专利名称：集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统的制作方法
技术领域：
本发明属于生化样品分析技术领域，具体涉及早期疾病诊断中细胞的操纵和检测装置。
背景技术：
随着科技进步和人们生活水平的提高，人们对健康的期望要求越来越高，期望对疾病特别是癌症能早期诊断，要求及时有效地治疗。通过对生化样品，如蛋白质、DNA、细胞的分析和检测是实现对疾病早期诊断的方法之一。能够帮助医生尽早发现病情，并有效地采取治疗措施，这对提高人们的健康水平有非常重要的作用和意义。因此，对生化样品的分析检测，特别是对细胞的操纵和检测越来越引起科学工作者的重视。为了实现更快速、更准确、更稳定的细胞检测分析，人们都在寻求一种能够将细胞操纵和检测功能集成一体的系统和器件。 现有的细胞操纵和检测系统，如2008年Talanta第74期1621-1629页"叉指式微电极研究细胞溶液电化学阻抗谱的分析"(Electrical impedance spectroscopyfor detectionof bacterial cells in suspensions using interdigitatedmicroelectrodes)搭建的系统主要由一个25 y L的微腔体，阻抗检测微电极、阻抗检测器、玻璃盖片和探针电极组成。其微腔体是在一块底板的两端涂上薄薄的硅胶层，再在硅胶上盖一玻璃盖片形成的；阻抗检测微电极为金阵列电极，布置在微腔体内的底板上，并通过探针电极连接阻抗检测微电极和阻抗检测器。该系统主要的缺点是只能检测体系阻抗，无法实现细胞的操纵，同时检测限也很高，在细胞很少的情况下，检测不到有效信号，而疾病早期的时候，分析样品中标志着疾病的细胞通常很少，因此，该系统达不到高灵敏检测的要求。又如1999年Appl. Phys.第32期2814-2820页"通过介电泳阻抗检测电极定量分析溶液中微生物浓度，，(Quantitativeestimation of biological cell concentrationsuspended in aqueous medium by usingdielectrophoretic impedance measurementmethod)搭建的介电泳阻抗检测系统由进样泵、微腔体、介电电泳芯片、显微镜、示波器和电源组成。进样泵通过管道将样品输送至介电电泳芯片组成的微腔体，介电电泳芯片是包含玻璃基片及其表面沉积的金电极，可直接通过显微镜观察介电电泳芯片上细胞的行为；示波器通过电线连接在电路上，阻抗信号最终通过数据线传送至计算机。该系统主要的缺点是需要用到显微镜、示波器之类的大型仪器，不能实现DEP分析系统的集成化和微型化；整个系统的电路控制不稳定；其中，介电电泳芯片的金电极同时也用作阻抗检测，使得细胞捕获和阻抗检测共用一对叉指式金电极，其在高效获捕细胞和阻抗高灵敏度检测上难以协调。
发明内容
本发明的目的是针对现有细胞操纵和检测系统的不足，提供一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，具有高集成化、高效、高灵敏度和微型化的特点。
本发明的机理本发明主要是基于微流控芯片介电电泳(Dielectrophoresis，DEP)和生物交流阻抗检测的原理，在非均匀电场中，根据微、纳米粒子的介电性质，对其进行操纵的技术，这种利用微粒在非均匀电场中的极化效应来达到操纵微粒的方法即是介电电泳技术。介电电泳与微流控分析系统结合起来形成了微流控芯片介电电泳系统，并在细胞操纵方面显示出更大的优势。通过对施加信号频率等的改变能够控制它们所受介电电泳的正负，从而实现对微、纳米粒子的精确操纵；在细胞的检测和相关信息分析方面，基于生物交流阻抗原理，通过细胞及其溶液在微流控芯片上电学性质的变化来获得相应的电学信号，从而达到检测分析细胞的目的。从细胞中获得的电信号能够为医疗临床诊断、食品安全检测、环境监测、药物/基因筛选以及分子结构学、细胞生物学和神经系统科学等研究和实际应用提供有价值的信息。 实现本发明目的的技术方案是一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，主要包括交流信号电源、微芯片、集成电路控制单元和计算机。交流信号电源通过电缆线与集成电路控制单元的电源接头连接，微芯片通过其管脚与集成电路控制单元的芯片接口连接，集成电路控制单元通过数据线与计算机相连，组成了一套完整稳定的集成化介电电泳(DEP)分析微系统。 交流信号电源为可调式交流信号发生器，通过电源线与220V市电连接，其输出信号电压范围为0 IOV，频率范围为100Hz 10MHz，由信号输出端通过电缆线与集成电路控制单元的电源接头连接，用以对集成电路控制单元和微芯片施加激发信号，以便微芯片中的细胞操纵单元电极和阻抗检测单元电极捕获并检测细胞。 集成电路控制单元是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为10 15cm，宽为8 10cm。