连续的整体芯片三维dep细胞分选器及相关制造方法
【专利摘要】一种三维PDMS细胞分选器，该三维PDMS细胞分选器具有在PDMS层中的多个通路，所述多个通路在DEP分离区域中遵循相同路径并在该区域中彼此流体连通。各通路在横向于通路内流动方向的宽度上可以不同。在PDMS层之间可以夹有平坦板。每个板可具有平坦电极，该平坦电极用于在通路内流动的样品流体内产生DEP场。该DEP场可将目标细胞或颗粒集中在DEP分离区域内的通路之一内。各通路可以在DEP分离区域之后岔开，留下具有高度集中的目标细胞或颗粒的一个通路。还提供了这种结构以及其它微流控结构的制造技术。
【专利说明】连续的整体芯片三维DEP细胞分选器及相关制造方法
[0001] 相关申请交叉引用
[0002] 本申请根据35U. S. C. § 119(e)要求2012年3月27日提交的题为"CONTINUOUS WHOLE-CHIP 3-DMENSI0NAL DEP CELL SORTER AND ITS FABRICATION" 的美国临时专 利申请第61/616, 385号和2013年3月15日提交的题为"CONTINUOUS WHOLE-CHIP 3-DMENSI0NAL DEP CELL SORTER AND RELATED FABRICATION METHOD"的美国临时专利申 请第61/799, 451号的权益，两者的全部内容以引用的方式纳入本文。
[0003] 政府许可权
[0004] 本发明在由自然科学基金授予的批准号为第0901154号的美国政府支持下进行。 美国政府在该发明中享有一定权利。
【背景技术】
[0005] 微流控装置对不同流体夹带样品进行小规模的流体操控具有一个成本-效益机 制。例如，一些微流控装置可用来对流体样品中所含有的细胞进行输送、分选和分析。
[0006] 多层软光刻（MSL)是迄今为止使用最广泛的用于制造微流控装置的方法。已有多 种装置用来提供通用的微流控功能，包括液体输送、混合和计量，这些装置从简单的单层聚 二甲基硅氧烷（PDMS)通道，到具有气动控制泵和阀的多层结构。已有以微流控多路复用器 的形式实现了微流控大规模集成（MLSI)，例如芯片实验室装置，从而对用于进行复杂的多 步骤生化分析的数以千计的阀门和数百个腔室进行单独寻址。到目前为止，大部分的多层 PDMS装置被证明是不是真正的三维微流控装置。虽然多层二维微流控网络可堆叠，但是由 于难以高产率地制造用于不同层流体性连接的高精度穿层孔，因此通常不存在层间流体的 连通。如果没有穿层孔，则对于大型三维微流控网络而言，液体的输送和界面交互就成了复 杂的问题。
[0007] 微流控装置可提供的一个功能是细胞或颗粒分选。例如，流体样品可具有夹带在 其中的各种不同类型的细胞或颗粒，且其可能需要将特定类型的细胞或颗粒从总体样品分 离或集中。介电电泳（DEP)是用来分选细胞或颗粒的最常用的机制。DEP是指由于颗粒的 感应电偶极与所施加的电场之间的相互作用而引起的沿电场梯度的感应颗粒运动。作用于 悬浮在介质中的球形颗粒、FDEP的DEP力可表示为：
[0008]
【权利要求】
1. 一种三维介电电泳（DEP)分选装置，该装置包括： 第一电极； 第二电极；以及 电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中： 所述电绝缘层包括分离通路，所述分离通路的壁部分地由所述第一电极和所述第二电 极界定， 所述电绝缘层包括收集通路，所述收集通路在横截面厚度上小于所述分离通路并位于 所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置， 所述分离通路形状做成产生电磁场，所述电磁场导致介电电泳作用将响应的细胞或颗 粒抽至所述第一电极与所述第二电极之间的位置，该位置实质上与所述收集通路的电极间 位置相对应，以及 所述收集通路和所述分离通路构造成使得被抽至所述分离通路中的在所述第一电极 与所述第二电极之间的电极间位置的细胞或颗粒随后流入所述收集通路。
2. -种三维介电电泳（DEP)分选装置，该装置包括： 第一电极； 第二电极；以及 电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中： 所述电绝缘层包括： 流体流动通路，所述流体流动通路具有部分地由所述第一电极和所述第二电极限定的 横截面； 第一侧通路，所述第一侧通路平行于所述装置的DEP分离区域内的流体流动通路并通 过第一可变形薄壁与所述流体流动通路分隔； 第二侧通路，所述第二侧通路平行于所述DEP分离区域内的流体流动通路并通过第二 可变形薄壁与所述流体流动通路分隔，其中： 所述第一侧通路和所述第二侧通路与所述流体流动通路之间密闭，以及 对所述第一侧通路和所述第二侧通路施加加压气体或流体导致所述第一可变形薄壁 和所述第二可变形薄壁膨入所述流体流动通路。
