专利名称：一种用于细胞检测的3d微流控结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于流式细胞检测的三维微流控芯片结构型式及其制备方法。
背景技术：
流式细胞术是一种对处在液流中的细胞颗粒逐个进行多参数自动分析和检测的 技术。它可较为精准地实现对细胞特征和细胞(或细胞器)组成的定性及定量分析，因而 在现代医学研究和临床诊断中有着极为重要的应用价值。流式细胞仪(FCM)就是基于上述 流式细胞术的基本原理，综合利用光学、机械、流体动力学和计算机控制技术来实现细胞检 测及分析功能的一种现代化生物医学仪器。它的核心部件之一，是带有特定流体控制结构 (通道)的流动室系统；其基本功能，是通过合理控制液流(包括鞘流及待测样液)的运动 参数及形态，来实现对样液的“水力聚焦”(hydro-focusing)。整个检测/分析过程可概要 描述如下将经荧光染色或标记的细胞悬浮液放入样品管中，通过注射等方式压入流动室； 流动室内同时注入鞘流，在鞘流的夹裹作用下，样液将被“聚焦”为宽度极小(与细胞分子 直径约在同一数量级)的微小流束，从而使其中的细胞能排成单列，以一定速度逐个地进 入检测区。在此区域内，由光源系统产生的激光光束以特定角度照射到样液上，在细胞上产 生散射光，并激发出荧光。利用光学传感器对这些信号进行接收，并通过光电转换器件将其 转换成电信号，再将采集到的电信号做采样编码、滤波整流等后处理，最后通过DAQ数据采 集卡送入计算机进行分析，便可得到所需的细胞信息。由此可见，流式细胞仪流控结构的设 计与制造，对液流的聚焦效果，进而对整个仪器的检测及分析精度，具有至关重要的影响。随着现代医学科技的发展，开发新型的高性能、便携式的流式细胞分析仪，以进一 步提升分子细胞学检测、分析的效率和水平，已成为一项迫在眉睫的任务。近年来，微机电 系统(MEMS)和微流控技术的兴起和发展，为上述目标的实现提供了一种全新和有效的技 术手段。利用这一技术，我们可以在玻璃、硅片、有机聚合物等材料上制作微通道、微泵、微 阀、微电极和连接器等功能器件，因此也可方便地制作用于细胞检测的微流动室结构，并可 望将其与微泵和光学检测器件等集成到单一芯片上，形成所谓微流控芯片实验室。相比于 传统装置，微流控芯片的微米级结构将显著增大流体环境的面积/体积比，从而使系统性 能发生显著改善(如体积减小、效率提高、成本降低，试样和试剂消耗量下降等)，具有明显 的技术和经济优势。然而，目前已有的用于细胞分析的微流控芯片，尽管具体形式和尺寸参数各不相 同，但却基本都属于一种“二维”聚焦结构，主要体现在整个流控结构系一次性刻蚀得到，所 有的液流通道及汇聚区都具有相同的深度，且底部平整，这使得流体的聚焦只能在芯片所 在二维平面内实现(即样液在左右两侧鞘流的夹裹下沿宽度方向汇聚)，而在与之垂直的 方向即通道的深度方向，则无法实现汇聚。这就有可能造成同一时刻有不止一个细胞分子 上下重叠通过检测点(激光光束照射处)，影响到检测结果的准确性。而理想的情况，是希 望样液同时也能在垂直方向受到某种力或约束的作用，实现真正的“三维”聚焦，以保证通 过检测点细胞数目的唯一性。这就需要对现有流控结构进行创新设计，使之既能满足上述三维聚焦的功能需求，又便于加工制备，具有较好的经济性及实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现三维聚焦的新型细胞计数用微流控芯片结 构，以及加工制备这种结构的工艺方法。本发明的技术方案是这样实现的—种用于细胞检测的3D微流控结 构，该结构为上行式微流控结构，其结构由玻璃 盖片和聚二甲基硅氧烷PDMS的流控结构和基底封接而成，流控结构由鞘流入流通道、样液 入流通道、汇流腔、汇聚通道以及上行台阶和出口构成，所述的鞘流入流通道在样液入流通 道左右两侧对称排列，样液入流通道在中间，此三股通道与汇流腔相通并具有相同的深度， 汇流腔通过上行台阶与汇聚通道相通，汇聚通道的深度小于汇流腔。