基于pdms芯片的片上细胞检测系统及方法
【专利摘要】一种基于PDMS芯片的片上细胞检测系统及方法，包括：片上细胞辨别及分选装置以及与之相连的注射泵、气泵、可调谐激光器和功率探测器，片上细胞辨别及分选装置的出样口和进样口分别与注射泵相连，微通道气阀端口与气泵相连，片上细胞辨别及分选装置的光纤Bragg光栅FP谐振腔的输入端和输出端分别与可调谐激光器和功率探测器相连，通过气泵控制片上细胞辨别及分选装置的PDMS薄膜夹层形变并实现闭合/打开。本发明采用的光检测方法不仅对细胞样品没有损伤，而且可以避免对细胞样本进行染色或荧光标记等预处理。
【专利说明】
基于PDMS芯片的片上细胞检测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种生物医学领域的检测技术，具体是一种基于PDMS芯片的片上 细胞检测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 流式细胞术(Flow Cytometry)是一种对单细胞或其他生物微粒子进行快速测定 并分选收集和定量分析的检测手段。流式细胞仪作为该种检测技术平台，是一种现代化生 物医学仪器。其检测参数可以是光散射或者荧光指标;但这之前需要制备荧光素标记抗体 并对细胞进行染色，整个系统复杂而且仪器造价昂贵。
[0003] 光流控是光学和微流控技术的结晶，因此微流体器件也被称为光学芯片或芯片实 验室(Lab on a chip)。其微分析系统使用的样品试剂量极少、分辨率和灵敏度高、成本低、 分析时间短，可广泛用于化学、生物、医学的检测分析以及光学和信息处理，而且液体环境 对这些领域所关心的检测对象来说非常适宜。微流体芯片技术有望将这种细胞分选技术集 成于一块芯片上，从而使系统微型化。微流控芯片所采用的TOMS材料，具有透明、易于加工 和良好生物兼容性等优点。因此基于PDMS的微流控芯片具有非常好的应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于PDMS芯片的片上细胞辨别及 分选系统及方法，利用光学进行细胞(或微颗粒)的探测并可实现两种混合细胞(或微颗粒） 溶液的分离。通过基于光纤布拉格(Bragg)光栅法布里-珀罗谐振腔(FP腔)实现细胞辨别， FP腔的谐振作用可以极大地提高针对透明细胞的辨别能力，可以免去对细胞进行染色等预 处理。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明涉及一种基于PDMS芯片的片上细胞辨别及分选装置，该装置为三层结构， 由上而下依次包括:具有液体微通道的芯片层、PDMS薄膜夹层和具有气体微通道的基底层， 其中：芯片层上设有火字形结构的液体微通道以及位于微通道中心的光纤Bragg光栅FP谐 振腔，PDMS薄膜夹层和基底层之间设有连通的微通道气阀，当对微通道气阀栗入空气时， PDMS薄膜夹层产生形变并闭合/打开芯片层的液体微通道。
[0007] 所述的火字形结构的液体微通道包括:三个进样口以及两个出样口，其中：用于输 入待分选的细胞液的第一进样口位于用于输入鞘液的第二和第三进样口之间，第一进样 口、第一出样口、第二进样口、第二出样口、第三进样口之间均为连通。
[0008] 所述的微通道宽度为60μηι，深度为128μηι。所述的微通道长度为15mm，这个长度是 为了更好地将细胞液聚焦同时保持稳定的层流。
[0009] 所述的微通道气阀优选为两个且分别用于进气和出气，该微通道气阀设置于三入 两出的微通道的出样口。
[0010] 所述的光纤Bragg光栅FP谐振腔的光纤输入端和输出端分别设置于芯片层内，具 体通过两端与第一进样口相垂直的光纤槽实现，从而使得光纤的端面与微通道面平齐。
[0011] 所述的光纤的纤芯直径为9 μL?、外径为12 5 μL?的单模光纤，光纤的数值孔径为0.14; 所述的Bragg光栅波长为1550nm，带宽为0.2nm〇
[0012] 所述的基底层和芯片层采用但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，具体通过光刻 的方法制备出带有微通道凸结构的阳模，将PDMS中的预聚物和固化剂以质量比为10:1配比 搅拌混合，浇注于阳模模板上;然后将其置于真空栗中抽走PDMS中的空气泡，再在60摄氏度 烘箱两个小时固化后，将固化后的聚合物从模板上剥离，便制得带有微通道结构的聚合物。
[0013] 所述的PDMS薄膜夹层的厚度为30微米，通过在厚度为30微米的液晶盒中灌注液态 PDMS，将其放入烘箱2小时，固化后得到。
[0014] 本发明涉及一种包含上述片上细胞辨别及分选装置的检测系统，包括：片上细胞 辨别及分选装置以及与之相连的注射栗、气栗、可调谐激光器和功率探测器，其中：片上细 胞辨别及分选装置的出样口和进样口分别与注射栗相连，微通道气阀端口与气栗相连，片 上细胞辨别及分选装置的光纤Bragg光栅FP谐振腔的输入端和输出端分别与可调谐激光器 和功率探测器相连，通过气栗控制片上细胞辨别及分选装置的PDMS薄膜夹层形变并实现闭 合/打开。