3. -种三维介电电泳（DEP)分选装置，该装置包括： 第一电极层； 第二电极层； 电绝缘层，所述电绝缘层介于所述第一电极层与所述第二电极层之间并具有第一子层 和第二子层； 位于所述第一子层中的第一通路；以及 位于所述第二子层中的第二通路；其中： 所述第一电极层、所述第二电极层以及所述电绝缘层形成基本平坦的组件， 所述第一电极层在所述第一子层的与第二层相反的侧上， 所述第二电极层在所述第二子层的与第一层相反的侧上， 所述第一通路和所述第二通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在 所述DEP分离区域内彼此直接流体连通， 所述第一通路和所述第二通路每个具有不同的垂直于所述共同路径并垂直于标准基 本平坦组件的横截面宽度，以及 在后DEP分离区域中，所述第一通路从所述第二通路岔开，所述后DEP分离区域位于所 述DEP分离区域的下游。
4. 根据权利要求3所述的三维DEP分选装置，进一步包括： 所述电绝缘层的第三子层；以及 位于所述第三子层中的第三通路；其中： 所述第二子层介于所述第一子层与所述第三子层之间， 所述第三子层介于所述第二子层与所述第二电极层之间， 所述第三通路遵循在所述DEP分离区域内的所述共同路径并与所述DEP分离区域内的 第二通路直接流体连通， 所述第三通路具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的基本平坦组件的横截面 宽度，该横截面宽度不同于所述第二通路的横截面宽度，以及 在所述后DEP分离区域中，所述第三通路从所述第二通路岔开。
5. 根据权利要求4所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽 度小于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。
6. 根据权利要求4所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽 度大于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。
7. 根据权利要求4至6任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通路、 所述第二通路以及所述第三通路沿垂直于所述共同路径并平行于所述基本平坦组件的方 向上大致位于彼此的正中心。
8. 根据权利要求3所述的三维DEP分选装置，进一步包括：一个或多个附加的通路，每 个位于附加的子层中，其中： 所述一个或多个附加的通路包括第三通路， 所述一个或多个附加的通路遵循所述电绝缘层的DEP分离区域内的共同路径并在所 述DEP分离区域内彼此直接流体连通且与所述第一通路和所述第二通路流体连通， 所述一个或多个附加的通路每个具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的大致 平坦组件的横截面宽度， 每个特定的附加通路的横截面宽度不同于与该特定的附加通路相邻的每个附加通路 的横截面宽度，以及 所述一个或多个附加通路中的至少一个在后DEP分离区域中从所述第二通路岔开。
9. 根据权利要求3至8任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一电极 层和所述第二电极层包括在所述DEP分离区域中的图案化电极。
10. 根据权利要求3至8任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一电极 层和所述第二电极层是基本平坦的板，所述基本平坦的板具有面向所述电绝缘层的导电表 面。
11. 根据权利要求10所述的三维DEP分选装置，进一步包括：所述导电表面基本上延 伸穿过所有的电绝缘层。
12. 根据权利要求10所述的三维DEP分选装置，进一步包括：所述导电表面在由所述 DEP分离区域和所述第一通路的侧壁界定的区域中或者由所述DEP分离区域和所述第二通 路的侧壁界定的区域中是大致均匀的。
13. 根据权利要求10至12任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：一个或两个 所述导电表面涂覆有厚度小于2微米的非导电涂层。
14. 根据权利要求3至13任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘 层是聚二甲基硅氧烷（PDMS)结构。
15. 根据权利要求3至14任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘 层是通过将多层单独的PDMS层结合在一起而形成的聚二甲基硅氧烷（PDMS)结构。
16. 根据权利要求15所述的三维DEP分选装置，其特征在于： 所述第一子层由一层或多层单独的PDMS层形成，以及 所述第二子层由一层或多层单独的PDMS层形成。
17. 根据权利要求15所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括不 同材料组合的复合结构。
18. 根据权利要求17所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括悬 浮在PDMS中的非PDMS材料的复合结构。
19. 根据权利要求3至18任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一子 层的厚度为约1微米至约100微米，而所述第二子层的厚度为约10微米至100微米。
