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一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法

阅读:1038发布:2020-06-09

专利汇可以提供一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 申请 公开一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法,涉及微流控技术领域。离心式微流控芯片包括承载基片和微流控基片, 图像采集 装置以及无线供电发射装置;承载基片上包括多个超透镜阵列;微流控基片上包括多个细胞悬浮腔,细胞悬浮腔和超透镜阵列一一对应设置,一个细胞悬浮环形 电极 阵列环绕设于一个超透镜阵列的外侧;通过微流控基片上的多个腔体对细胞实现分选操作,将细胞捕捉后,再通过超透镜阵列以及图像采集单元对细胞成像,从而使离心式微流控芯片具有细胞分选、高分辨细胞成像等功能。本 发明 承载基片和微流控基片键合组装,制作工艺简单,将超透镜集成在微流控芯片上,为细胞 力 学研究提供高效、高 精度 的细胞操作分析工具。,下面是一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法专利的具体信息内容。

1.一种离心式微流控芯片,用于细胞沉积和细胞捕捉,其特征在于,所述离心式微流控芯片包括:
相对设置的微流控基片和承载基片,无线供电接收及图像采集装置以及无线供电发射装置;
所述微流控基片朝向所述承载基片的表面设有凹槽结构,所述微流控基片与所述承载基片密封连接,所述凹槽结构形成多个腔体,所述多个腔体至少包括多个细胞悬浮腔,所述细胞悬浮腔与所述超透镜阵列一一对应;所述微流控基片上包括通孔结构,所述通孔结构用于安装、通气和使微流体进入所述凹槽结构;所述多个腔体和所述通孔结构组成两个并行功能单元;
所述承载基片朝向所述微流控基片的表面设置有多个超透镜阵列和多个细胞悬浮环形电极阵列;所述细胞悬浮环形电极阵列与所述超透镜阵列一一对应设置,一个所述细胞悬浮环形电极阵列环绕设于一个所述超透镜阵列的外侧,所述细胞悬浮环形电极阵列设于所述细胞悬浮腔内;所述承载基片背离所述微流控基片的表面设置有多个图像采集单元安装腔和控制电路安装腔;
所述无线供电接收及图像采集装置包括多个图像采集单元、控制电路模块和一个无线供电接收模块,所述图像采集单元与所述控制电路模块相连,所述控制电路模块和所述无线供电接收模块相连;且所述图像采集单元内嵌在所述图像采集单元安装腔,所述控制电路模块内嵌在所述控制电路模块安装腔。
2.如权利要求1所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述多个腔体至少还包括两个细胞沉降腔,所述承载基片朝向所述微流控基片的表面还设置有中心对称布置的两套细胞分选电极对,所述两套细胞分选电极对和所述两个细胞沉降腔一一对应设置,所述细胞分选电极对设于所述两个细胞沉降腔内。
3.如权利要求1所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述多个腔体还包括样品进样腔、细胞沉淀腔和废液腔;
所述通孔结构包括样品进样孔、进样腔通气孔、废液腔通气孔和安装孔;
所述样品进样孔和进样腔通气孔分别位于所述样品进样腔顶端的两侧,所述样品进样孔和进样腔通气孔均与所述样品进样腔连通;
所述废液腔通气孔和所述废液腔连通;
所述样品进样腔和所述细胞沉降腔通过微连接;
所述细胞沉淀腔通过所述废液腔微通道连接所述废液腔。
4.如权利要求3所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述样品进样腔与所述废液腔具有第一深度,所述细胞沉淀腔和所述废液腔微通道具有相同的第二深度,其中,所述第一深度大于所述第二深度。
