CN104923322A - 一种介电泳粒子分选微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介电泳粒子分选微流控芯片，首先利用微流控芯片软光刻工艺，得到具有一定形状的微通孔和微通道，结合镀液电磁阀的开启和闭合动作，实现微通道内壁的局部化学镀金或者镀银，形成镀层区域。镀层区域中的镀层电极与通电后的平面电极一起形成闭合的非匀强电场区域，在镀层电极上方通过形变控制电磁阀施加大小可变的电磁力，造成镀层电极的形变，导致非匀强电场区域的电场强度分布发生改变，并引起介电泳力分布的改变。本发明无需调节外加信号源改变外电场的幅值，而仅需通过控制形变控制电磁阀电磁力的大小，即可实现对非匀强电场区域的场强和电场分布的调整，实现对不同属性介电粒子的分选。
Description
技术领域
本发明涉及粒子分选技术领域，具体为一种介电泳粒子分选微流控芯片。
背景技术
微流控芯片技术把生物、化学分析过程的样品制备、预处理、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，可实现流体、微纳粒子或液滴的运输、混合、分选、富集、逻辑运算等操作，对生命科学和信息科学的发展具有重要的战略意义。在非匀强电场下，溶液中微纳尺度的介电粒子(如聚合物粒子、多种细胞、细菌、病毒、DNA、液滴等)会受到介电泳(DEP)力的作用而向电场强度最强或者最弱的区域聚集，分别称为正介电泳(pDEP)和负介电泳(nDEP)效应。该技术具有适用性广、易于操控、快速高效等优点，常用于微流控芯片上各种生物细胞及DNA片段的快速富集和检测，在生物样品的预处理、疾病的早期快速诊断等领域具有巨大的应用潜力。
对于含有多种微纳粒子的溶液而言，可以根据粒子在尺寸、介电属性(极化率)等方面差异，实现对目标粒子的介电泳分离和分选。申请号为201110162637.7公开了一种微型血细胞分离装置及其使用方法：通过信号发生器、加样泵、分离芯片和分离后细胞收集器的协同作用，实现了微型血细胞的分离。但该方法的核心技术介电泳的调节由外加的信号发生器来完成，通过人为调节交流电信号的幅值和频率，来达到血细胞分离的目的，电信号的幅值范围受限于信号发生器本身的特性，难以灵活调节。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明拟解决的技术问题是：提出一种介电泳粒子分选微流控芯片，首先利用微流控芯片软光刻工艺，得到具有一定形状的微通孔和微通道，结合镀液电磁阀的开启和闭合动作，实现微通道内壁的局部化学镀金或者镀银，形成镀层区域。镀层区域中的镀层电极与通电后的平面电极一起形成闭合的非匀强电场区域，在镀层电极上方通过形变控制电磁阀施加大小可变的电磁力，造成镀层电极的形变，导致非匀强电场区域的电场强度分布发生改变，并引起介电泳力分布的改变。本发明无需调节外加信号源改变外电场的幅值，而仅需通过控制形变控制电磁阀电磁力的大小，即可实现对非匀强电场区域的场强和电场分布的调整，实现对不同属性介电粒子的分选。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：提供一种介电泳粒子分选微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括平面电极层、微通道层和控制层；所述控制层位于微通道层之上，所述微通道层位于平面电极层之上；
所述平面电极层包括电极衬底、平面电极和接线区；所述平面电极沉积于电极衬底上；所述接线区一端与平面电极连接，另一端外接电源；
所述微通道层包括微通道和微通孔；所述微通孔包括镀液入口、镀液出口、分选溶液进样口和分选溶液出样口；所述微通道包括镀液微通道和分选溶液微通道；所述镀液微通道上配置有镀液电磁阀工位，所述分选溶液微通道上配置有分选溶液电磁阀工位；所述镀液微通道通过常规镀层技术镀层形成镀层区域；所述镀层区域具有镀层电极，镀层电极与通电后的平面电极一起形成闭合的非匀强电场区域；
所述控制层包括控制层衬底、镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀；所述控制层衬底的作用是为镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀的安装进行定位；所述镀液电磁阀安装于镀液电磁阀工位上；所述分选溶液电磁阀安装于分选溶液电磁阀工位上；所述形变控制电磁阀置于镀层电极上，外接调节电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明无需调节外加信号源改变外电场的幅值，而仅需通过控制形变控制电磁阀电磁力的大小，即可实现对非匀强电场区域的场强和电场分布的调整，实现对不同属性介电粒子的分选，且镀层电极形变过程可逆、可控；本发明的微流控芯片结构合理，布局得当，制作过程简单，成本低廉。
附图说明