集成电路控制单元主要包括电源接头、芯片接口 、模拟乘法器、仪表放大器、A/D数据采集卡、电容和电阻等。电源接头通过电缆线与交流信号电源连接，用以向微芯片和本单元提供激发信号。电容和电阻串联后一端接地，另一端与模拟乘法器的输入端并联后，再与芯片接口的输出端连接，用于平衡和稳定集成电路控制单元的电路。芯片接口通过微芯片的管脚与微芯片连接，以实现对微芯片中的样品施加信号，并将检测信号传送给模拟乘法器。模拟乘法器接受由微芯片传送的检测信号，并将该信号调制成能放大的差分信号后，传送给仪表放大器，仪表放大器进行锁相放大后，传送到A/D数据采集卡，A/D数据采集卡将信号转换成数字信号后，传送给计算机，进行有效的数据采集、显示及保存。 微芯片由带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片和沉积有细胞操纵和检测单元电极的玻璃基片组成。带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片的管道长度为10mm 15mm，其截面形状为圆形，其外径为150 300 ii m。其管道的一端为两个叉支管，以便被测样品细胞溶液(如癌细胞或血红细胞或白细胞溶液)，从该端的两个叉支管流入后，经管道从另一端流出后，再流入废液池。在带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片下面，通过键合连接有玻璃基片，玻璃基片上分别沉积有细胞操纵单元电极和阻抗检测单元电极。细胞操纵单元电极用以捕获其管道内被测样品细胞溶液中的细胞。阻抗检测单元电极对捕获后的细胞的阻抗进行检测。因为，随着细胞的不断捕获，其细胞浓度随着增加，则阻抗检测信号也不断增强，从而检测的灵敏度得到提高。细胞操纵单元电极为阵列式对电极，共15 25对，其材料为金或钛金等稳定性能较好的金属。每一电极的长度为50 70 ii m，电极截面形状为长方形其宽度为30 40 ii m、长度为50 70 ii m。每对电极的间距为30 50 y m，相邻两 对电极的间距为20 30ym。用以对被测样品细胞溶液中的细胞进行操纵(即对细胞进行 捕获、分离和富集等控制)。阻抗检测单元电极为叉指式阵列电极，共25 50对，其材料为 金或钛金等稳定性能较好的金属。每个电极的长度为70 90 ii m，电极截面形状为长方形 其宽度为30 ii m 50 ii m，长度为50 y m 70 y m。相邻电极间间距为30 50iim，用以对 细胞溶液样品的阻抗进行检测。密集布置的细胞操纵单元电极和阻抗检测单元电极能够有 效地控制区域内的细胞溶液样品中的细胞进行捕获及阻抗检测。微芯片的宽度为14mm 50mm，长度为25mm 50mm，是一块集细胞分离、富集、检测功能于一体的微流控介电电泳芯 片，能够在操纵细胞的同时实现对细胞进行选择性的地检测分析。 计算机通过数据线接收集成电路控制单元上由A/D数据采集卡转换成的数字信 号，并显示与保存数据。 本发明的微芯片中所述的带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片的管道的截面 形状，除所述的圆形外，还有正方形或长方形；所述的玻璃基片两端的细胞操纵电极和阻抗 检测电极的截面形状，除所述的长方形外，还有正方形或圆形。
本发明采用上述技术方案，主要有以下效果 1.本发明的微芯片将细胞操纵和检测两个单元分离，并同时布置于一块微芯片
上，使得各自单元都能够最大效用地工作，增强了捕获效率，提高了检测灵敏度； 2.采用集成电路控制单元控制信号的施加、放大控制和采集，使得整个电路稳定
性增强，操作更灵活； 3.本发明的外电路控制采用集成化的微型控制电路板，又方案中无需显微镜、示 波器之类的大型观测仪器，有效地实现了 DEP分析系统微型化，且便携性更好，使用方便。
本发明可广泛用作生化样品的分析检测和疾病的早期诊断，特别适用于细胞分子 生物学研究、癌细胞的捕获与检测和早期癌症的诊断等方面，还可广泛用作食品安全检测、 环境监测、药物/基因筛选等领域中。
图l为本发明的原理框图； 图2为本发明集成电路控制单元的结构示意图；
图3为本发明中微芯片的结构分解示意图；
图4为本实施例1癌细胞的定量分析曲线。 图中1计算机，2交流信号电源，3集成电路控制单元，4微芯片，5电源接头，6模 拟乘法器，7芯片接口，8电容，9电阻，10仪表放大器，11 A/D信号采集卡，12进样口，13玻 璃基片，14带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片，15细胞操纵单元微电极，16阻抗检测 单元微电极。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
，进一步说明本发明。
实施例1 如图1 4所示， 一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，主要包括交流信号