5.如权利要求1所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述图像采集单元为CMOS图像传感器,所述CMOS图像传感器表面涂覆有滤光层,所述滤光层用于滤除进入所述CMOS图像传感器的杂散光。
6.如权利要求1-5任意一项所述的离心式微流控芯片,其特征在于,所述超透镜阵列的超透镜为同心环拓扑结构,所述超透镜的数值孔径为0.9。
7.一种离心式微流控芯片的应用方法,其特征在于,所述离心式微流控芯片为权利要求1-6任意一项所述的离心式微流控芯片,所述应用方法包括:
提供所述离心式微流控芯片、样品液及缓冲液,所述样品液包括多个细胞,所述缓冲液为PBS缓冲液;
将缓冲液加入到离心式微流控芯片中,并按照第一预设转速和第一预设时间旋转所述离心式微流控芯片;
将所述样品液加入到所述离心式微流控芯片中,并按照第二预设转速和第二预设时间旋转所述离心式微流控芯片;
待所述样品液中的细胞进入至所述细胞沉降腔时,停止旋转所述离心式微流控芯片,并对所述承载基片上的所述细胞悬浮环形电极阵列施加预设电压,待所述样品液中的细胞被所述细胞悬浮腔捕捉后,通过所述图像采集单元采集被捕捉的细胞的图像信息。
8.如权利要求7所述的离心式微流控芯片的应用方法,其特征在于,还包括如下步骤:
按照预设转速和预设时间旋转所述离心式微流控芯片的同时,还对所述承载基片上的所述细胞分选电极对施加预设电压。
9.一种离心式微流控芯片的制作方法,其特征在于,用于制作权利要求1-6任意一项所述的离心式微流控芯片,所述制作方法包括:
提供承载基片本体、微流控基片本体以及无线供电接收及图像采集装置以及无线供电发射装置;
所述承载基片本体包括相对设置的第一表面和第二表面,在所述承载基片本体的第一表面制作多个图像采集单元安装腔和无线供电接收模块安装腔及控制电路模块安装腔,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列引线;在所述承载基片本体的第二表面制作两套所述细胞分选电极对,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列对以及同心环拓扑结构的超透镜阵列,得到承载基片;
在所述微流控基片本体的一个表面内制作两套凹槽结构,在所述微流控基片本体制作通孔结构,得到微流控基片;
所述无线供电接收及图像采集装置包括多个图像采集单元、控制电路模块和一个无线供电接收模块,所述图像采集单元与所述控制电路模块相连,所述控制电路模块和所述无线供电接收模块相连,将所述图像采集单元安装至所述图像采集单元安装腔,将所述无线供电接收模块安装至所述无线供电接收模块安装腔,将所述无线供电发射装置和所述无线供电接收模块对应设置;
将所述承载基片带有所述超透镜阵列的表面与所述微流控基片带有所述凹槽结构的表面组装密封,得到所述离心式微流控芯片。
10.如权利要求9所述的离心式微流控芯片的制作方法,其特征在于,还包括如下步骤:
在所述承载基片本体的第一表面的预设位置制作细胞分选电极对引线;
在所述承载基片本体的第二表面制作两套所述细胞分选电极对。

说明书全文

一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及微流控技术领域,特别涉及一种离心式微流控芯片、制作方法及其应用方法。

背景技术

[0002] 生物细胞在其所在的生理环境及其对应生理形态的观测,对理解和研究细胞形态与一些疾病的发病机理关系至关重要,实验室普遍采用诸如原子显微镜之类的设备工具进行相关的细胞力学、成像课题研究。然而,这些设备存在能耗高、效率低和因需要单独的样品处理过程而导致的集成度低等方面的问题。
[0003] 相比之下,具有微型化、集成化、和自动化特点的流体技术是克服上述研究工具存在问题的有效手段;并且微流体与细胞之间存在很好的尺度兼容性。因此,微流体技术通过高效、高精度的细胞操作分析为研究施加于细胞之上的应力变形而导致的生理效应提供了很有前途的途径。
