捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片及其制备方法

1.本发明涉及医疗检测技术领域，尤其涉及一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片及其制备方法。


背景技术：

2.循环肿瘤细胞起源于原发肿瘤肿块，并进入外周血流。循环肿瘤细胞在转录组学、蛋白质组学和信号共定位分析方面具有无与伦比的优势，是理解转移生物学的关键，在癌症诊断、治疗监测和预后中发挥着至关重要的作用。
3.基于大小的富集特征在循环肿瘤细胞捕获和分离中很突出，是一种无标签、简单、快速的方法。对于分离出来的循环肿瘤细胞，目前主流的细胞性状表征方法为光学显微镜直接观测，但观察到的通常是其群体特征，较难分析单个肿瘤细胞的个体形状行为特征，整个过程耗费大量人工和时间。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片及其制备方法，能够捕获过滤循环肿瘤细胞，提高检测精度和检测效率。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片，包括依次叠层设置的衬底、中间捕获层及上盖板，其中，
6.衬底，在预设位置设置有金属超材料结构层；
7.中间捕获层，设置有流体通道，以及位于所述流体通道内的第一捕获阵列及第二捕获阵列；所述第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置；
8.上盖板，设置有入口孔和出口孔，所述入口孔对应于所述流体通道的一端，所述出口孔对应于所述流体通道的另一端。
9.可选地，所述第一捕获阵列包括若干个第一捕获单元，所述第一捕获单元包括圆柱体。
10.可选地，所述第二捕获阵列包括若干个第二捕获单元，所述第二捕获单元包括第一端口和第二端口，所述第一端口大于所述第二端口。
11.可选地，所述第二捕获单元包括两个捕获立柱，所述两个捕获立柱之间设置有预设夹角以形成所述第一端口和所述第二端口。
12.可选地，所述捕获立柱包括矩形、三角形、椭圆形或空心弧形中的任一种。
13.可选地，所述第二捕获单元沿流体方向设置若干列，相邻两列的第二捕获单元交错分布。
14.可选地，所述金属超材料结构层包括若干个金属图形单元，所述金属图形单元包括2条支路，所述支路包括相互垂直的第一线路和第二线路。
15.第二方面，本发明实施例提供了一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片的制备方法，包括：
16.根据设计的第一图案，在衬底上制备金属超材料结构层；
17.根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；其中，所述中间三维捕获层设置有流体通道，以及位于所述流体通道内的第一捕获阵列及第二捕获阵列；所述第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置；
18.在上盖板的两端制备入口孔和出口孔，并将制备有入口孔和出口孔的上盖板固定在所述中间捕获层的上方；所述入口孔对应于所述流体通道的一端，所述出口孔对应于所述流体通道的另一端。
19.可选地，所述根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；具体包括：
20.根据设计的第二图案制备翻模模具，所述翻模模具的结构与所述中间捕获层的结构互补；
21.根据所述翻模模具制备中间捕获层；
22.将所述中间捕获层通过键合工艺对准到制备有金属超材料结构层的衬底上。
23.可选地，所述根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；具体包括：
24.根据设计的第二图案制备掩膜版；
25.将所述掩膜版对准贴合在制备有金属超材料结构层的衬底上，并进行曝光处理。
26.实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的超材料微流控芯片包括衬底、中间捕获层及上盖板，待检测的液体样品从入口孔进入后，经过流体通道后，从出口孔流出；其中，流体通道设置有第一捕获阵列及第二捕获阵列，第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置，待检测的液体样品流经第一捕获阵列后液体样品中的细胞均匀分布，再流经第二捕获阵列后细胞被捕获以过滤分离出单个细胞，减少液体样品量，从而提高检测精度和检测效率。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片的结构示意图；
28.图2是本发明实施例提供的一种第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置的结构示意图；
29.图3是本发明实施例提供的一种第二捕获阵列有无捕获细胞的微流控芯片的透射光谱图；
30.图4是本发明实施例提供的一种第二捕获阵列有无捕获细胞的流速分布图；
31.图5是本发明实施例提供的一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片的制备方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
