專利名稱：微小顆粒配對捕捉芯片及方法
技術領域：
本發明涉及細胞融合技術領域，特別是涉及一種微小顆粒配對捕捉芯片及方法。
背景技術：
細胞融合技術是生命科學領域中一項非常關鍵的技術，對生物遺傳學、發育學、免疫學、膜蛋白動力學、核質關系、遺傳互補、基因調控、基因定位、疾病發生等技術的發展具有十分重要的意義。而配對捕捉兩個被融合細胞是細胞融合過程中的關鍵步驟之一。目前采用的捕捉方法依據接觸方式可分為兩中類型直接接觸式和非接觸式。直接接觸式捕捉最直觀的例子就是用機械手夾持物體，例如與負壓相連的微吸液管等，結合機器人手臂控制系統及微視覺系統，可以實現對微顆粒的捕捉。這種方法控制系統實現難度大，不利于批量操作；而非接觸式方法目前采用的主要有電場排隊法和流場被動捕捉法。電場排隊法是指顆粒在非勻強電場中受到介電電泳力的作用而發生排隊的現象，利用這種現象將細胞顆粒捕捉到一起。流場被動捕捉是指設置巧妙的微通道形狀而將兩個顆粒捕捉·到一起。目前在雙顆粒捕捉過程中主要存在如下問題其一、靈活性不足，對尺寸適應性差；其二、不能大規模多批量操作；其三、在捕捉的過程中不能保證所捕捉到的顆粒個數以及種類；其四、非接觸捕捉還存在堵塞等問題。具體來講，直接接觸式捕捉由機器人實現自動顆粒捕捉，他結合傳統機械臂的控制原理，在機械臂的末端加上真空吸頭或者微型鑷子，在顯微視覺系統的輔助下自動捕獲顆粒所在的位置，并控制機械臂末端達到所需的位置，同時開啟真空或鑷子，實現顆粒捕捉的功能。優點是靈活性比較大，可以捕捉任意所需的顆粒，并且具有很好的擴展性，可以用來實現人工受精、DNA注射等功能；缺點是容易破壞微小顆粒，并且控制系統實現復雜，也不利于對進行大批量操作；流場被動捕捉方法是指通過合理布置微流控芯片中微流道的形狀來改變流場的分布，控制施加在顆粒上流體作用力，從而實現顆粒捕捉的功能。優點是系統實現相對簡單，可實現小批量的捕捉；缺點是只能進行單一尺寸微小顆粒捕捉，靈活性差，一般只用于單顆粒捕捉，在配對捕捉過程中不能保證所捕捉到的顆粒個數以及種類，還容易產生堵塞問題；電場排隊方法是利用不同形式的介電電泳力同時結合Stokes力來實現顆粒的捕捉。優點是靈活性強，易于實現批量化；缺點是對不同尺寸和性能的顆粒配對捕捉控制難度大，成功率低。因此，針對上述技術問題，有必要提供一種新的微小顆粒配對捕捉芯片及方法。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種將流場與電場相結合的對不同尺寸微小顆粒配對捕捉芯片及方法。為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下
一種微小顆粒配對捕捉芯片，所述芯片包括基板、蓋板、位于基板上的微電極以及與微電極垂直設置的流道，所述流道包括入口、出口以及連接所述出口和入口的微通道，所述微電極與微通道在基板上垂直設置，所述微電極和微通道重合部分垂直位置的蓋板上設置有若干開口朝向所述入口的U型柱。作為本發明的進一步改進，所述微電極包括若干等間距間隔設置的第一電極和第二電極。作為本發明的進一步改進，所述第一電極上等間距地設有若干朝向入口凸出的半圓形第一電極凸出部，且相鄰的第一電極上的凸出部交錯設置。作為本發明的進一步改進，所述第二電極上等間距地設有若干朝向入口且與第二電極垂直設置的第二電極凸出部，所述第二電極凸出部與第一電極凸出部一一對應設置。作為本發明的進一步改進，所述U型柱設置于所述第二電極凸出部垂直位置的蓋板上，且U型柱的開口與第一電極凸出部的開口相對設置。·作為本發明的進一步改進，所述U型柱頂部與蓋板相連，U型柱底部與基板不接觸，存在一定的間隙，所述微小顆粒包括顆粒A和顆粒B，顆粒A的直徑大于顆粒B的直徑，所述間隙大于顆粒B的直徑且小于顆粒A的直徑。