单细胞多参数表征微流控器件的制作方法

本发明涉及微流控器件技术领域，特别涉及一种单细胞多参数表征微流控器件。

背景技术

细胞标志物是指可供客观测定和评价的细胞的生化指标，通过对细胞标志物的测定可以获知机体当前所处的生物学过程中的进程。检查具有某种特异性的细胞标志物，对于疾病的鉴定、早期诊断及预防、治疗过程中的监控有重要作用，所以测量表征细胞标志物已经成为目前研究的一个重要热点。其中，细胞的机械特性和电学特性是细胞的固有属性，可以作为细胞标志物，对细胞的机械特性和电学特性进行同时测量具有非常重大的意义。

细胞的机械特性，尤其是弹性模量，作为细胞标记物可以反映细胞的细胞骨架特性。细胞骨架不仅提供了机械强度，而且还实现了许多重要的细胞功能。其中，由细胞骨架引起的形态学变化实际上对癌症是诊断性的。一个细胞的骨架含量和结构变化可以在细胞的整体机械性能中得到反映，故通过对单细胞进行多参数的表征可以让研究者更全面深入的探究单细胞。

但是目前只有少数实验技术能够评估细胞的机械性能。目前常用的测量细胞机械特性的技术主要有光镊和原子力显微镜，然而这些技术都有一定的应用局限性。光镊使用的汇聚光很容易灼伤细胞，且需要高成本的光学仪器和繁琐的操作。原子力显微镜技术则采用探针进行扫描测量，只能测量贴壁细胞，且同样需要昂贵的设备和复杂的操作。这两种技术都是只能测量细胞相对较小区域的弹性表面，并非真正的单细胞测量。

细胞电学特性在生物学中多用于描述细胞存活率、生长情况、识别不同的细胞类型等。电学参数与细胞的结构和化学组成密切相关，可以通过研究细胞的电学特性来探究其生理机能。定量的分析细胞电学参数能够反映了细胞的介电特性，可以作为标定细胞类型的标记物。其中，细胞电学参数主要包括细胞膜、细胞质的电导率和介电常数。目前细胞电学特性可以通过多种方法实现，包括微电阻抗谱、阻抗流式细胞仪和电旋转方法，其中电旋转方法是精确提取细胞膜和内部电学特性的唯一方法。在旋转电场作用下，细胞会发生极化并受到旋转电场产生的扭矩而发生旋转。通过测量细胞在溶液中的旋转谱对细胞电学参数进行评估，能够测量出细胞各种电学参数，如细胞单位膜电容，细胞质电导率等。但是目前的电旋转方法多采用平面电极，由于旋转的速度与电场大小有关，在平面电极中，不同的位置旋转的速度是有差异的，导致测量精度差，不能准确地表征细胞的电学参数。同时细胞会受到流体力和重力等作用导致在空间不稳定，由于介电泳力远离电极后衰减很快，故很难利用介电泳力对单细胞进行空间位置固定。

综上所述，相关技术的缺点具体为：(1)细胞旋转时空间位置的不稳定性：因细胞容易受到流体力和重力等外界作用力的影响，细胞旋转前和旋转过程中质心不稳容易发生平移。常用的细胞旋转方法都是基于平面电极，由于电旋转的速度与电场分布有关，在平面电极中，不同的位置旋转的速度是有差异的，从而影响测量的精度，不能准确的表征细胞的电学参数。(2)细胞机械性能测量方法的局限性：常用的单细胞机械性能测量手段只能对细胞进行局部的机械性能测量，无法真实反映出单细胞整体的机械特性。(3)单细胞表征单一性：多数技术只能对单细胞的某一个单项机械电学特性进行测量表征，无法进行多参数表征。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种单细胞多参数表征微流控器件，该器件可以有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。

该器件利用光纤拉伸器实现高效的捕获单细胞，为细胞电旋转提供稳定的质心位置；利用光纤拉伸器对单细胞进行机械性能的测试；利用竖直电极对单细胞进行旋转，并以旋转谱实现对单细胞的电学特性的表征。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种单细胞多参数表征微流控器件，包括：微流道，所述微流道通过可逆的方式进行键合；多个立体电极，所述多个立体电极嵌入在所述微流道中，用于细胞旋转；光纤拉伸器，所述光纤拉伸器包括第一个光纤和第二光纤，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的所述第一个光纤和所述第二光纤，使得在所述细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。