图1是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的主视整体结构示意图；(其中：1、平面电极层；2微通道层；3、控制层)
图2是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的平面电极层主视结构示意图；(其中：11、电极衬底；12、平面电极；13、接线区)
图3是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的微通道层主视结构示意图；(其中：211、镀液入口；212、镀液出口；221、第一镀液电磁阀工位；222、第二镀液电磁阀工位；231、分选溶液进样口；232、第一分选溶液出样口；233、第二分选溶液出样口；234、第三分选溶液出样口；241、第一分选溶液电磁阀工位；242、第二分选溶液电磁阀工位；243、第三分选溶液电磁阀工位244、第四分选溶液电磁阀工位；)
图4是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的控制层主视结构示意图；(其中：31、控制层衬底；34、形变控制电磁阀；321、第一镀液电磁阀；322、第二镀液电磁阀；331、第一分选溶液电磁阀；332、第二分选溶液电磁阀；333、第三分选溶液电磁阀；334、第四分选溶液电磁阀)
图5是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的镀层区域示意图；(其中：25、镀层区域；251、镀层电极)
图6是本发明介电泳粒子分选微流控芯片的图5所示虚线区域的仰视结构示意图；
图7是本发明介电泳粒子分选微流控芯片一种实施例的强电场区域和弱电场区域形成原理图；(其中：A区域-强电场区域；B区域和C区域-弱电场区域；F为形变控制电磁阀34的电磁力)
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明方法进行进一步说明：
本发明提供了一种介电泳粒子分选微流控芯片(参见图1-6)，包括平面电极层1、微通道层2和控制层3；所述控制层3位于微通道层2之上，所述微通道层2位于平面电极层1之上；
所述平面电极层1包括电极衬底11、平面电极12和接线区13；所述平面电极12沉积于电极衬底11上；所述电极衬底11材质为玻璃、亚克力、环氧树脂、ABS等，边长尺寸为5mm～100mm，厚度1～3mm；所述平面电极12的材质为导电材料，可以为铜、铝、金、银、ITO、IFO等，厚度为100um～1mm，宽度为10～400um；所述接线区13一端与平面电极12连接，另一端外接电源，用于为平面电极12提供交流电源；
所述微通道层2包括微通道和微通孔；所述微通道层2的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，边长尺寸为5mm～100mm，厚度1～3mm，通过软光刻工艺制成微通孔和微通道；所述微通孔包括镀液入口211、镀液出口212、分选溶液进样口231和分选溶液出样口，分别用于镀液和分选溶液的进样和出样；所述分选溶液出样口具有三个，具体为第一分选溶液出样口232、第二分选溶液出样口233和第三分选溶液出样口234；所述微通道的深度为10～500um，宽度为20～800um，为镀液和分选溶液的流动提供通道，包括镀液微通道和分选溶液微通道；所述镀液微通道上配置有镀液电磁阀工位，所述分选溶液微通道上配置有分选溶液电磁阀工位；所述镀液电磁阀工位和溶液电磁阀工位的直径均为1～10mm，用于配合安装相应的电磁阀；所述镀液电磁阀工位具有两个，具体是第一镀液电磁阀工位221和第二镀液电磁阀工位222；所述分选溶液电磁阀工位具有四个，具体为第一分选溶液电磁阀工位241、第二分选溶液电磁阀工位242、第三分选溶液电磁阀工位243和第四分选溶液电磁阀工位244；所述镀液微通道经过常规镀层技术镀层后形成镀层区域25(参见图5所示阴影区域)；所述镀层区域25具有镀层电极251(参见图5所示虚线区域)；所述镀层电极251与通电后的平面电极12一起形成闭合的非匀强电场区域，使得流经镀层电极251的溶液中的各种介电粒子受到介电泳力的作用；所述镀层电极251与平面电极12之间的垂直距离为10～500um。
所述控制层3的材质为玻璃、亚克力、环氧树脂、ABS等，边长尺寸为5mm～100mm，厚度1～3mm，具体尺寸参照平面电极层1和微通道层2，做到尺寸匹配；所述控制层3包括控制层衬底31、镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀34；所述控制层衬底31的作用是为镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀34的安装进行精确定位；所述镀液电磁阀具有两个，具体为第一镀液电磁阀321和第二镀液电磁阀322，第一镀液电磁阀321安装于第一镀液电磁阀工位221上，第二镀液电磁阀322安装于第二镀液电磁阀工位222上；所述分选溶液电磁阀具有四个，具体为第一分选溶液电磁阀331、第二分选溶液电磁阀332、第三分选溶液电磁阀333和第四分选溶液电磁阀334，分别对应安装于第一分选溶液电磁阀工位241、第二分选溶液电磁阀工位242、第三分选溶液电磁阀工位243和第四分选溶液电磁阀工位244上，用于控制分选溶液的通断，进行溶液粒子的分选；所述形变控制电磁阀34置于镀层电极251上，外接调节电源，可以形成电磁力F，电磁力F的大小通过外接调节电源的电压来调节，通过电磁力的改变对镀层电极251产生压力和形变，以此来控制镀层电极251与通电后的平面电极12一起形成闭合的非匀强电场区域的电场强度分布。