[0004] 目前,离心式微流控技术已经在临床诊断、免疫学、蛋白分子分析等领域得到了广泛研究。离心式微流控技术是实现细胞操作和分析等功能等可靠方式,但,现有技术中的离心式微流控芯片不具有同时细胞操控、高分辨细胞成像等功能的集成技术,无法实现细胞操控和高分辨细胞成像。

发明内容

[0005] 有鉴于此,本发明提供一种离心式微流控芯片及其制作方法,以解决现有技术中的离心式微流控芯片不具有细胞操控、高分辨细胞成像等功能,无法实现细胞操控和高分辨细胞成像的问题。
[0006] 为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
[0007] 一种离心式微流控芯片,用于细胞沉积和细胞捕捉,所述离心式微流控芯片包括:
[0008] 相对设置的微流控基片和承载基片,无线供电接收及图像采集装置以及无线供电发射装置;
[0009] 所述微流控基片朝向所述承载基片的表面设有凹槽结构,所述微流控基片与所述承载基片密封连接,所述凹槽结构形成多个腔体,所述多个腔体至少包括多个细胞悬浮腔,所述细胞悬浮腔与所述超透镜阵列一一对应;所述微流控基片上包括通孔结构,所述通孔结构用于安装、通气和使微流体进入所述凹槽结构;所述多个腔体和所述通孔结构组成两个并行功能单元;
[0010] 所述承载基片朝向所述微流控基片的表面设置有多个超透镜阵列和多个细胞悬浮环形电极阵列;所述细胞悬浮环形电极阵列与所述超透镜阵列一一对应设置,一个所述细胞悬浮环形电极阵列环绕设于一个所述超透镜阵列的外侧,所述细胞悬浮环形电极阵列设于所述细胞悬浮腔内;所述承载基片背离所述微流控基片的表面设置有多个图像采集单元安装腔和控制电路安装腔;
[0011] 所述无线供电接收及图像采集装置包括多个图像采集单元、控制电路模块和一个无线供电接收模块,所述图像采集单元与所述控制电路模块相连,所述控制电路模块和所述无线供电接收模块相连;且所述图像采集单元内嵌在所述图像采集单元安装腔,所述控制电路模块内嵌在所述控制电路模块安装腔。
[0012] 在一个实施例中,所述多个腔体至少还包括两个细胞沉降腔,所述承载基片朝向所述微流控基片的表面还设置有中心对称布置的两套细胞分选电极对,所述两套细胞分选电极对和所述两个细胞沉降腔一一对应设置,所述细胞分选电极对设于所述两个细胞沉降腔内。
[0013] 在一个实施例中,所述多个腔体还包括样品进样腔、细胞沉淀腔和废液腔;
[0014] 所述通孔结构包括样品进样孔、进样腔通气孔、废液腔通气孔和安装孔;
[0015] 所述样品进样孔和进样腔通气孔分别位于所述样品进样腔顶端的两侧,所述样品进样孔和进样腔通气孔均与所述样品进样腔连通;
[0016] 所述废液腔通气孔和所述废液腔连通;
[0017] 所述样品进样腔和所述细胞沉降腔通过微连接;
[0018] 所述细胞沉淀腔通过所述废液腔微通道连接所述废液腔。
[0019] 在一个实施例中,所述样品进样腔与所述废液腔具有第一深度,所述细胞沉淀腔与所述废液腔微通道具有相同的第二深度,其中,所述第一深度大于所述第二深度。
[0020] 在一个实施例中,所述图像采集单元为CMOS图像传感器,所述CMOS图像传感器表面涂覆有滤光层,所述滤光层用于滤除进入所述CMOS图像传感器的杂散光。
[0021] 在一个实施例中,所述超透镜阵列的超透镜为同心环拓扑结构,所述超透镜的数值孔径为0.9。
[0022] 一种离心式微流控芯片的应用方法,所述离心式微流控芯片为上述的离心式微流控芯片,所述应用方法包括:
[0023] 提供所述离心式微流控芯片、样品液及缓冲液,所述样品液包括多个细胞,所述缓冲液为PBS缓冲液;
[0024] 将缓冲液加入到离心式微流控芯片中,并按照第一预设转速和第一预设时间旋转所述离心式微流控芯片;
[0025] 将所述样品液加入到所述离心式微流控芯片中,并按照第二预设转速和第二预设时间旋转所述离心式微流控芯片;
[0026] 待所述样品液中的细胞进入至所述细胞沉降腔时,停止旋转所述离心式微流控芯片,并对所述承载基片上的所述细胞悬浮环形电极阵列施加预设电压,待所述样品液中的细胞被所述细胞悬浮腔捕捉后,通过所述图像采集单元采集被捕捉的细胞的图像信息。
