一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法
【技术领域】
[0001] 本发明以平行电场式光电芯片为操控平台，依靠投射微米尺度三角阵列光斑和施 载激励电压信号，最终产生光诱导介电泳力实现差异性生物细胞分离，属于生物医学研宄 领域。
【背景技术】
[0002] 细胞分离技术由来已久，至今仍被大量国内外学者广泛研宄。从动物、或人体组织 中提取定量的血液样品用于病理学、临床诊断、克隆和生物细胞探索都是当前实验研宄必 不可缺的组成部分。然而，细胞的多样性直接反映它们在生命代谢中所发挥的功能不同， 比如红细胞与白细胞在正常生命活动中就具有显著的差异。传统方法可以培育待测细胞， 或者抽取大量血液用于科学实验。但是培养细胞的周期较长，另外特定细胞的购置也存在 诸多困难。因此飞速发展的细胞分离技术，就是从微量溶液中提取更为关注的细胞用于以 上所述生命研宄。当前的细胞分离方法种类繁多，如：专利CN103305462B提出⑶34+和 ⑶91+淋巴细胞的分离，专利CN103571742B提出一种用于细胞筛选的密封腔分离器，专利 CN103070718B中的皮肤组织细胞分离机。但是，本发明提出的细胞分离方法却与以上方法 存有较大区别，该方法运用当前热门的光诱导介电泳技术，依托新颖的平行电场式光电芯 片实现差异性细胞分离与提纯。
[0003] 光诱导介电泳技术的核心是由微米尺度光斑照射到光敏薄膜，而引发光电芯片 内部非均匀电场的产生。当芯片内具有非均匀电场后，将迫使电中性悬浮细胞受电场 极化而发生定向移动，该电极化力即为介电泳力。在光电芯片中，光诱导介电泳力控制 细胞分离的实验效果显著（Lin, W.-Y.，Lin, Y.-H.，and Lee, G.-B.: 'Separation of micr〇-particles utilizing spatial difference of optically induced dielectrophoretic forces' Microfluidics and Nanofluidics, 2010，8，（2)，pp. 217-229)。本发明平行电场式光电芯片的结构与Lin, et al.不同，发明的平行电场式光 电芯片能够和微流体设备结合用于细胞分离与提纯。本发明对当前微流控芯片模拟药物在 人体中的代谢过程，癌细胞扩散分析提供新方法。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题 为了实现平行电场式光电芯片的细胞分离，首先需要解决平行电场式光电芯片的制 造。平行电场式光电芯片与传统光电芯片在结构上具有较大区别。在激励电压的链接方 法上，传统光电芯片是链接上、下层氧化铟锡玻璃。因此传统光电芯片提供的电场方向一 般为垂直电场。但平行电场式光电芯片不需要借助上层氧化铟锡玻璃，仅采用下层基底氧 化铟锡玻璃，以至电场方向与基底表面平行。在平行电场式光电芯片内，借助反应离子刻 蚀一条微米尺寸沟道，用以实现分离细胞的流入、流出。另外细胞的分离主要借助光诱导 介电泳力。在固定频率下，差异细胞受光诱导介电泳力的方向不同，这主要取决于细胞的 Clausius-Mossotti因子。值得一提，该因子的取值与外接激励电压的频率有关。分析差异 细胞各自的Clausius-Mossotti实部频谱关系，能有助于平行电场式光电芯片在细胞分离 中处于正常工作状态。
[0005] (二）技术方案 本发明提出一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法。首先需要解决平行电场 式光电芯片的制作和加工。选择镀有氧化铟锡的玻璃作为该光电芯片的基底，接着采用等 离子体增强化学气相沉淀法镀上1 μm厚度的氢化非晶硅材质。氢化非晶硅具有良好的光 敏特性，在非光照条件下，氢化非晶硅作为绝缘体占有较多电势差，使之芯片溶液中的电场 相当微弱。但在光照下，光生载流子使氢化非晶硅受光照区域上的局部电导率增加，从而变 成良好的导体。
[0006] 上述方案中，所述镀有氢化非晶硅的氧化铟锡玻璃表面，依靠反应离子和化学湿 法刻蚀出一条10 ym深，30 μL?宽的微沟槽。一方面，沟槽将氢化非晶娃分割成两子块薄 膜，作为虚拟电极的载体。另一方面微沟槽两端可连接微流管道作为细胞进出待分离的通 道。
[0007] 上述方案中，所述的平行电场式光电芯片左、右连接信号发生器，并且左、右空隙 的微沟槽通以流动生物细胞。当可编程光源产生的三角阵列照射到左、右氢化非晶硅薄膜， 调节信号发生器频率，能产生光诱导介电泳力。其中，光诱导正介电泳力束缚细胞，迫使其 运动到电场能量相对较高的位置，即微沟槽边缘。另外的差异细胞则受光诱导负介电泳力， 使之保持定向运动。至此，该方法可以实现细胞的分离。
[0008] (三）有益效果 本发明的优点在于方法新颖，能简单高效的获取血液样本的特定细胞。由于光诱导介 电泳力是一种柔和的作用力，对细胞的束缚不会造成破坏。因此，平行电场式光电芯片能较 好集成在微流体装置中。借助其易操作、体积小和分离速度快的优点，它必将胜任于生物医 学研宄领域。
【附图说明】
[0009] 图1平行电场式光电芯片结构：（a)平行电场式光电芯片的工作原理；(b)平行 电场式光电芯片的截面示意图。其中1为刻蚀后的氧化铟锡玻璃，2为氢化非晶硅薄膜，3 为绝缘胶或双面胶，4为激励电信号，5光学投影仪，6数字微全镜，7细胞，8微沟槽，9投影 的三角阵列光斑形状。
[0010] 图2细胞分离相关理论分析：(a)红细胞和B细胞Clausius-Mossotti因子实部 随频率的变化曲线图；(b)基于有限元软件COMSOL仿真的微沟槽内部电场能量分布图，白 色箭头表征电场线指向。
[0011] 图3基于分子动力学方法模拟的细胞运动轨迹：（a)红细胞与B细胞初始位置； (b)B细胞受到光诱导正介电泳力的运动轨迹图；（c)红细胞受光诱导负介电泳力的运动轨 迹图。
【具体实施方式】
[0012] 本发明的细胞分离方法主要依靠平行电场式光电芯片提供的光诱导介电泳力。平 行电场式光电芯片的结构如图1所示。平行电场式光电芯片基底1表面镀有氢化非晶硅薄 膜2,因此具有较好的光电特性。微沟槽8采用反应离子和化学湿法刻蚀，深度保持在10