對應地，一種微小顆粒配對捕捉方法，微小顆粒包括顆粒A和顆粒B，所述顆粒A的直徑大于顆粒B的直徑，所述方法包括SI、從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒A的去離子水溶液，U型柱開始捕捉顆粒A ；S2、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒A ;S3、對芯片的微電極電極施加脈沖電壓，然后從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒B的去離子水溶液；S4、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒B。作為本發明的進一步改進，所述步驟SI、S2和S4中的額定流量為1.5μπι/π η，所述步驟S3中的額定流量為lym/min，步驟SI中的捕捉時間為15min，步驟S3中的捕捉時間為30min。作為本發明的進一步改進，所述步驟S3中的脈沖電壓為6V直流電壓，頻率為190kHz ο作為本發明的進一步改進，所述步驟SI前還包括從芯片的入口以I. 5 μ 1/min流量注入去離子水，清洗微通道并排除微通道中的氣體。本發明具有以下有益效果I、實現系統結構簡單，易于集成，通過優化設計的流道實現對配對顆粒中的大顆粒進行流場捕捉，讓后利用電場形成的介電電泳力和Stokes力完成配對顆粒中的小顆粒捕捉，因此利用目前的微流控芯片制作技術易于制作芯片，同時體積小和結構簡單容易集成在其他設備中；2、適應性好，通過調整流場和電場參數，可實現一定尺寸范圍內的顆粒配對捕捉;3、可實現規模化捕捉，通過對芯片的拓展設計即可實現規模化的配對捕捉。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發明一實施方式中微小顆粒配對捕捉芯片的俯視示意圖；圖2為圖I中微電極和微通道重合部分的局部放大圖；圖3為本發明一實施方式中微小顆粒配對捕捉芯片沿微電極方向的局部側視示意圖；圖4為本發明一實施方式中微小顆粒配對捕捉方法的流程·
圖5a、5b為本發明一實施方式中微小顆粒配對捕捉中流場捕捉大顆粒A的原理圖；圖6a、6b為本發明一實施方式中微小顆粒配對捕捉中電場捕捉小顆粒B原理圖。
具體實施例方式本發明公開了一種微小顆粒配對捕捉芯片，芯片包括基板、蓋板、位于基板上的微電極以及與微電極垂直設置的流道，流道包括入口、出口以及連接出口和入口的微通道，微電極與微通道在基板上垂直設置，微電極和微通道重合部分垂直位置的蓋板上設置有若干開口朝向入口的U型柱。同時本發明還公開了一種微小顆粒配對捕捉方法，所述方法包括SI、從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒A的去離子水溶液，U型柱開始捕捉顆粒A ；S2、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒A ;S3、對芯片的微電極電極施加脈沖電壓，然后從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒B的去離子水溶液；S4、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒B。本發明將流場與電場捕捉微小顆粒相結合，發揮二者的優勢，實現了對不同尺寸微小顆粒的配對捕捉的方法。為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。結合圖I 圖3所示，本發明的一種微小顆粒配對捕捉芯片，該芯片包括基板I和位于基板I上的蓋板3，其中，基板I上包括微電極10以及與微電極10垂直設置的流道20，該流道20包括入口 21、出口 22以及連接出口 22和入口 21的微通道23，微電極10與微通道23在基板I上垂直設置，優選地，在本實施方式中的芯片長度設置為6000微米，寬度設置為3000微米，其中流道20中的微通道的寬度設置為730微米。