[0027] 在一个实施例中,上述的离心式微流控芯片的应用方法还包括如下步骤:按照预设转速和预设时间旋转所述离心式微流控芯片的同时,还对所述承载基片上的所述细胞分选电极对施加预设电压。
[0028] 一种离心式微流控芯片的制作方法,用于制作上述的离心式微流控芯片,所述制作方法包括:
[0029] 提供承载基片本体、微流控基片本体以及无线供电接收及图像采集装置以及无线供电发射装置;
[0030] 所述承载基片本体包括相对设置的第一表面和第二表面,在所述承载基片本体的第一表面制作多个图像采集单元安装腔和无线供电接收模块安装腔及控制电路模块安装腔,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列引线;在所述承载基片本体的第二表面制作两套所述细胞分选电极对,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列对以及同心环拓扑结构的超透镜阵列,得到承载基片;
[0031] 在所述微流控基片本体的一个表面内制作两套凹槽结构,在所述微流控基片本体制作通孔结构,得到微流控基片;
[0032] 所述无线供电接收及图像采集装置包括多个图像采集单元、控制电路模块和一个无线供电接收模块,所述图像采集单元与所述控制电路模块相连,所述控制电路模块和所述无线供电接收模块相连,将所述图像采集单元安装至所述图像采集单元安装腔,将所述无线供电接收模块安装至所述无线供电接收模块安装腔,将所述无线供电发射装置和所述无线供电接收模块对应设置;
[0033] 将所述承载基片带有所述超透镜阵列的表面与所述微流控基片带有所述凹槽结构的表面组装密封,得到所述离心式微流控芯片。
[0034] 在一个实施例中,上述的离心式微流控芯片的制作方法,还包括如下步骤:
[0035] 在所述承载基片本体的第一表面的预设位置制作细胞分选电极对引线;
[0036] 在所述承载基片本体的第二表面制作两套所述细胞分选电极对。
[0037] 本发明提供的离心式微流控芯片,包括承载基片和微流控基片,无线供电接收及图像采集装置和无线供电发射装置。承载基片上包括多个超透镜阵列。微流控基片上包括多个细胞悬浮腔,细胞悬浮腔和超透镜阵列一一对应设置。通过微流控基片上的细胞沉降腔对细胞实现分选操作,通过细胞悬浮环形电极阵列对细胞进行悬浮聚焦,再通过超透镜阵列以及图像采集单元对所述细胞成像,从而使得所述离心式微流控芯片具有细胞分选、高分辨细胞成像等功能。附图说明
[0038] 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简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0039] 图1为本发明实施例提供的一种离心式微流控芯片结构示意图;
[0040] 图2为图1所示的离心式微流控芯片的爆炸结构示意图;
[0041] 图3为微流控基片的俯视图;
[0042] 图4为承载基片的仰视图;
[0043] 图5为承载基片的俯视图;
[0044] 图6为承载基片上的细胞悬浮电渗电极及同心环超透镜仰视图;
[0045] 图7为承载基片上超透镜的仰视图;
[0046] 图8为承载基片上超透镜的剖视图;
[0047] 图9为本发明实施例提供的一种离心式微流控芯片制作工艺流程图
[0048] 图10A-图10D为本发明实施例提供的超透镜阵列的制作工艺图。

具体实施方式

[0049] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0050] 因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
[0051] 在本发明的描述中,需要理解的是,如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
