焦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例中一种三维聚焦的高通量微流控芯片的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中制备三维聚焦的高通量微流控芯片的流程示意图；

附图标记说明：

1、芯片盖板；2、芯片主体；21、样品通道；211、样品入口通道；212、样品储液池；213、样品汇合通道；22、鞘液通道；221、鞘液入口通道；222、鞘液储液池；223、鞘液汇合通道；23、汇合段；24、检测通道；25、废液储液池；26、废液通道；3、芯片底板；4、微结构模具；5、单抛硅片；6、微结构；7、石英玻片；8、毛细钢管；9、树脂胶。

具体实施方式

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明的一个实施例中提供了一种三维聚焦的高通量微流控芯片，可应用于单细胞成像检测，包括芯片盖板1、芯片主体2和芯片底板3，芯片盖板1和芯片底板3的材料都为石英，芯片主体2是带有微流控结构的PDMS，芯片主体2被芯片盖板1和芯片底板3固定在中间，芯片主体2、芯片盖板1和芯片底板3的间隙，这些间隙用树脂填充，同时树脂也将它们粘牢。

芯片主体2的微流控结构包括样品通道21、鞘液通道22、汇合段23、检测通道24和废液通道26，所述样品通道21设置于两个鞘液通道22之间；所述样品通道21包括依次相通的样品入口通道211、样品储液池212和样品汇合通道213；所述鞘液通道22包括依次相通的鞘液入口通道221、鞘液储液池222和鞘液汇合通道223；所述样品汇合通道213与所述鞘液汇合通道223在汇合段23汇合，并在所述汇合段23与所述检测通道24相通；所述检测通道24依次与废液储液池25和废液通道26相通，检测通道24的横纵截面为矩形；所述样品入口通道211和所述鞘液入口通道221均设置于所述芯片主体2的一侧，所述废液通道26设置于所述芯片主体2的另一侧。

所述鞘液汇合通道223的起始高度大于所述样品汇合通道213的起始高度的两倍；且所述鞘液汇合通道223的起始高度大于检测细胞的直径。需要说明的是，本发明提及的起始高度指的是远离汇合段23一端的高度。所述鞘液汇合通道223和所述样品汇合通道213均为前宽后窄的结构。

本发明的一个实施例具体提供了应用于直径5～25μm的单细胞成像检测的三维聚焦的高通量微流控芯片，芯片主体2的长度为10mm、宽度为10mm、高度为1mm；样品入口通道211和鞘液入口通道221的材料都是21G的毛细钢针；样品储液池212和鞘液储液池222的形状相同都为直径为1.5mm高度为1mm的圆柱；样品汇合通道213的起始高度为30μm，鞘液汇合通道223的起始高度为70μm，汇合段23的高度为70μm；检测通道24的宽度为100μm，高度为70μm；废液储液池25为2mm高度为1mm的圆柱；废液通道26的材料是19G的毛细钢针。

本发明的一个实施例提供了三维聚焦的高通量微流控芯片在单细胞(直径5～25μm)成像检测的应用，

设置注射泵的流量为3.36mL/min，将样品注入芯片主体2，样品流经样品入口通道211、样品储液池212和样品汇合通道213，同时设置注射泵的流量为6.72mL/min，使用注射泵将鞘液注入芯片主体2，鞘液流经鞘液入口通道221、鞘液储液池222和鞘液汇合通道223；

随后，样品和鞘液在汇合段23汇合，此时检测通道24中的流量为16.8mL/min，平均流速为40m/s，在检测通道24检测样品中的细胞。

三维聚焦的高通量微流控芯片的工作原理如下：

首先细胞样品在泵的驱使下，经由管路从微流控芯片的样品入口通道211、样品储液池212和样品汇合通道213；与此同时，鞘液也在泵的驱使下，经由管路从微流控芯片的鞘液入口通道221、鞘液储液池222和鞘液汇合通道223；细胞样品从样品汇合通道213流入汇合段23与鞘液汇合，汇合后进入狭长的检测通道24和废液储液池25，细胞在从汇合段23的下半部分进入检测通道24的过程中会加速，并在于光学成像的检测通道24中稳定于截面上一点，通过检测后流向废液储液池25，由废液通道26流出。

综上所述，本发明的三维聚焦的高通量微流控芯片摒弃了传统的垂直于芯片平面的入口设计，改为采用侧面设置进样和出样接口，避免了芯片接口与显微镜镜头的干扰，从而缩小芯片的尺寸，极大地减小了通道的流阻。本发明的微流控芯片可以承受很高的流量和压强，实现细胞的高速流动，以尽量满足时域拉伸光学显微镜的要求。此外，针对细胞的聚焦，通过样品通道和鞘液通道设置在不同的高度，驱使细胞全部流动到矩形通道的一侧；增加液体和细胞的流速，增加通道截面上的速度梯度，使得细胞所受惯性升力的作用更为明显，在高惯性力的作用下迅速稳定在一个固定的垂直高度，从而实现细胞的三维聚焦。