[0015] 所述的可调谐激光器输出的光源为1528 -157 3nm波段。
[0016]本发明涉及上述系统的检测方法，通过将检测光的波长调节至FP腔谐振波长，当 待测微粒通过FP腔时引起谐振峰漂移，使得FP腔的透过率曲线发生漂移，进而通过功率探 测器测得变化程度从而分辨通过FP腔检测区的微粒种类，气栗的作用在于分选细胞。 技术效果
[0017] 与现有技术相比，本发明对使用的流体类型没有限制而且制备工艺简单，调谐方 便。所采用的光检测方法不仅对细胞样品没有损伤，而且可以避免对细胞样本进行染色或 荧光标记等预处理。芯片的微通有三个注样口和两个出样口，在直通道的中间部分有一个 Bragg光纤光栅组成的FP腔，末端的两个出样通道各有微气阀开关，利用鞘液的包裹挤压作 用，使得待分选的细胞液聚焦经过检测部，同时并保证细胞(或微颗粒)是一个一个地排列 开。由FP腔的透过率变化分辨通过的细胞(或微颗粒)种类，并控制出样通道微气阀开关实 现分拣收集的功能。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明所用微流体芯片细胞辨别及分选部分示意图；
[0019] 图中：1 -1第一进样口、1 -2第二进样口、1 -3第三进样口、1 -4入射端光纤、1 -5出射 端光纤、1 - 6光纤Bragg光栅FP谐振腔、1 - 7微气阀、1 - 8微气阀、1 - 9第一出样口、1 -10第一出 样口。
[0020] 图2为本发明所用微流体芯片细胞分选部分微气阀实现原理图；
[0021 ]图中：2-1芯片层，其中的微通道为液体微通道;2-2PDMS薄膜夹层;2-3基底层，其 中的微通道为气体微通道。
[0022]图3为本发明整体装置示意图；
[0023]图中：3_1注射栗、3-2Peek管、3-3-分二转接头、3-4片上细胞辨别及分选装置、3-5可调谐激光器、3 - 6和3 - 7末端带Bragg光栅的光纤、3 - 8功率探测器、3 - 9注射栗、3 -10和3 - 11样品收集器、3 -12控制计算机。
[0024]图4a为不同细胞经过FP腔时其透射谱漂移变化示意图；
[0025]图4b为不同细胞依次经过FP腔时透射强度的变化示意图；
[0026] 图中：不同细胞种类对应的变化量不同。
【具体实施方式】 实施例1
[0027] 如图1和图2所示，本实施例涉及的基于PDMS芯片的片上细胞辨别及分选装置中， 第一进样口 1 -1为待分选的细胞液，第二和第三进样口 1 - 2和1 - 3为鞘液通道。截面为矩形结 构的第一进样口 1 -1位于第二进样口 1 - 2和第三进样口 1 - 3之间且其矩形结构的边长从第二 进样口和第三进样口的合并端至第一出样口 1 -9和第一出样口 1 -10的合并端逐渐减小。
[0028] 试样装在注射器内并由注册栗注入PDMS芯片，并控制注射速度。鞘液对样品流形 成包裹挤压作用，使得待分选的细胞液聚焦经过检测区，同时并保证细胞(或微颗粒)是一 个一个地依次通过FP腔。
[0029] 检测区的FP腔一端的光纤1-4与可调谐激光器相连，其波长范围为1528nm-1573nm;FP腔另一端的光纤1-5与功率探测器相连。FP腔的间距与微通道的宽度一致，为60μ m。激光由光纤1-4导入并在FP腔内谐振，当有细胞(或微颗粒)经过FP腔时，光场受到微扰， 谐振条件发生改变，透过光纤1-5的强度也发生相应变化。
[0030] FP腔内的共振波长满足
其中：n为细胞周围液体的 折射率，1FP为谐振腔的腔长，η。和1。为细胞的有效折射率和有效尺寸，m为正整数，可变量ξ =〇代表腔内无细胞通过的情况，ξ = 1代表腔内有细胞通过的情况。从上述表达式可以看 出，FP腔透光率曲线变化与腔内有无细胞相关。
[0031] 主通道末端一分为二，分别由两个微气阀控制微通道的开启闭合。控制微气阀1 - 7 和1-8的注射器的方向相反，如图2中的3-9所示，并由同一个注射栗控制，这样一个气阀充 气的时候另一个气阀抽气，可以保证微通道1-9和1-10始终是一个开启的时候另一个闭合。 实施例2
[0032]如图3所示，本实施例涉及的包含上述基于PDMS芯片的片上细胞辨别及分选装置 的检测系统中，可调谐激光器3-5的波长为1550nm，与FP腔透射特征波长一致。光纤3-6和3-7-端的Bragg光栅相对形成一个FP腔，并在Bragg反射波长带宽内出现特征透射。功率探测 器3-8检测透过光功率的变化。所述芯片中的微通道为火字形，FP腔处在直通到中段偏。一 是为了使前端的细胞液和鞘液形成稳定层流，并使得细胞液中间层逐渐收窄；二是末端微 气阀开启闭合需要响应时间。实验分析中所用的细胞液和鞘液分别由液体注射栗3-1独立 来控制。装有液体的注射器置于注射栗的步进电机上，注入速度分别由两个注射栗来精确 调节。注射栗的速度分别为20和10yL/min。细胞液和鞘液通过PEEK管3 - 2栗入微流体芯片3 -4相应的进样口。两个微气阀的开关由另一独立的注射栗3-9控制，这两个微量注射器分别 相背，当液体通道需要闭合时它往芯片3-4栗入空气，速度为30yL/min。