一种用于细胞检测的3D微流控结构，该结构为下行式微流控结构，其结构由玻璃 盖片和聚二甲基硅氧烷PDMS的流控结构和基底封接而成，流控结构由鞘流入流通道、样液 入流孔、汇流腔、汇聚通道以及下行台阶和出口构成，所述的鞘流入流通道为左右对称排 列，与汇流腔相通并具有相同的深度，样液入流孔位于汇流腔底部，汇流腔通过下行台阶与 汇聚通道相通，汇聚通道的深度大于汇流腔。一种用于细胞检测的3D微流控结构的制备方法，采用两次光刻，一次显影的制备 方法，即(a)在硅片或玻璃基底的一表面涂覆一层负型感光材料；(b)提供第一块掩模板，该掩模板的曝光图案为上述微结构的二维图案，利用紫外 光光束对负型感光材料进行曝光；(c)曝光后不显影，紧接着再在第一层负型感光材料上涂覆第二层相同的负型感 光材料；(d)提供第二块掩模板，制作上行式结构时，该第二块掩模板的曝光图案为鞘流、 样流入流通道及汇流腔的二维图案，制作下行式结构时该第二块掩模板的曝光图案为汇聚 通道的二维图案，与第一块掩模板对准后利用紫外光光束对负型感光材料进行二次曝光；(e)经两次曝光后，进行显影程序，得到所需阳模；(f)在此阳模上注塑聚二甲基硅氧烷PDMS材料，固化后得到所需的3D微流控结 构。其中该负型感光材料均为SU-8光刻胶。在上行式结构中，由于汇流腔的深度比汇聚通道区大，而前后两次涂覆负型感光 材料的总厚度正是聚二甲基硅氧烷PDMS微通道汇流腔的深度，因此第一层负型感光材料 涂覆的厚度等于汇聚通道区深度，第一块掩模板的曝光图案为整体微结构的二维图案；第 二层负型感光材料涂覆的厚度等于汇流腔深度与汇聚通道深度之差，第二块掩模板的曝光 图案为液流入流通道及汇流腔的二维图案。同理，在下行式结构中，由于汇流腔的深度比汇聚通道区小，因此第一层负型感光 材料涂覆的厚度等于汇流腔深度，第一块掩模板的曝光图案为整个微通道的二维图案；第 二层负型感光材料涂覆的厚度等于汇聚通道深度减去汇流腔深度，第二块掩模板的曝光图 案为液流汇聚通道的二维图案。
本发明所述用于流式细胞分析的新型3D微流控芯片结构，可以同时实现微流体 在垂直方向和水平方向的三维聚焦，从而保证了在某一时刻通过激光检测点的细胞数目的 唯一性。该结构加工方便，用PDMS做结构材料，成本较低，生物兼容性较好。
图1显示的是2D微流控芯片细胞检测结果图2显示的是本发明新型3D微流控芯片细胞检测结果图3-a为本发明上行式新型3D微流控结构示意(玻璃盖片省略)图3-b为本发明下行式新型3D微流控结构示意(玻璃盖片省略)图4至图12显示本发明聚二甲基硅氧烷PDMS微流控结构制备工艺示意图。简单符号说明1 玻璃该片2 PDMS流控结构3 基底4 鞘流入流通道5 样液入流通道(孔)6 汇流腔7 汇聚通道8 上行台阶结构9 下行台阶结构10 出口100检测激光20 基底21 第一层SU-8光刻胶22 第一块掩模板23 紫外光光束24 第二层SU-8光刻胶25 第二块掩模板26 SU-8 阳模27 PDMS 材料28 PDMS流控结构29 玻璃盖片201 基底的表面
具体实施例方式图1显示的是2D微流控芯片细胞检测结果。由于2D微流控芯片流体的聚焦只能 在芯片所在二维平面内实现(即样液在左右两侧鞘流的夹裹下沿宽度方向汇聚)，而在与 之垂直的方向即通道的深度方向，则无法实现汇聚。因此就有可能造成同一时刻有不止一 个细胞分子上下重叠通过检测点(激光光束照射处)，影响到检测结果的准确性。