[0052] 此外,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0053] 下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细说明。
[0054] 现有技术中的微流体技术中,离心式微流体技术能够有效的克服外部驱动和微等带来的集成技术问题。因此,离心式微流体技术通过盘状微流控芯片的旋转为微流体提供动力。离心式微流体技术通过沉降力输运细胞,具有细胞运输方式可靠、液体操控稳定性高、对流体性质(粘度、pH和电导等)无依赖性等优点。因此,离心式微流技术是实现细胞操作和分析等功能的可靠方式。
[0055] 无线供电方式通过两个相互耦合的非接触电磁线圈实现。工作时,发射线圈内通入交流信号,并通过电磁耦合进入接受线圈而产生交流电压,进而为芯片上集成的电渗电极和细胞成像采集模块供电。
[0056] 目前,用于细胞捕获及相关细胞操作的微流体技术已经引起相关领域的重视。但,用于细胞操控的离心式微流体技术还未得到有效发展,现有离心式微流控芯片主要针对全血生化分析、免疫学检测、基因扩增;难以实现细胞形态学分析功能的集成,无法集成细胞捕获和高分辨细胞成像等功能。
[0057] 基于此,本发明提供一种集成有细胞显微功能的离心式微流控芯片,如图1-图8所示,其中,图1为本发明实施例提供的一种离心式微流控芯片结构示意图;图2为图1所示的离心式微流控芯片的爆炸结构示意图。请参考图1,所述离心式微流控芯片包括:相对设置的微流控基片1和承载基片2,无线供电接收及图像采集装置3,以及无线供电发射装置4。
[0058] 需要说明的是,承载基片2的作用有二:其一为封合(或封装)微流控基片1上的凹槽结构,形成密闭的功能系统。其二为承载同心环超透镜阵列、细胞分选电极对16、细胞悬浮环形电极阵列15以及电极引线等相关结构。本实施例中不限定微流控基片1及承载基片2的具体材质。可选地,微流控基片1及承载基片2为硬质聚合物PMMA(有机玻璃)片,聚合物是普遍采用的微流控芯片加工材料(如:PC,PMMA)。聚合物材料的微流控芯片上微流控结构的加工方法包括热压、激光加工等。而硬质聚合物PMMA具有较好的透光性和与微流控结构加工工艺良好的兼容性。而超透镜阵列14的材质可选为二,二氧化钛具有高的折射率,对光波传播有强的调制作用。本发明实施例中不限定图像采集单元21的具体形式,只要能够实现细胞图像信息的采集处理和储存即可。请参考图2,可选地,本发明实施例中,图像采集单元21为CMOS图像传感器,且CMOS图像传感器通过引线20与控制电路模块22相连。CMOS图像传感器表面涂覆有滤光层,滤光层用于滤除进入CMOS图像传感器的杂散光。滤光层使得超透镜工作于其共振波长,并滤除杂散光,使得图像传感器获取的图像更加清晰。CMOS图像传感器为典型的图像传感器,且有较大的分辨率和型号选取空间,更加便于安装在承载基片2上。
[0059] 请参见图2,微流控基片1朝向承载基片2的表面设有凹槽结构,微流控基片1与承载基片2密封连接,凹槽结构形成多个腔体,多个腔体至少包括多个细胞悬浮腔6,细胞悬浮腔6与超透镜阵列14一一对应。微流控基片1上包括通孔结构,通孔结构用于安装、通气和使微流体进入凹槽结构。多个腔体和通孔结构组成两个并行功能单元。微流体可以为样品液承载基片2朝向微流控基片1的表面设置有多个超透镜阵列14和多个细胞悬浮环形电极阵列15。细胞悬浮环形电极阵列15与超透镜阵列14一一对应设置,一个细胞悬浮环形电极阵列15环绕设于一个超透镜阵列14的外侧,细胞悬浮环形电极阵列15设于细胞悬浮腔6内。承载基片2背离微流控基片1的表面设置有多个图像采集单元安装腔18和控制电路模块安装腔19。
[0060] 无线供电接收及图像采集装置3包括多个图像采集单元21、控制电路模块22和一个无线供电接收模块23。图像采集单元21与控制电路模块22相连,控制电路模块22和无线供电接收模块23相连。且图像采集单元21内嵌在图像采集单元安装腔18,控制电路模块22内嵌在控制电路模块安装腔19。