本发明实施例的单细胞多参数表征微流控器件，通过光纤拉伸器捕获和拉伸单细胞，不仅能够为单细胞电旋转提供稳定的空间位置，而且能够通过对细胞的拉伸形变测量单细胞的机械特性，从而在维持细胞空间位置稳定的情况下，有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。提供了一种结合光纤拉伸技术和介电泳技术，能够对单细胞进行多参数表征的微流控器件，具有双光纤捕获拉伸单细胞和细胞电旋转两个操作功能，这两个操作进一步允许对单细胞机械性能、电学参数同时进行测量。该器件利用光纤拉伸原理高效快速的捕获和拉伸单细胞，并且利用三维电极精确实现单细胞的稳定旋转，通过分析单细胞的形变特征与旋转谱线能够实现对单细胞的机械和电学特性表征。基于该器件对单细胞在操作和分析上的多功能性，能够在单细胞研究领域发挥重要作用。

另外，根据本发明上述实施例的单细胞多参数表征微流控器件还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：悬浮液的进口和出口，以通过所述悬浮液的进口导入细胞悬浮液，且通过所述悬浮液的出口导出多余悬浮液。

可选地，在本发明的一个实施例中，还包括：用于支撑的基底。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述多个立体电极为第一至第四竖直电极，其中，所述第一至第四竖直电极通过与图案化的导电的所述基底键合进行引出。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光纤的方向垂直于流道方向。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构俯视图；

图3为根据本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构剖面图；

图4为根据本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的示意图；

图5为根据本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的使用流程框图；

图6为根据本发明一个实施例的光纤拉伸器设计原理的单条光线在细胞上的传播情况图；

图7为根据本发明一个实施例的光纤拉伸器设计原理的光梯度力的不同情况分析图；

图8为根据本发明一个实施例的一个单细胞被捕获和拉伸的实例图；

图9为根据本发明一个实施例的一个细胞的阶跃应力拉伸响应曲线示意图；

图10为根据本发明一个实施例的电旋转原理图；

图11为根据本发明一个实施例的海拉细胞在电场下做顺时针旋转运动轨迹示意图；

图12为根据本发明一个实施例的细胞单壳模型和等效的均一球体模型图；

图13为根据本发明一个实施例的海拉细胞和淋巴细胞的旋转谱示意图。

附图标记说明：

10-单细胞多参数表征微流控器件、100-微流道、101-细胞悬浮液的进口、102-细胞悬浮液的出口、103-主流道、200-多个立体电极、201-204-第一至第四竖直电极、300-光纤拉伸器、301-第一个光纤、302-第二个光纤、400-基底。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的单细胞多参数表征微流控器件。

图1是本发明一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构示意图。

如图1所示，该单细胞多参数表征微流控器件10包括：微流道100、多个立体电极200和光纤拉伸器300。

其中，微流道100用于微流道通过可逆的方式进行键合。多个立体电极200用于多个立体电极嵌入在微流道中，用于细胞旋转。光纤拉伸器300光纤拉伸器包括第一个光纤301和第二光纤302，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的第一个光纤和第二光纤，使得在细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。本发明实施例的装置10可以通过光纤拉伸器捕获和拉伸单细胞，从而在维持细胞空间位置稳定的情况下，有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。

可以理解的是，本发明实施例利用光纤拉伸器实现高效的捕获单细胞，为细胞电旋转提供稳定的质心位置，利用光纤拉伸器对单细胞进行机械性能的测试，利用竖直电极对单细胞进行旋转，并以旋转谱实现对单细胞的电学特性的表征，从而可以结合光纤拉伸能够高效快速捕获并拉伸单细胞的优势，并利用立体电极介电泳技术原理，实现对单细胞的机械特性和电学特性的同时测量。

