μ m，并且沟槽宽为30 μ m。光源5通过计算机编程可投射出三角阵列光斑，该光斑通过光 源缩微装置6,能缩小成微米尺度的三角形光学阵列9。在左、右氢化非晶硅两端加载激励 电源4,即可在平行电场式光电芯片中产生固定大小的非均匀电场。需要指出绝缘胶或双面 胶3的使用，主要为了封装顶层玻璃防止芯片溶液大量挥发和细胞受到悬浮物污染。传统 光电芯片必须具备顶层玻璃，但平行电场式光电芯片在使用上与其存在较大差异。
[0013] 所述平行电场式光电芯片连接微流装置后，细胞7在微沟槽8中受流体拖力运动。 当运动到三角阵列光斑位置，细胞将受到光诱导介电泳力作用而改变运动轨迹。光诱导介 电泳力的表达式为 /Wf2 f [0/( ω) ] ▽ I Arms 12， 式中：r为细胞半径， ^为溶液介电常数， 戌κ为电场强度的均方根值， 代表与激励电信号频率ω有关的函数，即Clausius-Mossotti (⑶因子。
[0014] 当娜0时，细胞承受光诱导正介电泳力，该力驱使细胞运动到电场 强度较大位置。反之，细胞承受光诱导负介电泳力，运动至平行电场式光电 芯片电场能量较弱的区域。因此根据差异细胞在相同激励频率电信号下，其 所受的光诱导介电泳力不同，从而实现细胞的分离。细胞的〇子表达式为
式中4和<分别为细胞和溶液的复介电常数，
[0015] 然而，细胞是一种多层介质壳包裹组成的球体，一般分为细胞膜、细胞质、细胞 核。因此细胞复介电常数的求解与聚苯乙烯均质颗粒不同。细胞复介电常数解析式为
式中：c++_.为细胞膜的复电容值，r_ 是细胞膜的电容率，TPm则是细 胞膜的电阻率，<?是细胞质的复介电常数，与细胞质的介电常数有关。
[0016] 以红细胞和B细胞为例，它们的CM因子实部曲线如图2(a)所示。红细胞的CM实 部曲线相比B细胞延后。在53 kHz ~ 93 kHz频率之间，红细胞受到光诱导负介电泳力，B 细胞则受光诱导正介电泳力。相关曲线涉及红细胞，B细胞的电物理量如下表所示，涉及的 ε C1是真空真空介电常数"
[0017] 平行电场式光电芯片的微观力主要有光诱导电渗透流力，浮力，重力，布朗运动力 等。电渗透流力在频率大于I kHz后将会衰减严重。细胞与培养溶液的密度也差别不大， 布朗运动力对微米粒子的影响较小，所以上述力暂且忽略不计。在此考虑细胞所受的流体 拖力，其表达式为/ig=6 π // π， 式中：《为溶液流速， ^为细胞运动速度， 々为溶液的粘滞系数。
[0018] 根据COMSOL有限元软件模拟电场分布，如图2(b)所示。三角阵列光斑的顶角为 40°，三角光斑高为15 μL?，光斑间距为9 μπι。图2(b)指出I4J2能量主要集中在三角 形顶角位置。之后根据分子动力学仿真分析B细胞和红细胞在18 V偏置电压、70 kHz频率 的运动轨迹，并且微沟槽的溶液流速为168 μπι/s，仿真结果如图3所示。图3 (b)虚线指 出B细胞受光诱导正介电泳力束缚于三角阵列顶角位置，而图3(c)则反映红细胞受光诱导 负介电泳力运动仍旧保持原始的直线运动。分析结果指出，靠近微沟槽边缘的红细胞受光 诱导负介电泳力排斥有向微沟槽中心移动的趋势。也通过以红细胞和B细胞为例的仿真分 析，证实平行电场式光电芯片分离细胞方法的可行性。
【主权项】
1. 一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法，其特征在于：实现细胞分离的过 程中包含平行电场式光电芯片、信号发生器、微流装置、数字微全镜和光学投影仪；在所述 的平行电场式光电芯片的左、右两端氢化非晶硅薄膜处分别引出电极，这两个电极与信号 发生器正负输出端子相连；光学投影仪放置在平行电场式光电芯片的正上方，数字微全镜 置于光学投影仪与平行电场式光电芯片之间；由光学投影仪经数字微全镜投射的两束三角 阵列光斑自顶向下垂直照射在平行电场式光电芯片的左、右氢化非晶硅表面上，并保证两 束三角阵列光斑与平行电场式光电芯片的微沟槽边缘相切；平行电场式光电芯片的微沟槽 进出口分别与微流装置进出口相连。2. 如权利要求1所述的一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法，其特征在 于：平行电场式光电芯片采用等离子体增强化学气相沉淀法镀上氢化非晶硅薄膜；镀有氢 化非晶硅薄膜的衬底基片又采用反应离子和化学湿法刻蚀出10 Um深，30 ym宽的微沟 槽；在微沟槽左、右两端通过电极施加交流18 V偏置电压。3. 如权利要求1所述，一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法，其特征在于： 光学投影仪产生的三角阵列光斑被数字微全镜缩小成顶角为40°，高为15 ym，间距为9 ym的三角形阵列光斑。4. 如权利要求1所所述，一种采用平行电场式光电芯片的细胞分离新方法，其特征在 于：在平行电场式光电芯片的微沟槽中流动的微流速度范围在150~200 ym/s之间；细胞 经微流输送到微沟槽处会受到由三角阵列光斑产生的光诱导介电泳力作用；由于不同细胞 在固定频率下的Clausius-Mossotti因子不同，它们受到的光诱导介电泳力就不同；因此， 受到光诱导正介电泳力的细胞被束缚在微沟槽边壁；相反，受到光诱导负介电泳力的细胞 保持正常的直线运动，从而实现细胞的分离筛选。
【专利摘要】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。平行电场式光电芯片在垂直光斑照射时，通过连接左、右偏置电压源产生光诱导介电泳力。三角光斑阵列形成的光诱导介电泳力可分为正、负介电泳力，此两种力对细胞的作用方向不同。光诱导正、负介电泳力主要取决于细胞的介电常数和外接电信号的频率。因此，本发明借助平行电场式光电芯片的沟道作为待分离细胞的出、入端口。通过调节诱导光斑大小和激励频率数值，根据差异细胞所受的光诱导介电泳力不同而实现细胞的分离。本发明平行电场式光电芯片的细胞分离新方法对生物细胞样品的纯度提取都具有潜在的实用价值和意义。
【IPC分类】C12N13/00, C12N5/00
【公开号】CN104974997
【申请号】CN201510280996
【发明人】赵勇, 胡晟
【申请人】东北大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年5月28日