[0061] 请参见图2和图4,在一个实施例中,多个腔体还包括两个细胞沉降腔8,承载基片2朝向微流控基片1的表面还设置有中心对称布置的两套细胞分选电极对16,两套细胞分选电极对16和两个细胞沉降腔8一一对应设置,细胞分选电极对16设于两个细胞沉降腔8内。分选电极对16在芯片旋转的同时被施加上电压,引起局部流场的变化,利用被分选生物粒子由于尺寸等特征对流场的敏感性,驱使不同大小形态的细胞形成不同的运动轨迹,总而进入设定的细胞悬浮腔6内。因此,通过设置分选电极对16以增大细胞间运动轨迹的差异,从而提升不同细胞分别进入细胞沉降腔8中不同设定分选腔的准确性。
[0062] 请参见图2,本实施例中,为了实现细胞的分选等操作,多个腔体还包括样品进样腔5、细胞沉淀腔8和废液腔7。通孔结构包括样品进样孔9、进样腔通气孔10、废液腔通气孔13和安装孔11。样品进样孔9和进样腔通气孔10分别位于样品进样腔5顶端的两侧(为图示中心对称设置)。样品进样孔9和进样腔通气孔10均与样品进样腔5连通。废液腔通气孔13和废液腔7连通。样品进样腔5和细胞沉降腔8通过微阀12连接。细胞悬浮环形电极阵列15设于细胞悬浮腔6内。细胞沉淀腔8通过废液腔微通道24连接废液腔7。
[0063] 需要说明的是,因微流控功能需求:微通道内细胞操作相关功能在细胞沉淀腔8与微通道内进行,需要较小的深度。而废液腔7内承装液体,且液体体积相对大,因此,加大深度有助于提高结构的集成度和紧凑型。可选地,本实施例中废液腔7具有相同的第一深度,样品进样腔5、细胞沉淀腔8及废液腔微通道24具有相同的第二深度,其中,第一深度大于第二深度。
[0064] 本实施例中控制电路模块22采用无线供电方式。
[0065] 需要说明的是,承载基片2上的超透镜阵列14位于微流控基片1的细胞悬浮腔6的位置处。在本发明中的离心式微流控芯片内,超透镜阵列14的位置对应于细胞悬浮腔6内细胞捕捉微结构,细胞被微结构捕捉后,通过基于超透镜阵列14的高分辨成像实现细胞形态的记录,从而被图像采集单元21获取相关细胞形态学和力学信息。
[0066] 下面具体说明一下本实施例提供的离心式微流控芯片的结构;结合图1至图8离心式微流控芯片,如图1所示,离心式微流控芯片包括硬质聚合物PMMA片(即微流控基片)1、硬质聚合物PMMA基片(即承载基片)2、无线供电接收及图像采集装置3、无线供电发射装置4构成。如图2所示,硬质聚合物PMMA片1贴合在硬质聚合物PMMA基片2表面,构成封闭的腔体。如图4所示,硬质聚合物PMMA基片2上有8组超透镜阵列14,其位置对应于硬质聚合物PMMA基片1的细胞悬浮腔6。无线供电接收及图像采集装置3中的CMOS图像传感器21与控制电路模块
22镶嵌在硬质聚合物PMMA基片2上对应的安装腔内。硬质聚合物PMMA基片2的直径为80mm,厚度为1mm,安装孔11直径为4mm。超透镜阵列14为同心环拓扑结构。超透镜阵列14由二氧化钛材料制作。超透镜阵列14具有高数值孔径,具体的,超透镜阵列14的数值孔径为0.9,实现接近衍射极限的光聚焦,进而实现高分辨成像。超透镜阵列14的俯视图如图7所示,剖视图如图8所示,超透镜阵列101的外圈圆环直径为36μm,厚度为600nm。硬质聚合物PMMA基片2上另一侧的多个图像采集单元安装腔18和控制电路模块安装腔19的深度均为1mm。
[0067] 硬质聚合物PMMA基片1直径为80mm,厚度为2mm。硬质聚合物PMMA片1一侧的样品进样腔5与废液腔7的深度为500μm。废液腔微通道24和细胞悬浮腔6的深度为50μm,样品进样腔5和细胞沉降腔8之间的微阀12宽度为50μm。细胞悬浮腔6共有8个。硬质聚合物PMMA基片1上样品进样孔9直径为2mm。进样腔通气孔10直径为2mm,废液腔通气孔13直径为2mm。
[0068] 图像采集装置3由CMOS图像传感器18和控制电路模块19通过模块电路引线(图未示)连接而成。离心式微流控芯片由无线供电发射装置4通过无线供电接收模块23进行供电。