具体而言，如图1所示，电旋转部分由嵌入在微流道100中的多个立体电极200组成。光纤拉伸器300部分由垂直于流道的双光纤组成，其中，第一个光纤301和第二光纤302可以为单模光纤，并且光纤的型号可根据激光类型进行选择，两个光纤在三维空间需要严格对准，保证两个光纤发出的光能够准直，保证单细胞捕获和拉伸的效果。本发明实施例的整个流道通过可逆的方式进行键合，器件捕获测试完一批细胞后可以拆开，作必要的洗脱、消毒等处理之后与新的基底重新键合用于捕获测试下一批细胞。另外，本发明实施例器件10的俯视图如图2所示，剖面图如图3所示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例器件10还包括：悬浮液的进口101和出口102。

其中，悬浮液的进口101和出口102以通过悬浮液的进口导入细胞悬浮液，且通过悬浮液的出口导出多余悬浮液。

可以理解的是，如图1所示，微流道100包括细胞悬浮液入口101和细胞悬浮液出口102，并且，还包括主流道103。流道的高度和宽度尺寸根据细胞尺寸进行匹配设计，细胞悬浮液从入口导入，多余的细胞悬浮液从出口流出。需要说明的是，细胞悬浮液的驱动方式可以采用微动台驱动注射器来推动悬浮液流动，也可以采用重力调节的方式进行推动，在此不做具体限定。

举例而言，如图4所示，微流道100通过光刻工艺制作出模具，利用聚合物聚二甲基硅氧烷pdms倒模形成。细胞悬浮液进口101、出口102可通过塑料软管与微流泵相连，通过微流泵控制细胞悬浮液在微流道100中的流动。需要说明的是，为微流道的可以用光刻技术加工，也可以使用毛细管等方式实现，在此不做具体限定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多个立体电极200为第一至第四竖直电极，其中，第一至第四竖直电极通过与图案化的导电的基底键合进行引出。

可以理解的是，电旋转部分由嵌入在微流道中的4个竖直电极组成。如图1所示，第一至第四竖直电极201-204嵌入在微流道100中，电极为嵌入在流道中，不影响微流道形状。电极的材质可以为金属电极，导电聚合物等导电材料，电极的高度和尺寸可根据细胞尺寸进行匹配设计。竖直电极可通过与图案化的导电基底键合进行引出。

具体而言，在本发明的一个实施例中，竖直电极为pdms和导电碳粉的混合物，同样通过光刻工艺并倒模形成。竖直电极通过与图形化后的导电玻璃相键合后引出连接至信号发生器上。需要说明的是，竖直电极的制作可以采用电镀、光刻工艺等方法来实现，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光纤的方向垂直于流道方向。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例器件10还包括：基底400。其中，基底400用于支撑。

需要说明的是，为了便于观察，基底可选用透明材质，如玻璃，有机玻璃等。

综上，器件中光纤为单模光纤，激光器发出的光首先通过光隔离器，再通过50/50的光耦合器一分为二后连接至双光纤上。控制发出光的功率实现对单细胞的捕获和拉伸，通过微流泵进行细胞悬浮液的流速控制。电极通过导线接至信号发生器上，通过对电极施加不同的电信号配置实现细胞转速和方向的控制。

下面将对单细胞多参数表征微流控器件的使用过程进行详细说明。如图5所示，具体包括：

(1)细胞进给：通过微流泵推动注射器，细胞悬浮液从微流道的进口进入，流经捕获测试区域。

(2)细胞捕获：待细胞接近捕获区域时，停止注射器推动，由于激光照射在细胞上产生的梯度力，会将细胞拉到光强最大的中心位置，当梯度力大于流体力时，细胞会被固定在两个光纤中间位置，完成捕获操作。

(3)细胞拉伸：待细胞捕获后，细胞的拉伸形变与激光功率大小有关。通过调节光强大小改变作用在细胞上的散射力，散射力使细胞发生轴向拉伸。细胞的拉伸变形通过显微成像系统分析获得，根据受力模型计算单细胞的弹性模量。

