CN109289954B - 一种用于单细胞分析的阵列式pdms-纸基复合微流控芯片及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于单细胞分析的阵列式PDMS‑纸基复合微流控芯片及其控制方法，自上至下依次设置有PDMS层、胶层、纸基层、以及加热贴片；所述PDMS层内设置有由一个以上的凹形结构组成的捕捉阵列；所述纸基层包括由包括亲水纸基结构与疏水结构的亲水矩阵单元组成的阵列；所述纸基层内的每个亲水矩阵单元与所述PDMS层内的每个凹形结构一一对应。本发明可用于单细胞分析，芯片兼顾PDMS聚合物和滤纸纤维两种材料优点。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片设计领域，特别是一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片及其控制方法。
背景技术
聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)具有良好的光学性能、热稳定性和生物兼容性等优点，是微流控芯片的主要加工材料之一。基于PDMS材料的芯片，已在细胞操纵、细胞内基因表达检测和免疫荧光分析等方面成功应用。但是，PDMS微通道内的流体流动通常需要依赖外置注射泵或启动微阀结构控制，分析测试仍然需要在实验室中完成。
近10年来，以滤纸为基体材料加工的芯片，即纸基微流控芯片已逐步成为低成本、便携式和环保型生化检测工具。通过滤纸内部固有的毛细纤维结构，纸基微流控芯片上的流体驱动和控制由毛细作用实现，省去了常规微流控对精密注射泵等设备的依赖，尤其适应于资源限制条件下开展生化样本检测与分析。但是，因为滤纸纤维结构通常随机杂乱分布，这种结构难以实现痕量低丰度样本（如单细胞等）的精密操纵。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片及其控制方法，可用于单细胞分析，芯片兼顾PDMS聚合物和滤纸纤维两种材料优点。
本发明采用以下方案实现：一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，自上至下依次设置有PDMS层、胶层、纸基层、以及加热贴片；
所述PDMS层内设置有由一个以上的凹形结构组成的捕捉阵列；
所述纸基层包括由包括亲水纸基结构与疏水结构的亲水矩阵单元组成的阵列；
所述纸基层内的每个亲水矩阵单元与所述PDMS层内的每个凹形结构一一对应。
进一步地，包括所述胶层为低熔点琼脂糖。
进一步地，所述低熔点琼脂糖的熔点为65℃。
进一步地，所述疏水结构的材料为光敏树脂。
进一步地，所述用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片外周采用压力膜封装。
本发明还提供了一种基于上文所述的用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片的控制方法，具体为：
当细胞载流流经PDMS层的凹形结构时，特定直径尺寸的细胞将留滞在该结构中；
所述PDMS层与纸基层通过低熔点琼脂糖构成的胶层粘合，设置在芯片底部的所述加热贴片加热后所述胶层融化，借助冷热对流细胞落入亲水纸基结构中；
当细胞裂解液流经亲水纸基结构时，细胞的细胞壁化学裂解释放包括RNA、DNA在内的物质，DNA分子链由固相微磁珠萃取，并通过聚合酶链式反应循环扩增，聚合酶链式反应产物信号由荧光显微镜直接读取。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的芯片兼顾PDMS聚合物和滤纸纤维两种材料优点，微流控方法集成细胞捕捉、固定，DNA萃取和PCR循环扩增等多功能，省去了以往细胞实验所需要的多种仪器设备，极大简化了分析实验流程。
2、本发明的设计具有操作简单、成本低廉和多用途等多项优点，创新了现有微流控细胞分析方法，对完善个体化医疗平台，促进便携式临床诊治和物质贫乏地区疾病诊断等具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图，其中（a）为侧剖示意图，（b）为对应的横切示意图。
图2为本发明实施例的芯片制造流程示意图。
图3为本发明实施例的芯片操作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，自上至下依次设置有PDMS层、胶层、纸基层、以及加热贴片；
所述PDMS层内设置有由一个以上的凹形结构组成的捕捉阵列；
所述纸基层包括由包括亲水纸基结构与疏水结构的亲水矩阵单元组成的阵列；
所述纸基层内的每个亲水矩阵单元与所述PDMS层内的每个凹形结构一一对应。
在本实施例中，包括所述胶层为低熔点琼脂糖。
在本实施例中，所述低熔点琼脂糖的熔点为65℃。
在本实施例中，所述疏水结构的材料为光敏树脂。
在本实施例中，所述用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片外周采用压力膜封装。