[0069] 本发明提供的离心式微流控芯片包括承载基片2和微流控基片1,无线供电接收及图像采集装置3和无线供电发射装置4。承载基片2上包括多个超透镜阵列。微流控基片1上包括多个细胞悬浮腔6,细胞悬浮腔6和超透镜阵列14一一对应设置。通过微流控基片1上的细胞沉降腔8和细胞分选电极对16对细胞实现分选操作,将细胞捕捉后;通过细胞悬浮环形电极阵列15对细胞进行悬浮聚焦,再通过超透镜阵列以及图像采集单元21对细胞成像,从而使得离心式微流控芯片具有细胞分选、高分辨细胞成像等功能。
[0070] 上述离心式微流控芯片,通过在细胞悬浮腔6的外部设置细胞悬浮环形电极阵列15,在离心式微流控芯片停止旋转后,通过对细胞悬浮环形电极阵列15施加电压,可以在细胞悬浮腔6内形成环形流动的流场,将细胞局域在环形流场中心,即位于超透镜最佳成像区域,从而增强成像的效果。
[0071] 本发明实施例还提供一种离心式微流控芯片应用方法对离心式微流控芯片的使用进行说明,使得离心式微流控芯片对细胞进行分选及高分辨细胞成像。离心式微流控芯片应用方法包括:
[0072] S11、提供离心式微流控芯片、样品液及缓冲液,样品液包括多个细胞,缓冲液为PBS缓冲液。
[0073] S12、将缓冲液加入到离心式微流控芯片中,并按照第一预设转速和第一预设时间旋转离心式微流控芯片。
[0074] S13、将样品液加入到离心式微流控芯片中,并按照第二预设转速和第二预设时间旋转离心式微流控芯片。
[0075] S14、待样品液中的细胞进入至细胞沉降腔时,停止旋转离心式微流控芯片,并对承载基片上的细胞悬浮环形电极阵列施加预设电压,待样品液中的细胞被细胞悬浮腔捕捉后,通过图像采集单元采集被捕捉的细胞的图像信息。
[0076] 在一个实施例中,上述离心式微流控芯片的应用方法还包括如下步骤:按照第二预设转速和第二预设时间旋转离心式微流控芯片的同时,还对承载基片上的细胞分选电极对施加预设电压。
[0077] 其具体过程如下:
[0078] 离心式微流控芯片,由样品进样孔9施加缓冲液至样品进样腔5内。具体的,缓冲液为PBS缓冲液。将离心式显微芯片通过安装孔11安装于离心达上,以3000转每分钟的转速旋转芯片1分钟。缓冲液通过微阀12进入细胞沉淀腔8,并将其充满,多余缓冲液通过废液腔微通道24进入废液腔7。将血液由样品进样孔9施加进入样品进样腔5,所施加血液将流至样品进样腔5出口后,而因尺寸扩张而截止。以3000转每分钟的转速旋转芯片2分钟,样品进样腔5内的血液进入细胞沉淀腔8,血细胞被分类分别进入不同的细胞悬浮腔6,然后被细胞捕捉微结构阵列所捕获,多余液体通过废液腔微通道24进入废液腔7。激励光由芯片底面,穿过细胞悬浮腔6,进入CMOS图像传感器,控制电路模块22记录CMOS图像传感器所得细胞图像信息。
[0079] 请参考图9,本发明还提供一种离心式微流控芯片的制作方法;包括:
[0080] 步骤S101:提供承载基片本体、微流控基片本体以及无线供电接收及图像采集装置以及无线供电发射装置。
[0081] 步骤S102:承载基片本体包括相对设置的第一表面和第二表面,在承载基片本体的第一表面制作多个图像采集单元安装腔和无线供电接收模块安装腔及控制电路模块安装腔,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列引线。在承载基片本体的第二表面制作两套细胞分选电极对,在预设位置制作细胞悬浮环形电极阵列对以及同心环拓扑结构的超透镜阵列,得到承载基片。
[0082] 具体的,在承载基片本体制作有多个超透镜阵列的表面,通过电铸工艺加工两套细胞分选电极对和细胞悬浮环形电极阵列,并通过Parylene材料的蒸工艺覆盖保护超透镜阵列、细胞分选电极对和细胞悬浮环形电极阵列。
[0083] 步骤S103:在微流控基片本体的一个表面内制作两套凹槽结构,在微流控基片本体制作通孔结构,得到微流控基片。