33.太赫兹具有低电离能量，对目标物质的损伤较小，目前太赫兹技术在生物有机分子、细胞或组织的检测方面具有很高的研究热度。但是，平面太赫兹超材料结构对水的强吸收性可能导致被测细胞(微米粒子)自身性质被掩盖。
34.由于具有强受限谐振电场和磁场的超材料能够实现辐射和分子振动之间的近场耦合，分析物如细胞、生物大分子等的存在改变了超材料和传感介质表面的边界条件，导致远场行为的变化。分子声子谐振引起折射率n和消光系数k的显著变化，并在它们的谐振频率彼此接近时进一步与超材料的等离子谐振耦合，将产生偶极子谐振或局域表面等离子体谐振等，不同的耦合标准将可能产生电磁诱导透明、电磁感应吸收或法诺谐振。
35.如图1所示，本发明实施例提供了一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片，包括依次叠层设置的衬底3、中间捕获层2及上盖板1，其中，
36.衬底3，在预设位置设置有金属超材料结构层3-1；
37.中间捕获层2，设置有流体通道，以及位于所述流体通道内的第一捕获阵列2-2及第二捕获阵列2-1；所述第二捕获阵列2-1与金属超材料结构层3-1对应设置；
38.上盖板1，设置有入口孔input和出口孔output，所述入口孔input对应于所述流体通道的一端，所述出口孔孔output对应于所述流体通道的另一端。
39.需要说明的是，第一捕获阵列2-2用于使通过的待检测液体样品中的细胞均匀分布。第二捕获阵列2-1用于对待检测液体样品中的细胞进行过滤分离及固定。
40.需要说明的是，第二捕获阵列2-1与金属超材料结构层3-1对应设置，当太赫兹光谱照射超材料微流控芯片，能够产生谐振频。
41.本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例中，通过第一捕获阵列2-2使细胞均匀分布，并通过第二捕获阵列2-1捕获并分离单个循环肿瘤细胞，再通过太赫兹光谱照射超材料微流控芯片，从而对循环肿瘤细胞进行细胞性状表征。本发明实施例仅需将少量液体从盖板入口导入，即可通过捕获阵列过滤和捕获较大的肿瘤细胞并将其卡位于超材料谐振结构的敏感位置点，实现对肿瘤细胞的单个分离，利用超材料与细胞之间的谐振耦合，通过测量垂直入射样品之后的太赫兹透射光谱，表征细胞的捕获情况以及受到外界刺激之后的性状特征变化。
42.具体地，衬底3的材料包括si(硅)、sio2(二氧化硅)、pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)或pmma(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等；金属超材料结构层3-1的金属材料包括金、银、铝、镍或钛等；上盖板1的材料包括pmma、pdms或sio2等。
43.可选地，所述第一捕获阵列包括若干个第一捕获单元，所述第一捕获单元包括圆柱体。
44.具体地，参阅图1，第一捕获单元可以沿流体方向设置若干列，相邻两列交错排列，第一捕获单元的形状可以设置为圆柱体。第一捕获阵列中的第一捕获单元的具体分布及形状可以根据实际需求进行设置，本发明实施例不做具体限制。
45.可选地，所述第二捕获阵列包括若干个第二捕获单元，所述第二捕获单元包括第一端口和第二端口，所述第一端口大于所述第二端口。
46.具体地，参阅图1，第二捕获单元的第一端口和第二端口的大小根据待捕获细胞的大小进行设置，本发明实施例不做具体限制。
47.可选地，所述第二捕获单元包括两个捕获立柱，所述两个捕获立柱之间设置有预设夹角以形成所述第一端口和所述第二端口。
48.可选地，所述捕获立柱包括矩形、三角形、椭圆形或空心弧形中的任一种。
49.具体地，参阅图2，第二捕获单元的两个捕获立柱的开口呈现“八”字形对称，开口大小为40-60um，底部开口代销为5-15um，高度为50-80um。
50.可选地，所述第二捕获单元沿流体方向设置若干列，相邻两列的第二捕获单元交错分布。
51.具体地，参阅图1，相邻两列的第二捕获单元交错分布可以更加合理的利用第二捕获阵列的空间，当细胞或微米粒子被前列的第二捕获单元捕获，由于第二捕获单元的开口大小只能容纳一个细胞(粒子)，捕获之后其他细胞(粒子)会流过该列进而被下一列的第二捕获单元捕获，从而实现捕获到更多的目标待检测细胞。
52.可选地，所述金属超材料结构层包括若干个金属图形单元，所述金属图形单元包括2条支路，所述支路包括相互垂直的第一线路和第二线路。
53.具体地，参阅图1及图2，单个金属图形单元3-1-1与单个第二捕获单元2-1-1对应设置，单个第二捕获单元2-1-1中的捕获立柱为空心圆弧，单个金属图形单元3-1-1的支路包括相互垂直的第一线路和第二线路；从而实现当太赫兹光谱照射超材料微流控芯片时，产生谐振频。
54.实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的超材料微流控芯片包括衬底、中间捕获层及上盖板，仅需少量待检测的液体样品从入口孔进入后，经过流体通道后，从出口孔流出；其中，流体通道设置有第一捕获阵列及第二捕获阵列，第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置，待检测的液体样品流经第一捕获阵列后液体样品中的细胞均匀分布，再流经第二捕获阵列后细胞被捕获以过滤分离出单个细胞，减少液体样品量，从而提高检测精度和检测效率。