6电源2、微芯片4、集成电路控制单元3和计算机1。交流信号电源2通过电线跟集成电路控 制单元3的电源接头5连接，微芯片4通过其管脚与集成电路控制单元的芯片接口 7连接， 集成电路控制单元3则通过数据线和计算机1相连，组成了一套完整稳定的集成化介电电 泳(DEP)分析微系统。 交流信号电源2为可调式交流信号发生器，通过电源线跟220V市电连接，其输出 信号电压为0 IOV，频率为100Hz 10MHz，由信号输出端通过电缆线与集成电路控制单 元3的电源接头5连接，用以施加激发信号，以便微芯片4中的细胞操纵单元电极15和阻 抗检测单元电极16捕获并检测细胞。 集成电路控制单元3是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板 的长为13cm、宽为9cm。集成电路控制单元主要包括电源接头5、芯片接口 7、模拟乘法器6、 仪表放大器10、 A/D数据采集卡11、电容8和电阻9等。电源接头5通过电线跟交流信号 电源2连接，用以向微芯片4和本单元提供激发信号。电容8和电阻9串联后接地，用于平 衡和稳定集成电路控制单元3的电路。芯片接口 7通过微芯片的管脚与微芯片连接，以实 现对微芯片4上的样品施加信号，并将检测信号传送给模拟乘法器6。模拟乘法器6接受由 微芯片4传送的检测信号，其将该信号调制成能放大的差分信号后，传送给仪表放大器10， 经仪表放大器实现锁相放大后，传送到A/D数据采集卡11， A/D数据采集卡11将信号转换 成数字信号后，传送给计算机1 ，实现有效的数据采集和保存。 微芯片4由带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片14和沉积有细胞操纵和检测 单元电极15、 16的玻璃基片13组成。带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片14的管道长 度为12mm，其截面为圆形，其外径为200 y m。其管道的一端为两个叉支管12，以便被测细胞 溶液(如癌细胞溶液)样品液从该端的两个叉支管流入后，经管道从另一端流入废液池。在 带有管道的聚二甲基硅氧烷(pmis)盖片14下面通过键合连接有玻璃基片13，在玻璃基片 13上分别沉积有细胞操纵单元电极15和阻抗检测单元电极16。细胞操纵单元电极15用以 捕获盖片14管道内的被测细胞溶液样品中的细胞，阻抗检测单元电极16对捕获后的细胞 的阻抗进行检测。因为，随着细胞的不断捕获，其细胞浓度随着增加，则阻抗检测信号也不 断增强，从而检测的灵敏度得到提高。细胞操纵单元电极15为阵列式钛金微对电极，先在 玻璃基片上沉积一层钛，然后再沉积金，最后形成电极，这样有利于电极的稳定，电极共20 对。每一电极的长度为60 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为35 ii m，长度为60 y m，每对 电极的间距为40 ii m，相邻两对电极的间距为25 ii m，用以对细胞进行操纵，即对细胞进行 捕获、分离和富集等控制。阻抗检测单元16为叉指式钛金微阵列电极，先在玻璃基片上沉 积一层钛，然后再沉积金，最后形成电极，这样有利于电极的稳定，电极共30对。每一电极 的长度为80 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为40 ii m，长度为60 y m，相邻电极间间距 为40 ii m。密集布置的细胞操纵单元电极和阻抗检测单元电极15、 16能够有效地控制区域 内的细胞溶液样品中的细胞进行捕获及阻抗检测。微芯片4的宽度为30mm，长度为40mm， 是一块集细胞分离、富集、检测功能于一体的微流控介电电泳芯片，能够在操纵细胞的同时 实现对细胞进行选择性的地检测分析。 计算机1通过数据线接收集成电路控制单元上由A/D数据采集卡11转换成的数 字信号，并显示与保存数据。整个系统实现了对血红细胞与肝癌细胞的有效DEP分离和捕 获，肝癌细胞的捕获率可达80%以上，阻抗检测的数据可对捕获的肝癌细胞进行有效地定
实施例2 —种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，同实施例l，其中集成电路控制 单元3是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为10cm、宽为8cm。 带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片管道长度为10mm，其截面形状为圆形，其外径为 150 ii m。操纵单元电极15为阵列式钛金微对电极，共15对。每一电极的长度为50 ii m，电 极截面形状为长方形，其宽度为30iim，长度为50iim，每对电极的间距为30iim，相邻两对 电极的间距为20 ii m。阻抗检测单元电极16为叉指式钛金微阵列电极，共25对。每一电极 的长度为70 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为30 ii m，长度为50 y m，相邻电极间间距 为30iim。微芯片的宽度为14mm，长度为25mm。