本实施例还提供了一种基于上文所述的用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片的控制方法，具体为：
当细胞载流流经PDMS层的凹形结构时，特定直径尺寸的细胞将留滞在该结构中；
所述PDMS层与纸基层通过低熔点琼脂糖构成的胶层粘合，设置在芯片底部的所述加热贴片加热后所述胶层融化，借助冷热对流细胞落入亲水纸基结构中；
当细胞裂解液流经亲水纸基结构时，细胞的细胞壁化学裂解释放包括RNA、DNA在内的物质，DNA分子链由固相微磁珠萃取，并通过聚合酶链式反应循环扩增，聚合酶链式反应产物信号由荧光显微镜直接读取。
较佳的，本实施例设计的芯片采用功能集成化设计，具有单细胞捕捉、释放、定点裂解、靶向DNA片段扩增等功能。PDMS部分用于单细胞捕捉，采用“凹”形三维结构，当细胞载流流经该结构时，特定直径尺寸的细胞将留滞在该结构中；为避免流动死区和不规则对流，“凹”形三维结构上部尺寸宽与底部如图1所示。纸基部分的疏水结构由光敏树脂构建，通过常规紫外光刻工艺加工；加工后的亲水结构呈阵列分布，每个单元与PDMS“凹”形三维结构一一对应。在PDMS部分与纸基部分通过低熔点琼脂糖粘合，加热后琼脂融化，借助冷热对流细胞落入亲水纸基中。当细胞裂解液流经纸基单元，细胞壁化学裂解释放RNA、DNA等。DNA分子链由固相微磁珠萃取，并通过聚合酶链式反应（PCR）循环扩增。在芯片底部设置温控贴片（加热贴片），用以实时控制和监测各反应单元内温度。为避免反应中可能出现的样本蒸发，芯片外周采用压力膜封装。因为PDMS透光性较好，PCR反应产物信号可由荧光显微镜直接读取。整个细胞分析过程不需要注射泵等设备即可完成。本实施例首次提出用于单细胞操纵、细胞内DNA分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控方法与可行芯片样机设计，具有多功能集成化等优点，在便携式分析、个体化医疗和痕量样本快速诊断等方面具有良好的应用前景。
图1是本实施例阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片结构示意图。PDMS部分腔体内设置“凹”形三维阵列结构，用于细胞捕捉与固定；低熔点琼脂糖用于隔离PDMS与滤纸部分；滤纸部分由亲水矩形单元阵列组成，每个单元与PDMS“凹”形三维结构对应，用于细胞内DNA温控扩增反应。
图2为本发明实施例的微流控芯片PDMS结构加工流程示意图，PDMS结构的加工主要基于标准软光刻方法。为获得不等宽“凹”形三维结构，采用二次光刻工艺，底部窄段为中空结构，用于支撑顶部捕捉结构并最大限度避免流动死区。采用熔点为65℃的琼脂糖做底部封口，PDMS与纸基部分流体导通/闭合由温控实现。
图3是本实施例的PDMS-纸基复合芯片微流控操作流程图。多个步骤可在单块复合芯片上完成。为避免高温（95℃）时较易出现的试剂蒸发问题，本实施例采用环介导等温方法（loop-mediated isothermal amplification）对DNA样本扩增，该方法反应温度设置为65℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，其特征在于：自上至下依次设置有PDMS层、胶层、纸基层、以及加热贴片；
所述PDMS层内设置有由一个以上的凹形结构组成的捕捉阵列；
所述纸基层包括由包括亲水纸基结构与疏水结构的亲水矩阵单元组成的阵列；
所述纸基层内的每个亲水矩阵单元与所述PDMS层内的每个凹形结构一一对应；
包括所述胶层为低熔点琼脂糖；
所述疏水结构的材料为光敏树脂。
2.根据权利要求1所述的一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，其特征在于：所述低熔点琼脂糖的熔点为65℃。
3.根据权利要求1所述的一种用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片，其特征在于：所述用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片外周采用压力膜封装。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的用于单细胞分析的阵列式PDMS-纸基复合微流控芯片的控制方法，其特征在于：
当细胞载流流经PDMS层的凹形结构时，特定直径尺寸的细胞将留滞在该结构中；
所述PDMS层与纸基层通过低熔点琼脂糖构成的胶层粘合，设置在芯片底部的所述加热贴片加热后所述胶层融化，借助冷热对流细胞落入亲水纸基结构中；
当细胞裂解液流经亲水纸基结构时，细胞的细胞壁化学裂解释放包括RNA、DNA在内的物质，DNA分子链由固相微磁珠萃取，并通过聚合酶链式反应循环扩增，聚合酶链式反应产物信号由荧光显微镜直接读取。
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