CN205556678U - 一种基于微流控芯片的单细胞分选装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，包括具有样品分选通道的PDMS微流控芯片；所述样品分选通道包括进样区，该进样区一端连通插有铂电极的进样孔，另一端与检测区相连通，且进样孔内的铂电极与直流电源的正极连接；分别连通进样区、分选区的检测区；以及具有若干细胞分选通道的分选区，各所述细胞分选通道一端均与检测区相连通，另一端分别连通插有铂电极的目标细胞储液孔；各所述目标细胞储液孔内的铂电极均与通道分选元件相连接，并通过一个参考电阻与直流电源负极相连接；该参考电阻的两端连接信号放大元件的输入端，信号放大元件的输出端连接至信号采集控制系统。本实用新型具有检测精度高、结构简单、易于携带等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及单细胞操控领域，具体的说是涉及一种能够在微流控芯片对单细胞进行操控的单细胞分选装置。
背景技术
微流控芯片(microfluidic chip)技术是通过分析化学、电子学、材料学、生物学、医学及微机电加工、计算机技术的交叉将化学、生物学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应、分选和检测等过程,缩微或基本缩微到一块几平方厘米的芯片上,并对其结果进行检测与分析,从而实现血液样本检测的整体微型化、自动化、集成化和便携化的技术。
在微流控芯片上，通过对微流体施加不同的力，比如介电电泳、磁场力、声动力、光镊技术等，在微流控通道内这些力与流体动力相结合，从而实现单细胞的操控分选。在单细胞的分析中，能够在众多细胞中分选出一个特殊的细胞是非常重要的，目前，有多种方法应用在微流控芯片上进行单细胞的操控：
1.介电电泳法：这种技术描述的是一种本身不带电、但可以被不同程度极化的颗粒在不均匀的电场中产生的侧向移动。由于不同的细胞具有不同的介电特性，基于这种介电泳力的微流控芯片设备已经可以用于医学诊断。这种方法操作精确且不会破坏待检测物，具有收集速度快、收集位置可调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，易产生误差。
2.光镊技术：这种技术是运用光钳设备来提供聚焦激光束，从而产生一种吸引或排斥的力来固定或移动微观绝缘体。这种技术已经可以用来在三维环境下以一种不接触的方式来对绝缘颗粒进行操控和分选，这种设备在操控方面具有高灵敏性，同时在不同生物学应用中对于活细胞的操控也是一个有力的工具，比如进行活细胞的分选，分析单细胞基于环境变化的运动规律等；但是这种方法操作起来不太方便，而且设备较复杂，成本较高。
3.流体动力技术：在微流控芯片设备上进行流体动力操控可以更好的观察环境变化对细胞产生的影响，在流通通道中引入样品和介质可以提供一种更为高效和高通量的细胞分选；但细胞在流体中流动时可能产生变形，并影响到细胞的活性，同时流体中的细胞操控比较麻烦。
4.磁场力技术：通过对微流控芯片系统施加外部的磁场实现对生物惰性颗粒及细胞的操控。相对于光强或电场来说，恒定的磁场对细胞产生的不利影响小的多，因此表面磁场力对于生物细胞的操控及分选特别有效；然而对每种不同细胞进行特殊的生物标记会对细胞本身的特性产生影响。
5.离心力技术：通过对螺旋的微流控通道施加离心力，根据细胞的尺寸实现对细胞的分选。离心力技术特别适合于细胞的操控，可以轻松实现细胞的分离目的；缺点是这种方法只能使细胞从旋转中心向外单方向流动，同时很难使旋转的转盘与固定的设备相互作用。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是要提供一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，该装置具有检测精度高、结构简单、易于携带等优点。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案：
一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，包括玻璃底片及加工有样品分选通道的PDMS微流控芯片，该PDMS微流控芯片与玻璃底片之间形成待测样品流通的微流道且所述PDMS微流控芯片凹刻有微流道一侧与玻璃底片封接为一体结构，其特征在于：
所述样品分选通道包括
进样区，该进样区一端连通插有铂电极的进样孔，另一端与检测区相连通，且进样孔内的铂电极与直流电源的正极连接；
分别连通进样区、分选区的检测区；
以及具有若干细胞分选通道的分选区，各所述细胞分选通道一端均与检测区相连通，另一端分别连通插有铂电极的目标细胞储液孔；各所述目标细胞储液孔内的铂电极均与通道分选元件相连接，并通过一个参考电阻与直流电源负极相连接；该参考电阻的两端连接信号放大元件的输入端，信号放大元件的输出端连接信号采集控制系统；本单细胞分选装置工作时，通过通道分选元件控制各所述细胞分选通道所对应铂电极与是否电源负极连通(即是否有电渗流动)，来实现将当前待分选的细胞分选至该通道。