实施例3 —种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，同实施例l，其中集成电路控制单 元3是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为15cm、宽为10cm。 带有管道的聚二甲基硅氧烷(P匿S)盖片管道长度为10mm，其截面形状为圆形，其外径为 300 ii m。操纵单元电极15为阵列式钛金微对电极，共25对。每一电极的长度为70 y m，电 极截面形状为长方形，其宽度为40 ii m，长度为70 ii m，每对电极的间距为50 y m，相邻两对 电极的间距为30 ii m。阻抗检测单元电极16为叉指式钛金微阵列电极，共50对。每一电极 的长度为90 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为50 ii m，长度为70 y m，相邻电极间间距 为50iim。微芯片的宽度为40mm，长度为50mm。
实验结果 用实施例1的一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，将配制好的被测样品 癌细胞溶液输入微芯片的进样口 12中，接通交流信号电源2，进行检测，测得癌细胞的定量 分析曲线，如图4所示。 从上述实验知本发明的集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，能够对癌 细胞溶液样品中的癌细胞进行有效的DEP捕获，并能通过阻抗检测对癌细胞进行定量 分析。在癌细胞浓度为104以上情况下，其阻抗值Z与细胞浓度C之间的曲线方程为Z =-0. 018C+9895. 9，R2 = 0. 9962，说明其线性相关性较好，能够较为有效的用于癌细胞的定 量分析。细胞操纵单元电极可以利用DEP对低浓度的癌细胞溶液样品进行浓集，由图4的 标准曲线及对癌细胞进行DEP捕获后测得的阻抗值，定量出DEP捕获后的癌细胞浓度为原 癌细胞溶液样品的2倍以上，DEP对癌细胞捕获效率可达80%以上。
权利要求
一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，主要包括计算机(1)、交流信号电源(2)，其特征在于还有集成电路控制单元(3)和微芯片(4)，交流信号电源(2)通过电缆线与集成电路控制单元(3)的电源接头(5)连接，微芯片(4)通过其管脚与集成电路控制单元的芯片接口(7)连接，集成电路控制单元(3)通过数据线与计算机(1)相连，交流信号电源(2)为可调式交流信号发生器，通过电源线与220V市电连接，其输出信号电压范围为0～10V，频率范围为100Hz～10MHz，由信号输出端通过电缆线与集成电路控制单元(3)的电源接头(5)连接，集成电路控制单元(3)是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为10～15cm、宽为8～10cm，集成电路控制单元(3)主要包括电源接头(5)、芯片接口(7)、模拟乘法器(6)、仪表放大器(10)、A/D数据采集卡(11)、电容(8)和电阻(9)，电源接头(5)通过电缆线与交流信号电源(2)连接，电容(8)和电阻(9)串联后一端接地，另一端与模拟乘法器(6)的输入端并联后，再与芯片接口(7)的输出端连接，芯片接口(7)通过微芯片(4)的管脚与微芯片(4)连接，模拟乘法器(6)接受由微芯片(4)传送的检测信号，并将该信号调制成能放大的差分信号后，传送给仪表放大器(10)，仪表放大器(10)进行锁相放大后，传送到A/D数据采集卡(11)，A/D数据采集卡(11)将信号转换成数字信号后，传送给计算机(1)，微芯片(4)由带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)和沉积有细胞操纵和检测单元电极(15、16)的玻璃基片(13)组成，带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)的管道长度为10mm～15mm，其截面形状为圆形，其外径为150～300μm，其管道的一端为两个叉支管，在带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)下面，通过键合连接有沉积有玻璃基片(13)，在玻璃基片(13)上分别沉积有细胞操纵单元电极(15)和阻抗检测单元电极(16)，细胞操纵单元电极(15)为阵列式对电极，共15～25对，其材料为钛金，每一电极的长度为50～70μm，电极截面形状为长方形，其宽度为30～40μm，长度为50～70μm，每对