本发明的一个实施例中还提供了三维聚焦的高通量微流控芯片的制作方法包括以下的步骤：

步骤1：如图2(a)所示，通过传统光刻手段用SU-8负性光刻胶在单抛硅片5上制作微结构模具4。

步骤2：将步骤1得到的SU8阳模具贴到一个可以容纳单抛硅片5的平底盒子内，作为浇铸模具；

步骤3：将PDMS和固化剂混合物抽真空后倒入步骤2得到的浇铸模具中，并在80℃下烘烤2h固化，PDMS固化后得到微结构6，如图2(b)所示。

步骤3：将微结构6从单抛硅片5上剥离下来；

步骤4：使用打孔器在微结构6上微通道的入口和出口处打孔，作为样品储液池212、鞘液储液池222和废液储液池25，如图2(c)所示。

步骤5：使用打孔器从微结构6的侧方朝样品储液池212、鞘液储液池222和废液储液池25打孔，将这些孔将作为导管插孔，如图2(d)所示

步骤6：将打好孔的微结构6和石英玻片7吹干净，使用等离子体对微结构6和通道封闭用石英玻片7进行表面处理，并将处理过后的表面贴合在一起；

步骤7：将微结构6和另一片储液池封闭用石英玻片7吹干净，再次使用等离子体对微结构6的上表面和石英玻片7进行表面处理，并将处理后的表面贴合在一起。此时，样品储液池212、鞘液储液池222和废液储液池25的孔被两片石英玻片7封闭成腔体，如图2(e)所示

步骤8：如图2(f)所示，微结构6上有步骤7打的导管插孔，分别在这些接口处插入毛细钢管8，毛细钢管8不可插入到样品储液池212、鞘液储液池222和废液储液池25之中，从而得到芯片主体2。

步骤9：将混合好的树脂胶9倒入两片石英玻片7与芯片主体2的间隙之中，封闭并固定芯片主体2和毛细钢管8。

由上述的9个步骤可完成三维聚焦的高通量微流控芯片的制作。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维聚焦的高通量微流控芯片，包括芯片盖板、芯片主体和芯片底板，其特征在于，

所述芯片主体中设置有微流控结构，所述微流控结构包括样品通道、鞘液通道、检测通道和废液通道，所述样品通道设置于两个鞘液通道之间；

所述样品通道包括相通的样品入口通道和样品汇合通道；

所述鞘液通道包括相通的鞘液入口通道和鞘液汇合通道；

所述样品汇合通道与所述鞘液汇合通道在汇合段汇合，并在所述汇合段与所述检测通道相通；

所述检测通道与所述废液通道相通；

所述样品入口通道和所述鞘液入口通道均设置于所述芯片主体的一侧，所述废液通道设置于所述芯片主体的另一侧。

2.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，所述鞘液汇合通道的起始高度大于所述样品汇合通道的起始高度的两倍；

且所述鞘液汇合通道的起始高度大于检测细胞的直径。

3.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，所述鞘液汇合通道和所述样品汇合通道均为前宽后窄的结构。

4.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，所述样品入口通道和所述样品汇合通道相通处设置有样品储液池；

所述鞘液入口通道和所述鞘液汇合通道相通处设置有鞘液储液池；

所述检测通道与所述废液通道相通处设置有废液储液池。

5.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，所述检测通道的横纵截面为矩形。

6.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，若所述芯片主体、所述芯片盖板和所述芯片底板存在间隙，则用树脂填充间隙。

7.根据权利要求1所述的高通量微流控芯片，其特征在于，所述样品入口通道、所述鞘液入口通道和所述废液通道的材质为毛细钢针。

8.一种权利要求5所述的三维聚焦的高通量微流控芯片在单细胞成像检测的应用，其特征在于，包括，

使用注射泵将样品注入芯片主体，样品流经样品入口通道、样品储液池和样品汇合通道，同时使用注射泵将鞘液注入芯片主体，鞘液流经鞘液入口通道、鞘液储液池和鞘液汇合通道；

随后，样品和鞘液在汇合段汇合，在检测通道检测样品中的细胞。

9.一种权利要求1～7任一项所述的三维聚焦的高通量微流控芯片的制作方法，其特征在于，包括，

进行光刻形成模具；

使用所述模具制备芯片主体；

将芯片盖板、芯片主体和芯片底板组装得到三维聚焦的高通量微流控芯片。