55.由于粒子与衬底超材料共振耦合，太赫兹光谱仪能够实时显示超材料微流控芯片捕获细胞前后的透射光谱变化，达到实时单个检测的目的。参阅图3，从图3中可以看出，超材料微流控芯片捕获到细胞和没有捕获到细胞的透射光谱具有明显差异。
56.参阅图4，图4(a)表示未捕获细胞时第二捕获阵列的流速分布图，图4(b)表示已捕获细胞时第二捕获阵列的流速分布图；从图4可知，第二捕获阵列的第二捕获单元未捕获细胞时，第二捕获单元的第一端口和第二端口的流速较快；第二捕获阵列的第二捕获单元已捕获细胞时，第二捕获单元的第一端口和第二端口的流速较慢。
57.如图5所示，本发明实施例提供了一种捕获循环肿瘤细胞的超材料微流控芯片的制备方法，包括：
58.s100、根据设计的第一图案，在衬底上制备金属超材料结构层。
59.具体地，超材料结构层可根据实际需求设计符合特定谐振位置的超材料图案，然后通过镀膜方式沉积出0.1-0.3微米厚度的金属薄膜，之后经过lift-off剥离工艺，得到金属超材料结构层。
60.s200、根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；其中，所述中间三维捕获层设置有流体通道，以及位于所述流体通道内的第一捕获阵列及第二捕获阵列；所述第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设
置。
61.具体地，中间捕获层可以通过光刻套刻或翻模键合工艺制作，翻模键合工艺制作具体包括步骤s210a至s230a，光刻套刻制作具体包括步骤s210b至步骤s220b。
62.可选地，所述根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；具体包括：
63.s210a、根据设计的第二图案制备翻模模具，所述翻模模具的结构与所述中间捕获层的结构互补。
64.具体地，翻模的模板制作：在硅片或sio2片上，通过光刻工艺在其上曝光出一层光刻胶掩膜，再利用深反应硅刻蚀工艺刻蚀出中间捕获层的模具；或利用su8光刻胶，经过光刻工艺直接在硅衬底上制作出中间捕获层的模具；模具与中间捕获层为互补关系，经过模具翻模之后才能得到中间捕获层；
65.其中，通过深反应硅刻蚀工艺刻蚀出中间捕获层的方法如下：将硅片或sio2片采用丙酮、异丙醇(ipa)、去离子水超声清洗各5-10分钟，清洗完毕后用氮气枪吹干，并于热板或烘箱里加热烤干5-10分钟；光刻胶选用紫外敏感胶，旋涂光刻胶后通过前道烘烤115-120℃，时间为1-3分钟；前烘后进行紫外曝光，曝光后进行后道烘烤固胶定影和显影，显影时间为2-3分钟，后烘时间为1-3分钟；随后进行深反应离子刻蚀，刻蚀出互补阵列结构，深度为捕获阵列高度。
66.其中，利用光刻工艺制备中间捕获层的方法如下，将硅片或sio2片采用丙酮、异丙醇(ipa)、去离子水超声清洗各5-10分钟，清洗完毕后用氮气枪吹干，并于热板或烘箱里加热烤干5-10分钟；旋涂su-8光刻胶后通过前烘65℃且时间为3-5分钟，烘烤时间为95℃且时间为8-10分钟，后烘时间为65℃且时间为2-4分钟；显影时间为10分钟；随后采用光刻工艺光刻出互补阵列结构，深度为捕获阵列高度。
67.s220a、根据所述翻模模具制备中间捕获层。
68.直接旋涂su8，对准光刻于超材料之上，通过前烘65℃且时间为3-5分钟，烘烤时间为95℃且时间为8-10分钟，后烘时间为65℃且时间为2-4分钟，显影时间为10分钟；通过调配pdms胶水，倒入翻模模具之后，首先在真空腔室去除气泡20-30分钟，然后在热板或烘箱烤20-40分钟固化，固化之后剥离得到中间捕获层。
69.s230a、将所述中间捕获层通过键合工艺对准到制备有金属超材料结构层的衬底上。
70.键合工艺的步骤如下：将中间捕获层和衬底通过氧等离子体处理5分钟后，直接贴合。
71.可选地，所述根据设计的第二图案制备中间捕获层，并将中间三维捕获层与制备有金属超材料结构层的衬底组合；具体包括：
72.s210b、根据设计的第二图案制备掩膜版；
73.s220b、将所述掩膜版对准贴合在制备有金属超材料结构层的衬底上，并进行曝光处理。
74.具体地，掩膜版由半导体厂商进行制作，然后将掩膜版对准贴合在制备有金属超材料结构层的衬底上，并进行曝光处理即可。
75.s300、在上盖板的两端制备入口孔和出口孔，并将制备有入口孔和出口孔的上盖
板固定在所述中间捕获层的上方；所述入口孔对应于所述流体通道的一端，所述出口孔对应于所述流体通道的另一端。
76.具体地，入口孔和出口孔的孔径大小根据实际需求设置，本发明实施例不做具体限制。
77.实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的超材料微流控芯片包括衬底、中间捕获层及上盖板，待检测的液体样品从入口孔进入后，经过流体通道后，从出口孔流出；其中，流体通道设置有第一捕获阵列及第二捕获阵列，第二捕获阵列与金属超材料结构层对应设置，待检测的液体样品流经第一捕获阵列后液体样品中的细胞均匀分布，再流经第二捕获阵列后细胞被捕获以过滤分离出单个细胞，减少液体样品量，从而提高检测精度和检测效率。另外，本发明实施例中金属超材料结构层的图案具有多样性，且其加工方式简单，只需要一道光刻即可实现，能够设计出特定要求下的光谱响应，具有设计灵活性；且工艺重复性较强，具有批量生产潜力。
78.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。