电极的间距为30～50μm，相邻两对电极的间距为20～30μm，阻抗检测单元电极(16)为叉指式阵列电极，共25～50对，其材料为钛金，每个电极的长度为70～90μm，电极截面形状为长方形，其宽度为30μm～50μm，长度为50μm～70μm，相邻电极间间距为30～50μm，微芯片(4)的宽度为14mm～50mm、长度为25mm～50mm，本发明的微芯片中所述的带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)的管道的截面形状，除所述的圆形外，还有正方形或长方形，所述的玻璃基片(13)两端的细胞操纵电极(15)和阻抗检测电极(16)的截面形状，除所述的长方形外，还有正方形或圆形。
2. 按照权利要求1所述的集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，其特征在于集成电路控制单元(3)是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为13cm、宽为9cm，带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)管道长度为12mm，其截面积为圆长方形，其外径为200ym，操纵单元电极(15)为阵列式钛金微对电极，共20对，每一电极的长度为60 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为35 ii m，长度为60 y m，每对电极的间距为40 y m，相邻两对电极的间距为25ym，阻抗检测单元电极(16)为叉指式钛金微阵列电极，共30对，每一电极的长度为80 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为40 ii m，长度为60 y m，相邻电极间间距为40iim，微芯片(4)的宽度为30mm、长度为40mm。
3. 按照权利要求1所述的集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，其特征在于集成电路控制单元(3)是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为10cm、宽为8cm，带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)管道长度为10mm，其截面形状为圆形，其外径为150iim，操纵单元电极(15)为阵列式钛金微对电极，共15对，每一电极的长度为50iim，电极截面形状为长方形，其宽度为30 ii m，长度为50 ii m，每对电极的间距为30 y m，相邻两对电极的间距为20ym，阻抗检测单元电极(16)为叉指式钛金微阵列电极，共25对，每一电极的长度为70 ii m，电极截面形状为长方形，其宽度为30 ii m，长度为50 y m，相邻电极间间距为30iim，微芯片(4)的宽度为14mm、长度为25mm。
4.按照权利要求1所述的集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统，其特征在于集成电路控制单元(3)是外电路控制单元，为集成化的微型控制电路板，其电路板的长为15cm、宽为10cm，带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片(14)管道长度为10mm，其截面积为长方形，宽度为150iim，高度为30iim，操纵单元电极(15)为阵列式钛金微对电极，共25对，每一电极的长度为70 ii m，电极截面形状为正方形，边长为40 ii m，每对电极的间距为40 y m，相邻两对电极的间距为25ym，阻抗检测单元电极(16)为叉指式钛金微阵列电极，共50对，每一电极的长度为90iim，电极截面形状为正方形，其边长为40iim，相邻电极间间距为40iim，微芯片(4)的宽度为40mm、长度为50mm。
全文摘要
一种集成细胞操纵和检测的微流控芯片，涉及早期疾病诊断中细胞的操纵和检测装置。本发明主要包括交流信号电、源微芯片、集成电路控制单元和计算机。特征是微芯片由带有管道的聚二甲基硅氧烷盖片和沉积有细胞操纵单元电极和阻抗检测单元电极的玻璃基片键合而成，集成电路控制单元为外电路控制单元，是集成化的微型控制电路板。本发明具有检测灵敏度高、稳定性好，操纵灵活方便，系统微型化、便携性好等特点。本发明可广泛应用于细胞的分析检测和疾病的早期诊断，特别适用于癌细胞的捕获与检测和早期癌症的诊断。还可广泛用于食品安全检测、环境监测、药物/基因筛选等。
文档编号G01N27/07GK101738418SQ201010042100
公开日2010年6月16日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者刘海涛, 吴永杰, 彭金兰, 徐溢, 曹强, 温志渝 申请人:重庆大学