图2显示的是本发明新型3D微流控芯片细胞检测结果。由于在汇聚通道添加了 台阶结构，使得3D微流控芯片的流体在垂直方向也受到约束而实现聚焦，使得同一时刻只 有一个细胞通过检测点，改善了 2D微流控芯片的不足。图3-a为本发明上行式新型3D微流控结构示意(玻璃盖片省略)。其结构由玻璃 盖片(1)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)流控结构2和基底3封接而成，流控结构2由鞘流入流 通道4、样液入流通道5、汇流腔6、汇聚通道7以及上行台阶8和出口 10构成，所述的鞘流 入流通道4在样液入流通道5左右两侧对称排列，样液入流通道5在中间，此三股通道与汇 流腔6相通并具有相同的深度，汇流腔6通过上行台阶8与汇聚通道7相通，汇聚通道7的 深度小于汇流腔6。图3-b为本发明下行式新型3D微流控结构示意(玻璃盖片省略)。其结构由玻璃 盖片1和聚二甲基硅氧烷(PDMS)流控结构2和基底3封接而成，流控结构2由鞘流入流通 道4、样液入流孔5、汇流腔6、汇聚通道7以及下行台阶9和出口 10构成，所述的鞘流入流 通道4为左右对称排列，与汇流腔6相通并具有相同的深度，样液入流孔5位于汇流腔6底 部，汇流腔6通过下行台阶9与汇聚通道7相通，汇聚通道7的深度大于汇流腔6。图4至图12，显示本发明PDMS微流控结构制备工艺的示意 图。首先，参考图4，提 供一基底20，该基底20的材料一般为硅或玻璃。接着，参考图5，涂覆第一层SU-8光刻胶 21于该基底20的一表面201上，该第一层SU-8光刻胶21为一种负型感光材料。接着，参考图6，提供第一光掩模板22，利用紫外光光束23对该第一层SU_8光刻 胶21进行曝光程序，使得相对应部分的该第一层SU-8光刻胶21发生光固化反应而成为固 体。接着，参考图7，在显影程序之前，于第一层SU-8光刻胶21基础上再涂覆第二层SU-8 光刻胶24。接着，参考图8，提供第二光掩模板25，利用紫外光光束23对该第二层SU-8光 刻胶24进行曝光程序，使得相对应部分的该第二层SU-8光刻胶24发生光固化反应而成为 固体。由于第二块掩模板曝光图案的面积当小于该第一块掩模板，因此，曝光后发生光固化 反应，第二层SU-8光刻胶24固化体积小于第一层SU-8光刻胶21固化体积，由此而形成 台阶形状SU-8模具26。接着，参考图9，对进行过光刻的第一层SU-8光刻胶21和第二层 SU-8光刻胶24共同进行显影程序，未曝光部分被显影液溶解掉，曝光部分保留下来，形成 台阶状SU-8模具26。至此，台阶状SU-8模具制作完成，接下来是PDMS浇铸、固化、钻孔、封装等程序。 接着，参考图10，将PDMS材料27浇铸在SU-8模具26表面并固化。接着，参考图11，去除 SU-8模具26后得到具有微流体通道的PDMS流控结构28。参考图12，打孔，并使用玻璃29 封装。(1)本发明所述新型3D微流控芯片结构描述为整体结构由玻璃盖片1、聚二甲基硅氧烷PDMS流控结构2和基底3封接而成。流 控结构2由左右对称的鞘流入流通道4、样液入流通道(孔)5、汇流腔6、汇聚通道7以及台 阶状结构8、9构成和出口 10。为实现三维聚焦，汇聚通道和前述其它结构区具有不同的深 度，即在它们的结合处设计有台阶状结构。根据汇聚液流Z向约束方位的不同，又可分为液 流上行式与下行式两种结构(a)上行式。鞘流、样液入流通道和汇流腔一次刻蚀形成，具有相同的深度，并通过 上行台阶与较浅的汇聚通道相通。这样，液流被压入芯片并进行汇聚后，将溯台阶而上，样液将同时受左、右、下三个方向的作用(约束)而实现三维聚焦；(b)下行式。鞘流入流通道和汇流腔一次刻蚀形成，具有相同的深度，并通过下行 台阶与较深的汇聚通道相通；样液通过汇流腔底部的入流孔进入芯片。液流在汇流腔汇聚 后，将沿台阶向下流入汇聚通道，样液将始终被压迫在通道底部，同时受左、右、上三个方向 的作用而实现三维聚焦；(2)本发明所述微流控芯片聚二甲基硅氧烷PDMS流控结构的制作步骤是
