一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统的制作方法

文档序号:9225565
一种集成细胞聚焦与检测的方法及其微型化系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种集成非对称正弦形流道惯性聚焦和伪随机序列电阻抗测量技术的微型化细胞检测系统,属于微流控芯片、生物粒子操控和电阻抗检测领域。
【背景技术】
[0002]单细胞水平的生物化学和生物物理特性分析,能够有效阐明细胞的单体差异,以及揭示细胞的功能和状态,对于细胞的生理、病理研宄具有重要意义。微流控芯片因具有与细胞尺度相匹配的微米级腔道,已经成为单细胞研宄的一种重要技术平台。到目前为止,研宄者已成功将免疫细胞化学、逆转录聚合酶链反应和荧光原位杂交等生化分析方法成功运用到微流控芯片中,然而这些技术以细胞表达的生物分子标记物为分析对象,存在操作复杂、检测效率低等共同缺点。
[0003]近年来,出现了一些表征单细胞生物物理特性的微流控器件,如测量细胞质量(密度)的微通道谐振器、分析细胞机械性能的光延伸器和微管吸吮等。然而微通道谐振器的加工过程繁琐、系统组成庞大、检测通量较低,而细胞的机械变形则需要借助昂贵的高速显微设备进行观察。因此,作为一种高通量、非标记并且易于实现微型化的检测方法,单细胞电阻抗测量技术引起了广泛关注。根据测量频率的特点,现有的微流控细胞电阻抗检测技术主要分为静态扫频测量和动态单频(或几种频率)测量。静态扫频测量时将细胞固定在检测电极附近,通过施加不同频率的交流电信号,测量得到细胞的宽频阻抗谱。这种方法虽然能够获取准确的细胞电学特性,但检测耗时较长,且无法表征细胞的实时状态。动态单频测量能够实现细胞流动态的高通量检测,但因测量的频率有限,无法获得完整的细胞阻抗谱。另外,现阶段的微流控细胞电阻抗检测系统一般需要借助商用的昂贵仪器如锁相放大器、频谱仪等,造成整个检测的系统庞大,不易实现临床即时诊断。因此,如能提出一种能够实现动态多频同时测量的微型化细胞检测系统,必将在一定程度上克服上述局限。

【发明内容】

[0004]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供一种集成细胞聚焦与检测的微型化系统,该系统集成了非对称正弦形流道惯性聚焦技术与伪随机序列电阻抗测量技术,实现了细胞的高通量、动态多频检测。
[0005]技术方案:为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种集成细胞聚焦与检测的微型化系统,包括微流控芯片(11)、数据采集卡(12)、微型计算机(13)、样品进样装置
(14)和样品收集装置(15),其中:
[0006]所述微流控芯片(11)包括由上到下依次封装的流道层(111)、基底层(112)和PCB 板(113);
[0007]所述流道层(111)包括一端相互连接的非对称正弦形流道(21)和检测主流道
(22);而所述非对称正弦形流道(21)另一端设置有样品入口(211),同时检测主流道(22)另一端设置有样品出口(221);所述检测主流道(22)的流道一侧设置有一个以上的激励施加电极,而另一侧设置有与激励施加电极相对应的响应传感电极;所述激励施加电极包括依次连接的第一聚电解质凝胶(231)、第一电导液储蓄池(241)以及激励银-氯化银导线(261),所述第一聚电解质凝胶(231)与检测主流道(22)相接;所述响应传感电极包括依次连接的第二聚电解质凝胶(232)、第二电导液储蓄池(242)和响应银-氯化银导线(262),所述第二聚电解质凝胶(232)与检测主流道(22)相接;
[0008]所述PCB板(113)的集成电路包括激励信号接口(281)、激励电极连接端口
(271)、响应电极连接端口(272)、跨阻放大器(273)、差分放大器(274)以及响应信号接口(282);所述激励信号接口(281)分成两路分别与激励电极连接端口(271)连接;所述响应信号接口(282)、差分放大器(274)、跨阻放大器(273)以及响应电极连接端口(272)依次连接;所述激励银-氯化银导线(261)与激励电极连接端口(271)连接;而所述响应银-氯化银导线(262)与响应电极连接端口(272)连接;
[0009]所述数据采集卡(12) —端与微型计算机(13)连接,所述数据采集卡(12)另一端均与PCB板(113)上的激励信号接口(281)和响应信号接口(282)连接;所述样品进样装置(14)与样品入口(211)连接;所述样品收集装置(15)与样品出口(221)连接;
[0010]所述微型计算机(13)通过软件编程实现伪随机激励信号的产生、系统响应信号的处理,以及细胞多性能参数的分析和显示。
[0011]优选的:所述激励施加电极的个数为两个,所述激励电极连接端口(271)的个数为两个,所述激励信号接口(281)分成两路分别与激励电极连接端口(271)连接;所述响应电极连接端口(272)的个数为两个,跨阻放大器(273)分成两路分别与响应电极连接端口
(272)连接。
[0012]优选的:所述第一聚电解质凝胶(231)与第二聚电解质凝胶(232)关于检测主流道(22)对称设置。
[0013]优选的:所述非对称正弦形流道(21)为曲率半径不同的正弦形弯流道交替组成;所述非对称正弦形流道(21)的截面为矩形。
[0014]优选的:所述样品进样装置(14)通过第一微管(161)与样品入口(211)连接;所述样品收集装置(15)通过第二微管(162)与样品出口(221)连接;所述基底层(112)和PCB板(113)之间通过紧固件29固定。
[0015]优选的:所述基底层(112)所用材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的任一一种,流道层(111)的流道结构所用材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、环氧树脂、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的任一一种。
[0016]优选的:所述非对称正弦形流道(21)、检测主流道(22)以及电导液储蓄池(24)可通过光刻技术或其他刻蚀技术加工得到,并利用化学修饰对流道表面进行改性;所述第一聚电解质凝胶(231)与第二聚电解质凝胶(232)均通过在微流道中填充聚二烯丙基二甲基氯化铵母液,利用对准光刻技术进行曝光固化制备。
[0017]一种集成细胞聚焦与检测的方法,样品进样装置(14)将细胞悬浮液样品通过样品输入口(211)输送至非对称正弦形流道(21);细胞(41)在非对称正弦形流道(21)内承受惯性升力与Dean拽力的共同作用,逐渐稳定形成聚焦;当聚焦成束的细胞(41)随非对称正弦形流道(21)进入到检测主流道(22)的测量区域时,由微型计算机(13)、数据采集卡(12)、激励信号接口(281)、激励电极连接端口(271)、激励施加电极构成的激励信号施加电路对聚焦成束的细胞(41)施加激励信号,而此时细胞(41)受到激励信号引起的电流响应信号通过由响应传感电极、响应电极连接端口(272)、跨阻放大器(273)、差分放大器(274)、响应信号接口(282)、数据采集卡(12)和微型计算机(13)依次连接构成的响应信号传感电路检测测量,从而实现对细胞的差分阻抗测量。
[0018]优选的:所述细胞(41)在非对称正弦形流道(21)内的聚焦方法为:细胞悬浮液在非对称正弦形流道(21)弯流道中的运动可在流道剖面和截面上进行分解;在流道剖面方向上,细胞悬浮液的泊肃叶流动使得细胞(41)受到横向惯性升力F1;在流道截面上,细胞悬浮液形成Dean
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