(4)细胞旋转：待细胞捕获后，通过在电极上施加同频率不同相位差的电信号，能够使细胞产生旋转运动。旋转的方向和电极的相位差的顺序有关，旋转的速度与电信号的频率和幅值有关系，旋转速度通过显微图像进行分析，可形成旋转速度与外加电信号的关系(即旋转谱)，通过旋转模型计算单细胞的电学性质。

(5)细胞回收：完成细胞拉伸和旋转操作后，打开微流泵推动细胞悬浮液进行下一个细胞的捕获和拉伸旋转操作，并可从微流道出口对测试后的细胞进行回收。

进一步地，将对单细胞多参数表征微流控器件的设计与工作原理进行详细说明。

(1)光纤拉伸器设计原理：

光纤拉伸器的设计是基于光照射在细胞上会引起光动量变化，从而在细胞轴向和法向上能够产生散射力和梯度力，由于两个光纤相对布置，在轴向上和法向上能够实现作用力平衡形成光阱，可以实现进行单细胞捕获。同时通过改变光功率大小可以实现对单细胞的拉伸变形。

光对细胞的作用力不仅有光辐射力导致的推力(散射力)，而且对细胞有拉力作用(梯度力)。散射力是由于光子对细胞的撞击而产生，沿光束的传播方向；而梯度力是由于光场强度的不均匀造成的，沿光传播的垂直方向，指向光强最大处。施加在粒子上的散射力和梯度力的大小取决于激光的波长和细胞大小。不同大小的粒子在光场中所受梯度力与散射力的计算模型不一样。细胞大小相对于激光波长符合mie散射模型。

在mie散射模型中，细胞的尺寸大于辐射光的波长，力的大小和方向都依赖于细胞的形状。当光线照射到细胞上，动量的任何改变都会导致细胞同等大小、方向相反的动量改变。对于入射光束，可以将其分解为多条细光束，图6为其中一条功率为p1的光束入射到细胞的传播情况。

光束照射到细胞上会发生反射和折射，设其反射和折射系数为r和t，

t＝1-r(2)

其中α1为入射角，α2为折射角。

根据mie模型分析可得，细胞所受散射力fscat和梯度力fgrad为：

其中n0为周围介质的折射率，p1为入射光束的光功率，c为真空中的光速，n1为细胞的折射率。

图7为整体作用力在细胞上的分布，当细胞流经双光纤时，由于光照射在细胞上产生的梯度力会将细胞拉向光强分布最大的位置(即光纤的中心位置)。当细胞偏离中心位置，在竖直方向上会受力不均匀，将细胞拉回到中心位置，如图7(a)所示。而在细胞上产生的轴向力会将细胞推离光纤，因为两个光纤相对分布，会在两个光纤之间形成一个力作用平衡点。在散射力和梯度力的共同作用下单细胞能够被捕获在光阱中，如图7(b)所示。因为轴向力的大小与光功率有关，通过调节光功率可以实现对单细胞的拉伸。对于可以被拉伸的物体，例如细胞等微粒具有较高的弹性，当增大光功率时，作用在细胞上的力也会增大，微粒将沿光束的传播方向被拉伸，如图7(c)所示。对捕获住的细胞进行拉伸测试，通过分析细胞的拉伸形变情况可以提取细胞机械特性，如弹性模量等。

图8为一个单细胞被捕获和拉伸的实例。通过对单细胞进行阶跃应力测试，细胞沿着光轴线的相对径向拉伸形变响应为γ(t)＝δr/r，δr为细胞沿光轴形变量，r为细胞初始直径。

图9为一个细胞的阶跃应力拉伸响应曲线。通常细胞的延伸性与细胞的粘弹性有关。作为应力施加时间的函数，粘弹性行为通常可以通过下面的公式拟合：

这里a1，a2和b1是拟合曲线的参数。σ0是沿光束施加在细胞上的最大应力，它可以由公式(6)计算出：

其中c是光在真空中的速度，nmed是介质的折射率(通常nmed≥1.335)，ncell是细胞的折射率。r是在介质和正常入射的单元之间的界面处的光的反射量，由公式(7)计算：