所述镀层区域25的形成方式是：第一镀液电磁阀321和第二镀液电磁阀322打开，所有分选溶液电磁阀关闭，然后在镀液入口211通入镀液，在大气压的作用下，形成镀层区域25(参见图5阴影区域)。
本发明介电泳粒子分选微流控芯片的工作原理和过程是(参见图5、7)：
所述镀层电极251(图5所示虚线区域)与通电后的平面电极12一起形成闭合的非匀强电场区域，在所述形变控制电磁阀34电磁力F的控制下，镀层电极251可产生不同程度的形变，镀层电极251的形变量范围介于平面电极12和镀层电极251之间的垂直距离的1％～99％之间，其中电磁力F的大小通过外接调节电源的电压来调节。形变引起非匀强电场区域内部电场强度改变，形成强电场区域(A区域，对应第二分选溶液出样口233)和弱电场区域(B区域和C区域，分别对应第一分选溶液出样口232和第三分选溶液出样口234)，使得流经镀层电极251区域的溶液中的各种介电粒子受到的介电泳力发生改变，使其分别发生偏转，从不同的分选溶液出样口流出，实现分选功能。
分选开始时，将第一镀液电磁阀321和第二镀液电磁阀322关闭，所有分选溶液电磁阀打开，在分选溶液进样口231通入含有多种不同介电属性粒子的溶液，在非匀强电场的作用下可完成粒子分选，分选后的粒子分别从不同分选溶液出样口232～234流出，实现分选。
实施例1
将第一镀液电磁阀321和第二镀液电磁阀322关闭，所有分选溶液电磁阀打开，在分选溶液进样口231通入含有死活酵母菌细胞的溶液，死活酵母菌细胞分别受到不同属性(正或者负)的介电泳力。此处微通道宽度为200um，深度50um，所有镀液电磁阀工位和分选溶液电磁阀工位的直径均为3mm，镀层电极与平面电极之间的垂直距离为15um。死细胞从第一分选溶液出样口232和第三分选溶液出样口234流出，对应弱电场区域；活细胞从第二分选溶液出样口233流出，对应强电场区域。
实施例2
将第一镀液电磁阀321和第二镀液电磁阀322关闭，所有分选溶液电磁阀打开，在分选溶液进样口231通入含有1:50稀释的人类血液，红细胞和白细胞分别受到不同属性(正或者负)的介电泳力。此处微通道宽度为120um，深度60um，所有镀液电磁阀工位和分选溶液电磁阀工位的直径均为8mm，镀层电极与平面电极之间的垂直距离为20um。红细胞从第一分选溶液出样口232和第三分选溶液出样口234流出，对应弱电场区域；白细胞从第二分选溶液出样口233流出，对应强电场区域。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种介电泳粒子分选微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片包括平面电极层、微通道层和控制层；所述控制层位于微通道层之上，所述微通道层位于平面电极层之上；
所述平面电极层包括电极衬底、平面电极和接线区；所述平面电极沉积于电极衬底上；所述接线区一端与平面电极连接，另一端外接电源；
所述微通道层包括微通道和微通孔；所述微通孔包括镀液入口、镀液出口、分选溶液进样口和分选溶液出样口；所述微通道包括镀液微通道和分选溶液微通道；所述镀液微通道上配置有镀液电磁阀工位，所述分选溶液微通道上配置有分选溶液电磁阀工位；所述镀液微通道通过常规镀层技术镀层形成镀层区域；所述镀层区域具有镀层电极，镀层电极与通电后的平面电极一起形成闭合的非匀强电场区域；
所述控制层包括控制层衬底、镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀；所述控制层衬底的作用是为镀液电磁阀、分选溶液电磁阀和形变控制电磁阀的安装进行定位；所述镀液电磁阀安装于镀液电磁阀工位上；所述分选溶液电磁阀安装于分选溶液电磁阀工位上；所述形变控制电磁阀置于镀层电极上，外接调节电源。
2.根据权利要求1所述的介电泳粒子分选微流控芯片，其特征在于所述微通道的深度为10～500um，宽度为20～800um。
3.根据权利要求1所述的介电泳粒子分选微流控芯片，其特征在于所述镀液电磁阀工位和分选溶液电磁阀工位的直径均为1～10mm。
4.根据权利要求1所述的介电泳粒子分选微流控芯片，其特征在于所述镀层电极与平面电极之间的垂直距离为10～500um。
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