进一步的，所述信号放大元件采用差分放大器元件。
进一步的，所述信号采集控制系统包括单片机处理器；所述单片机处理器用以检测所述样品通道的检测区内是否有待分选的细胞通过，当存在待分选的细胞通过所述检测区时，则控制通道分选元件进行细胞分选通道选择动作，即控制对应的目标细胞储液孔的铂电极与直流电源的通断完成细胞分选，以完成断开原细胞分选通道，接通目标细胞分选通道，使细胞在电渗作用下进入目标细胞分选通道；所述通道分选元件通过按照所述单片机处理器的控制命令控制对应的目标细胞储液孔的铂电极与直流电源的通断完成细胞分选。
所述通道分选元件采用分别与各目标细胞储液孔内的铂电极相连接的继电器；该继电器受控于单片机处理器，用以在所述单片机处理器控制命令的作用下，控制对应的目标细胞储液孔内的铂电极与直流电源负极的通断，实现控制各细胞分选通道内产生电渗流驱动作用的目的。
进一步的，所述细胞分选通道以与检测区的连通处为中心，呈放射形分布于PDMS微流控芯片上。
采取上述装置进行单细胞操控过程为：
设定该装置具有n个目标细胞储液孔(记为Ni，i＝1-n)，即所述细胞分选通道的数量为n个；
具体的其包括如下步骤：
1)样品滴加：首先在进样孔以及各个目标细胞储液孔中滴加相同体积的磷酸盐(PBS)缓冲液，然后将一定量的待分选单细胞样品滴加到进样孔中；
2)样品运输预检测：接通直流电源，将进样孔中的样品电渗运输至预接通的某一目标细胞储液孔，如N1；
3)样品运输检测过程：当存在待分选的样品细胞经过检测区时，相应的参考电阻两端电压发生变化，该电压变化信号由与参考电阻连接的信号放大元件采集，信号放大元件进行信号放大后发送至信号采集控制系统进行分析处理；同时信号采集控制系统内的单片机处理器在检测到样品细胞经过检测通道的检测区时，则控制通道分选元件-继电器进行细胞分选通道选择动作；所述继电器通过按照所述单片机处理器的控制命令控制对应的细胞分选通道如N2的铂电极与直流电源的接通，其他细胞分选通道的铂电极与直流电源断开原通路，从而使细胞在电渗作用下进入N2通路，经过一定时间T后，完成细胞进入目的分选通道N2通路的分选过程；当下一个细胞经过检测区时，单片机处理器继续动作，断开其他通路，接通N3通路，从而按照单片机处理器内部设定的接通逻辑依次动作，完成细胞的分选。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
1.本实用新型采用电渗驱动样品，无需外加泵等设备，减少了装置的体积；
2.本实用新型采用外接电阻差分检测方式，且不需要在检测区域两端设置检测通道，简化的芯片的结构；
3.本实用新型利用信号采集处理系统作为数据处理终端来完成细胞分选通道的选择动作，具有装置体积小，造价低、能够有效便捷实现样品细胞分选工作。
附图说明
图1为本实用新型所述的单细胞分选装置电路原理图；
图2为本实用新型所述的单细胞分选装置电路结构图；
图3为本实用新型所述的单细胞分选装置-PDMS微流控芯片结构示意图。
图中：1、检测区，2、与目标细胞储液孔B配套的细胞分选通道，3、与目标细胞储液孔C配套的细胞分选通道，4、与目标细胞储液孔D配套的细胞分选通道，5、与目标细胞储液孔E配套的细胞分选通道，6、与目标细胞储液孔F配套的细胞分选通道，R、定值电阻，P、差分放大器。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。
阻抗脉冲检测技术(RPS)是一种应用广泛的检测方法，可实现单个细胞的检测和尺寸判定，和其它技术相比，RPS技术具有检测精度高、检测可靠、易于便携化等突出优点；同时鉴于近年来微纳加工技术的快速发展，基于微流控芯片的便携化电子检测技术和仪器的研究也受到了广泛关注；本实用新型也是基于上述两种技术设计了一种新型的在微流控芯片上实现全自动操控单细胞分选的装置。
如图1所述的电路设计原理，本实用新型主要包括：用于实现分选细胞的微流控芯片细胞分选部分，根据所述微流控芯片细胞分选部分的检测区域通过细胞时所对应的电阻值转化为电压信号的电压检测部分，将所述电压信号放大的差分放大部分以及基于所述电压信号控制各分选细胞通道通断的单片机处理部分；所述电压检测部分输入端与定值电阻R两端连接，所述电压检测部分输出端与所述差分放大部分输入端连接、所述差分放大部分输出端与所述单片机处理部分连接、所述单片机处理部分输出端与继电器连接。
因此，基于上述电路组成，本实用新型所述的单细胞分选装置，其包括：
由玻璃底片、设置有若干微流道的PDMS微流控芯片组成的微流控芯片细胞分选部分、信号放大元件以及信号采集控制系统；
所述PDMS微流控芯片上的微流道包括：
进样区，该进样区一端连通插有铂电极的进样孔，另一端与检测区相连通，且进样孔内的铂电极与直流电源的正极连接；
分别连通进样区、分选区的检测区；