[0033]如图4所示，为理论的干涉曲线。图4a为利用自发辐射放大器(ASE)所测得的光纤 Bragg光栅FP腔的透射谱。颗粒1和2分别处于FP腔内时，透射谱会发生明显变化，二者相差 明显，因此可以区分处于FP腔内颗粒的种类。本发明所制备的可以探测到折射率差的微小 变化，这在检测癌变细胞方面也有很大的用处。当用于测量细胞折射率时，只需将3-5更换 为ASE，3 - 8更换为光谱仪。分别记录细胞经过FP腔前和在FP腔内时其透过率曲线，由其漂移 量并利用公式（1)即可求出细胞的有效折射率和大小的乘积(η。1。），即光程。对于癌变细 胞，这个数值一般比正常细胞大。
[0034]上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同 的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所 限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
【主权项】
1. 一种基于PDMS芯片的片上细胞辨别及分选装置，其特征在于，该装置为三层结构，由 上而下依次包括:具有液体微通道的芯片层、PDMS薄膜夹层和具有气体微通道的基底层，其 中：芯片层上设有火字形结构的液体微通道以及位于微通道中心的光纤Bragg光栅FP谐振 腔，PDMS薄膜夹层和基底层之间设有连通的微通道气阀，当对微通道气阀栗入空气时，PDMS 薄膜夹层产生形变并闭合/打开芯片层的液体微通道。2. 根据权利要求1所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的火字形结构的液 体微通道包括:三个进样口以及两个出样口，其中：用于输入待分选的细胞液的第一进样口 位于用于输入鞘液的第二和第三进样口之间，第一出样口、第二进样口、第二出样口、第三 进样口之间均为连通。3. 根据权利要求2所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的第一进样口位于 第二进样口和第三进样口之间且截面为矩形结构，该矩形结构的边长从第二进样口和第三 进样口的合并端至第一出样口和第一出样口的合并端逐渐减小。4. 根据权利要求1所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的微通道宽度为60 Mi，深度为128μηι;所述的微通道长度为15mm。5. 根据权利要求1所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的微通道气阀为两 个且分别用于进气和出气，该微通道气阀设置于三入两出的微通道的出样口。6. 根据权利要求1所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的光纤Bragg光栅 FP谐振腔的光纤输入端和输出端分别设置于芯片层内，具体通过两端与第一进样口相垂直 的光纤槽实现，从而使得光纤的端面与微通道面平齐。7. 根据权利要求1所述的片上细胞辨别及分选装置，其特征是，所述的光纤的纤芯直径 为9μπι、外径为125μπι的单模光纤，光纤的数值孔径为0.14;所述的Bragg光栅波长为1550nm， 带宽为0.2nm。8. -种包含上述任一权利要求所述的片上细胞辨别及分选装置的检测系统，其特征在 于，包括:所述的片上细胞辨别及分选装置以及与之相连的注射栗、气栗、可调谐激光器和 功率探测器，其中：片上细胞辨别及分选装置的出样口和进样口分别与注射栗相连，微通道 气阀端口与气栗相连，片上细胞辨别及分选装置的光纤Bragg光栅FP谐振腔的输入端和输 出端分别与可调谐激光器和功率探测器相连，通过气栗控制片上细胞辨别及分选装置的 PDMS薄膜夹层形变并实现闭合/打开。9. 根据权利要求8所述的检测系统，其特征是，所述的可调谐激光器输出的光源为 1528-1573nm 波段。10. -种根据权利要求8或9所述系统的检测方法，其特征在于，通过将检测光的波长调 节至FP腔谐振波长，当待测微粒通过FP腔时引起谐振峰漂移，使得FP腔的透过率曲线发生 漂移，进而通过功率探测器测得变化程度从而分辨通过FP腔检测区的微粒种类。
【文档编号】C12M1/00GK106085838SQ201610623279
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月1日 公开号201610623279.8, CN 106085838 A, CN 106085838A, CN 201610623279, CN-A-106085838, CN106085838 A, CN106085838A, CN201610623279, CN201610623279.8
【发明人】邹芸, 刘文斌, 杨飞宇, 江蓓, 梁培斯, 陈险峰
【申请人】上海市刑事科学技术研究院