(a)提供一基底20，并在该基底一表面涂覆一层负型感光材料21 ；(b)提供第一块掩模板22，利用紫外光光束23对该负型感光材料21进行曝光；(c)曝光后先不进行显影程序，紧接着在第一层负型感光材料21基础上涂覆第二 层负型感光材料24 ；(d)提供第二光掩模板25，利用紫外光光束对该第二层负型感光材料24进行曝 光；(e)两次曝光后，利用显影液对该第一层和该第二层负型感光材料进行显影处理， 可得到台阶状阳模26;(f)在此阳模上注塑聚二甲基硅氧烷PDMS材料27，固化后得到所需微流控芯片的 PDMS流控结构28。(g)对“下行式”结构，在汇流腔底部利用激光打孔，形成样液入流孔。(h)将脱模后的PDMS流控结构反置粘贴在基底210上，并在其上表面覆盖玻璃 29，形成封装芯片。由此，可以解决具有台阶状结构通道的聚二甲基硅氧烷PDMS微流控芯片制备的 问题。
权利要求
1.一种用于细胞检测的3D微流控结构，其特征在于，该结构为上行式微流控结构，其 结构由玻璃盖片(1)和聚二甲基硅氧烷PDMS的流控结构(2)和基底(3)封接而成，流控结 构(2)由鞘流入流通道(4)、样液入流通道( 、汇流腔(6)、汇聚通道(7)以及上行台阶(8) 和出口(10)构成，所述的鞘流入流通道(4)在样液入流通道( 左右两侧对称排列，样液 入流通道( 在中间，此三股通道与汇流腔(6)相通并具有相同的深度，汇流腔(6)通过上 行台阶⑶与汇聚通道(7)相通，汇聚通道(7)的深度小于汇流腔(6)。
2.一种用于细胞检测的3D微流控结构，其特征在于，该结构为下行式微流控结构，其 结构由玻璃盖片(1)和聚二甲基硅氧烷PDMS的流控结构(2)和基底(3)封接而成，流控结 构⑵由鞘流入流通道G)、样液入流孔(5)、汇流腔(6)、汇聚通道(7)以及下行台阶(9) 和出口(10)构成，所述的鞘流入流通道⑷为左右对称排列，与汇流腔(6)相通并具有相 同的深度，样液入流孔( 位于汇流腔(6)底部，汇流腔(6)通过下行台阶(9)与汇聚通道 (7)相通，汇聚通道(7)的深度大于汇流腔(6)。
3.—种如权利要求1或2所述用于细胞检测的3D微流控结构的制备方法，其特征在 于，采用两次光刻，一次显影的制备方法，即(a)在硅片或玻璃基底00)的一表面涂覆一层负型感光材料；(b)提供第一块掩模板(22)，该掩模板的曝光图案为上述微结构的二维图案，利用紫 外光光束对负型感光材料进行曝光；(c)曝光后不显影，紧接着再在第一层负型感光材料上涂覆第二层相同的负型感光材料；(d)提供第二块掩模板(25)，制作上行式结构时，该第二块掩模板的曝光图案为鞘流、 样流入流通道及汇流腔的二维图案，制作下行式结构时该第二块掩模板的曝光图案为汇聚 通道的二维图案，与第一块掩模板02)对准后利用紫外光光束对负型感光材料进行 二次曝光；(e)经两次曝光后，进行显影程序，得到所需阳模06)；(f)在此阳模上注塑聚二甲基硅氧烷PDMS材料(XT)，固化后得到所需的3D微流控结 构(28)。
4.如权利要求3所述的方法，其中该负型感光材料均为SU-8光刻胶。
全文摘要
本发明涉及一种用于细胞检测的3D微流控结构及其制备方法，整体结构由玻璃盖片、聚二甲基硅氧烷PDMS流控结构和基底封接而成。其PDMS流控结构上刻有鞘流及样流入流通道(孔)、汇流腔及用以实现三维聚焦的台阶状结构和汇聚通道。在汇流腔，所设计的通道形状可实现流体左、右两个方向聚焦，在汇聚通道中，液流通过一个台阶状结构，受到垂直方向的约束，从而可实现三维聚焦。同时提出了采用“两次光刻、一次显影”的方式来制备上述微流控结构的工艺方法。本发明用简单的结构方案即可实现三维流体聚焦，应用效果好、加工方便；用聚二甲基硅氧烷PDMS做结构材料，成本低，生物兼容性好。
文档编号G01N15/14GK102128777SQ20101055723
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者李义平, 王冰, 王小鹏, 王敬元, 王永泉, 陈花玲 申请人:西安交通大学