20. 根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一子 层的厚度为约100微米至约500微米，而所述第二子层的厚度为约100微米至500微米。
21. 根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通 路的横截面宽度为至少1微米，而所述第二通路和所述第二通路的横截面宽度为至少2微 米。
22. 根据权利要求3至19任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通 路的横截面宽度小于1微米，而所述第二通路的横截面宽度小于2微米。
23. 根据权利要求4至21任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通 路和所述第三通路具有不同的横截面宽度。
24. 根据权利要求4至23任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通 路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路"H" 形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的 具有正DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。
25. 根据权利要求3至23任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述第一通 路、所述第二通路以及所述第三通路的总体横截面在所述DEP分离区域内大致呈岔路" + " 形状，由此当在所述第一电极层与所述第二电极层之间施加交流电压时，夹带在流体中的 具有负DEP的颗粒或者细胞收集在分选通路中。
26. 根据权利要求3至24任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：施加穿过所 述第一电极和所述第二电极的交流（AC)电压导致非均匀电磁场形成在流过所述DEP分离 区域内的所述第一通路和所述第二通路的流体内，其中该非均匀电磁场的强度偏向所述第 一通路或者所述第二通路之一。
27. 根据权利要求3至26任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述三维DEP 分选装置被纳入手持设备。
28. 根据权利要求3至27任一项所述的三维DEP分选装置，其特征在于：所述三维DEP 分选装置联接至手动泵送装置，所述手动泵送装置配置成将流体样品驱动穿过所述分选装 置的所述第一通路和所述第二通路。
29. -种多层聚二甲基硅氧烷（PDMS)微流控结构的制造方法，所述方法包括： a) 将第一未固化PDMS凝胶沉积到阳模上； b) 在所述阳模与冲模之间压缩所述第一未固化PDMS凝胶，所述冲模具有板和PDMS薄 层，该板的模量实质上大于PDMS的模量，该PDMS薄层在该板的面向所述阳模的一侧上； c) 将所述第一未固化PDMS凝胶固化为PDMS层； d) 从所述阳模释放所述PDMS层，所述PDMS层具有模具界面表面，所述模具界面表面在 释放之前与所述阳模配合； e) 将所述PDMS层转移至接收面； f) 将所述PDMS层的模具界面表面的各部分结合至所述接收面；以及 g) 从PDMS冲模释放所述PDMS层。
30. 根据权利要求29所述的方法，进一步包括： 对于其它的PDMS层重复步骤a)至g)。
31. 根据权利要求29至30中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层厚度小 于500微米。
32. 根据权利要求29至31中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层厚度在 10微米与30微米之间。
33. 根据权利要求29至32中任一项所述的方法，进一步包括： 用第二未固化PDMS凝胶对所述板进行旋涂，以形成所述PDMS薄层；以及 固化所述第二未固化PDMS凝胶。
34. 根据权利要求33所述的方法，其特征在于：所述第二未固化PDMS凝胶添加有 钼-二乙烯四甲基二硅氧烷（C8H 18OPtSi2)。
35. 根据权利要求33或34所述的方法，其特征在于：除了用于PDMS凝胶的标准固化 剂之外，所述第二未固化PDMS凝胶添加有钼-二乙烯四甲基二硅氧烷（C 8H18OPtSi2)。
36. 根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于：所述钼-二乙烯四甲基二硅氧烷 添加量在16-20微升/10克PDMS基和1克PDMS。
37. 根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其特征在于：所述PDMS薄层用CYTOP 表面处理来处理。
【文档编号】B01D57/02GK104321126SQ201380028118
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月27日
【发明者】邱培钰, 黄国威, 范育睿, 龚育谆 申请人:加利福尼亚大学董事会