以及具有若干均与所述检测区相连通的细胞分选通道的分选区；各所述细胞分选通道一端均与检测区相连通，另一端分别连通插有铂电极的目标细胞储液孔，各个细胞分选通道与相对应的目标细胞储液孔配套使用，微通道数量以实际分选需求为准；优选的，各所述细胞分选通道呈放射形分布于PDMS微流控芯片上，即分别以与检测区连通处为起点，沿远离该连通处方向延长一定长度后连接插有铂电极的目标细胞储液孔；
同时本单细胞分选装置利用差分原理对信号进行放大，即在电路系统中串联一个参考电阻即定值电阻R，从参考电阻两端引出检测信号，达到差分放大的目的，以提高本单细胞分选装置的信噪比和实验精度。即各所述目标细胞储液孔内的铂电极均通过受单片机处理部分控制的通道分选元件-继电器和参考电阻与直流电源负极连接；所述参考电阻的两端均通过导线与相应的信号放大元件的输入端连接，所述差分放大单元-信号放大元件的输出端与信号采集控制系统连接，所述信号采集控制系统通过控制继电器的动作控制各分选通道的电极与主电路的通断，用以在各个分选通道内产生电渗流实现将当前待分选的细胞分选至该通道。
下面结合具体实例1对本实用新型做进一步说明：
如图2-图3所示，该装置设置有若干微流道的PDMS微流控芯片；
进样孔A位于所述PDMS微流控芯片上的左端，目标细胞储液孔B、目标细胞储液孔C、目标细胞储液孔D、目标细胞储液孔E、目标细胞储液孔F以及和目标细胞储液孔相配套的第2～6号细胞分选通道均位于检测区1右端；左端进样孔A通过检测区1与第2～6号细胞分选通道连通；在左端进样孔A及目标细胞储液孔B～F中均插入铂电极；左端进样孔A中的铂电极的另一端与直流电源的正极相连；目标细胞储液孔B～F中的铂电极的另一端均与继电器(受单片机处理器控制)连接；继电器另一端通过定值电阻R连接至直流电源的负极；对应的定值电阻R两端通过导线连接至差分放大器P的两个输入端；差分放大器P的输出端连接至单片机处理器的输入端；单片机处理器接收的信号可以直接在显示屏上显示；单片机处理器通过控制继电器来控制各分选通道的电极与主电路的通断产生电渗流，进而实现细胞分选。
对应的实例1的操作步骤:
(1)样品滴加：首先在左端A进样孔以及各个目标细胞储液孔B～F中滴加相同体积的磷酸盐(PBS)缓冲液，取出A进样孔中的磷酸盐(PBS)缓冲液，然后将等量的待分选单细胞样品滴加到A进样孔中；
(2)样品运输：接通直流电源，将左端进样孔A中的样品电渗运输至预接通的储液孔B内。当样品单细胞经过检测区时，检测区电阻值发生变化，进一步导致与该电路串联的电阻R两端的电压发生变化，产生电压变化信号，电压变化信号经过差分放大器元件(如AD620差分放大器)差分信号放大后输入至单片机处理器，由单片机处理器对该信号采集、分析以及控制继电器动作，进行细胞分选通道铂电极通断控制；所述单片机处理器预先设置一动作电压值为U，延时值T，当有样品单细胞通过检测区在单片机处理器上产生的检测信号大于U时，单片机处理器控制继电器动作，切断原来与电路接通的目标细胞储液孔B，按照单片机预设的逻辑顺序，将目标细胞储液孔C与主电路连接，从而在目标细胞储液孔C和进样孔A之间形成电渗流，将单细胞分选至细胞分选通道3中，经过时间T后完成细胞在C储液孔的分选；当再有单细胞通过检测通道时，单片机按照此逻辑顺序依次动作，从而完成对单细胞的分选操控。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于微流控芯片的单细胞分选装置，包括玻璃底片及加工有样品分选通道的PDMS微流控芯片，该PDMS微流控芯片与玻璃底片之间形成待测样品流通的微流道且所述PDMS微流控芯片凹刻有微流道一侧与玻璃底片封接为一体结构，其特征在于：
所述样品分选通道包括
进样区，该进样区一端连通插有铂电极的进样孔，另一端与检测区相连通，且进样孔内的铂电极与直流电源的正极连接；
分别连通进样区、分选区的检测区；
以及具有若干细胞分选通道的分选区，各所述细胞分选通道一端均与检测区相连通，另一端分别连通插有铂电极的目标细胞储液孔；各所述目标细胞储液孔内的铂电极均与通道分选元件相连接，并通过一个参考电阻与直流电源负极相连接；该参考电阻的两端连接信号放大元件的输入端，信号放大元件的输出端连接信号采集控制系统。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分选装置，其特征在于：所述信号放大元件采用差分放大器元件。
3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分选装置，其特征在于：所述信号采集控制系统包括单片机处理器。
4.根据权利要求3所述的基于微流控芯片的单细胞分选装置，其特征在于：
所述通道分选元件包括分别与各目标细胞储液孔内的铂电极相连接的继电器。
5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分选装置，其特征在于：
各所述细胞分选通道分别以与检测区的连通处为中心，呈放射形分布于PDMS微流控芯片上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160907 Termination date: 20200415 |