[0084] 步骤S104:无线供电接收及图像采集装置包括多个图像采集单元、控制电路模块和一个无线供电接收模块,图像采集单元与控制电路模块相连,控制电路模块和无线供电接收模块相连。将图像采集单元安装至图像采集单元安装腔,将无线供电接收模块安装至无线供电接收模块安装腔,将无线供电发射装置和无线供电接收模块对应设置。
[0085] 步骤S105:将承载基片带有超透镜阵列的表面与微流控基片带有凹槽结构的表面组装密封,得到离心式微流控芯片。
[0086] 在一个实施例中,上述离心式微流控芯片的制作方法还包括如下步骤:
[0087] 在承载基片本体的第一表面的预设位置制作细胞分选电极对引线;在承载基片本体的第二表面制作两套细胞分选电极对。
[0088] 其中,承载基片上的超透镜阵列制作步骤如图10A-10D所示,包括:
[0089] 步骤一、涂胶——清洗承载基片2,并在其上旋涂覆盖厚度为650nm~700nm的电子光刻胶1011;
[0090] 步骤二、坚膜——然后将涂有电子束光刻胶1011的承载基片2置于180℃的热板上烘胶5分钟;
[0091] 步骤三、光刻——采用电子束光刻工艺,按图6所示超透镜的同心环截面进行电子束直写曝光;
[0092] 步骤四、显影——采用MIBK(甲基异丁基甲):IPA(异丙醇,iso-propyl alcohol)=1:3(该比例为体积比)显影液显影,显影完毕后于乙醇里清洗30秒,并用压缩空气吹干;
[0093] 步骤五、沉积——采用原子层沉积工艺于带有电子束光刻胶结构的承载基片2上沉积600纳米厚的二氧化钛层1012;
[0094] 步骤六、剥离——将沉积有二氧化钛层1012的承载基片2放置于丙酮溶液内,均匀摇动30秒以剥离电子束光刻胶1011,将承载基片2取出放置于乙醇内清洗30秒,再用压缩空气吹干,最终在承载基片2上形成超透镜阵列。
[0095] 硬质聚合物PMMA片2的制作包括如下步骤:
[0096] 步骤一、抛光——采用机械抛光工艺,抛光两片基板表面;
[0097] 步骤二、铣削——采用高精度数控铣削工艺,分别于两片黄铜基板(包括第一黄铜基板和第二黄铜基板)上加工聚合物PMMA片两侧结构对应的热压模具并抛光,第一黄铜基板上样品进样腔5对应的凸起结构和废液腔7对应的凸起结构高度为500μm,其余微通道和腔对应的凸起结构高度为50μm。样品进样腔5和细胞沉降腔8之间的微阀12对应的凸起结构宽度为50μm。细胞悬浮腔6对应的凸起结构共有8个,第二黄铜基板上图像采集单元安装腔18和控制电路模块安装腔19对应的凸起结构高度全部为1mm。
[0098] 步骤三、热压——采用由第一黄铜基板和第二黄铜基板构成热压模具,热压加工厚度为2.5mm的硬质聚合物PMMA圆板,得到硬质聚合物PMMA片2,热压温度为135℃,保压时间为30分钟,压力为50千帕;
[0099] 步骤四、钻孔——采用数控机床加工硬质聚合物PMMA片上直径为2mm的进样口,直径为2mm的进样腔通气孔,直径为2mm的废液腔通气孔。
[0100] 键合组装步骤:
[0101] 步骤一、旋涂——在CMOS图像传感器表面涂覆滤光层。
[0102] 步骤二、引线——将CMOS图像传感器与控制电路模块间对应管脚用引线连接,构成无线供电接收及图像采集装置3。
[0103] 步骤三、键合——硬质聚合物PMMA片上旋涂酒精与丙酮混合液后与承载基片2粘合,粘合时使承载基片2上的超透镜阵列与硬质聚合物PMMA片上的细胞悬浮腔6对准;
[0104] 步骤四、组装——将CMOS图像传感器与控制电路模块分别镶嵌于硬质聚合物PMMA片上对应的安装腔内,并点胶封装。
[0105] 微流控基片上的腔体采用微米级工艺制作,而承载基片上的超透镜阵列采用纳米级工艺制作,本发明将承载基片和微流控基片键合组装,提供了制作工艺简单的微米纳米跨尺度加工工艺,从而制作出本发明所示的将超透镜集成到离心式微流控芯片内,进而为细胞力学研究提供高效、高精度的细胞操作分析工具。
[0106] 以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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