最后，i0是单元位置处激光轴上的激光强度，可以用总功率p和细胞ω位置处激光束的半径来计算：

当细胞松弛回到平衡延伸时，关闭应激之后的行为可以由公式(9)拟合：

使用这种函数依赖性，可以确定拟合参数a1，a2和b1。

典型流变学参数如剪切模量g，稳态粘度η或松弛时间τ可以通过下式计算：

τ＝b1(12)

其中，μ是泊松比，一般细胞的泊松比μ≈0.45-0.50。

(2)基于电旋转模型测量单细胞电学性质

单细胞旋转结构的设计是基于介电泳技术和微流控技术，介电泳的实质就是粒子由于在非均匀电场中被极化后，形成电偶极子，从而受到外界非均匀电场产生的力或者扭矩，迫使介电粒子产生定向移动或者旋转运动。如果分别在四个电极上施加不同相位差的正弦信号，则会在腔室中产生旋转的电场，在细胞上会产生一定的扭矩，从而发生旋转运动，如图10(a)所示。

γrot＝-4πr³εmim[kcm]e²(13)

kcm是克劳休斯-莫索提系数，εm是溶液的介电常数，σm是溶液的电导率。图10(b)为一个周期内不同时刻四个电极所围成的电极腔室中的电场变化情况(俯视图)，电场会发生顺时针的旋转变化。

为了克服平面电极的在竖直方向上的电场分布不均匀问题，器件设计使用的是竖直立体电极，因此细胞不会因为处于流道中的不同高度而转速不同。在立体电极作用下测量的细胞旋转谱会更加准确。

图11显示的一个器件实例中一个单细胞在电场作用下做顺时针旋转运动。细胞旋转的转速和方向与细胞电学性质、溶液的电学特性以及电信号配置有关。其中细胞主要由细胞膜及细胞质构成，其电学性质也是个较复杂的模型，假设细胞质内部结构均匀，可以将细胞等效为单壳模型，如图12所示。

等效后的细胞复介电常数为：

其中，r和d分别为细胞和细胞膜的半径；和分别为细胞质和细胞膜的复介电常数，εcyto和σcyto分别为细胞质的介电常数和电导率，εmem和σmem分别为细胞膜的介电常数和电导率，ω为电信号的角频率。

当细胞膜的厚度远小于细胞半径时，其复介电常数可等效为

其中，cmem为细胞膜的单位膜电容，gmem为单位膜电导率。

当细胞在溶液中做旋转运动的时会受到斯托克扭矩：

tf＝8πηωr³(18)

其中ω为旋转的角速度，r为细胞的半径，η为溶液的粘度。

当旋转扭矩和斯托克扭矩平衡时，即：

|γrot|＝|γf|(19)

细胞会匀速的旋转，对应的角速度可以表达为：

不同种类的细胞在同一种溶液中具有不同的旋转谱，根据电旋转实验中所测得的电旋转谱，使用参数优化方法，使得残差最小，即：

min∑i[ωexp(ωi)-ωtheory(ωi)]²(21)

采用该方法可以计算得到细胞膜(cmem，gmem)以及细胞质(εcyto，σcyto)的介电参数。

如图13所示为海拉细胞和血细胞的旋转谱。

综上，本发明实施例结合光纤拉伸技术和介电泳技术，能够对单细胞进行多参数表征的微流控器件和系统，具有双光纤捕获拉伸单细胞和细胞电旋转两个操作功能，这两个操作进一步允许对单细胞机械性能、电学参数同时进行测量，并利用光纤拉伸原理高效快速的捕获和拉伸单细胞，并且利用三维电极精确实现单细胞的稳定旋转，通过分析单细胞的形变特征与旋转谱线能够实现对单细胞的机械和电学特性表征。本发明实施例对单细胞在操作和分析上的多功能性，能够在单细胞研究领域发挥重要作用。

根据本发明实施例提出单细胞多参数表征微流控器件，利用光纤拉伸技术有效地解决了单细胞样品空间位置稳定的问题，从而提高电旋转操作的稳定性和准确性，并利用竖直电极进行电旋转操作，有效提高旋转的稳定性和电学参数测量的准确性，且双光纤与流道垂直、嵌入竖直电极的结构，从而实现在微流控器件同一层中的单细胞捕获、拉伸、旋转。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，

例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。