圖2為圖I中微電極和微通道重合部分的局部放大圖,微電極10和微通道23重合部分設置有若干開口朝向入口 21的U型柱30。其中，微電極10包括若干等間距間隔設置的第一電極11和第二電極12，本實施方式中第一電極11為正電極，第二電極12為負電極。第一電極11上等間距地設有若干朝向入口 21凸出的半圓形第一電極凸出部111，且相鄰的第一電極上的凸出部交錯設置；第二電極12上等間距地設有若干朝向入口 21且與第二電極12垂直設置的第二電極凸出部121，第二電極凸出部121與第一電極凸出部111一一對應設置。U型柱30設置于第二電極凸出部121垂直位置的蓋板3上，且U型柱30的開口與第一電極凸出部111的開口在垂直位置上相對設置。參圖3所示，在本實施方式中，U型柱30頂部與蓋板3相連，U型柱30底部與基板I不接觸，存在一定的間隙，微小顆粒配對捕捉芯片所捕捉的微小顆粒包括顆粒A和顆粒B，顆粒A的直徑大于顆粒B的直徑，上述基板I和U型柱30底部垂直距離上的間隙大于顆粒B的直徑且小于顆粒A的直徑。進一步地，在本實施方式中，第一電極11和第二電極12的寬度設置為10微米，相鄰的兩個第一電極11的距離設置為105微米，同一個第二電極12上相鄰的兩個第二電極·凸出部121的距離為200微米，第一電極11上第一電極凸出部111為半徑35微米的半圓弧形。其中，本實施方式中第一電極11和第二電極12均設置為5個，U型柱30數量為3*5，在其他實施方式中各距離參數、電極數量以及U型柱可根據需求進行設置。參圖4所示,本實施方式中微小顆粒配對捕捉方法包括以下步驟SI、從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒A的去離子水溶液，U型柱開始捕捉顆粒A。本步驟中額定流量為I. 5 μ m/min,捕捉時間為15min ;S2、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒A。本步驟中額定流量為I. 5 μ m/min ；S3、對芯片的微電極電極施加脈沖電壓，然后從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒B的去離子水溶液。本步驟中脈沖電壓為6V直流電壓，頻率為190kHz，額定流量為I μ m/min,捕捉時間為30min ；S4、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒B。本步驟中額定流量為I. 5 μ m/min。進一步地,步驟SI前還包括從芯片的入口以I. 5 μ 1/min流量注入去離子水，清洗微通道并排除微通道中的氣體。為了實現不同尺寸微小顆粒(大尺寸顆粒A和小尺寸顆粒B)的配對捕捉，本發明將流場捕捉方法與電場捕捉方法相結合參圖5a、圖5b并結合圖3所示，含有大尺寸顆粒A的流體在流道中流過時，一個顆粒A在流場作用下被U型柱捕捉，當第二個顆粒經過此處時，由于第一個顆粒的存在而改變其周圍流場的方向，第二個顆粒將不能在此處被捕捉，在流場作用下被帶走，完成單個顆粒A的捕捉；參圖6a、圖6b并結合圖3所示，含有小尺寸顆粒B的流體在流道中流過時，一個顆粒B被電場捕捉到顆粒A正前方(電場最強點)，其余位置上由于電場強度不足以捕獲顆粒
B,因此顆粒B隨流場流走，進而完成顆粒B與顆粒A的配對捕捉。
采用上述芯片及方法對大尺寸顆粒A和小尺寸顆粒B進行配對捕捉，捕捉成功率達到75%左右。由上述技術方案可以看出，本發明將流場與電場相結合，發揮二者的優勢，實現了對不同尺寸微小顆粒的配對捕捉的方法，具有以下有益效果I、實現系統結構簡單，易于集成，通過優化設計的流道實現對配對顆粒中的大顆粒進行流場捕捉，讓后利用電場形成的介電電泳力和Stokes力完成配對顆粒中的小顆粒捕捉，因此利用目前的微流控芯片制作技術易于制作芯片，同時體積小和結構簡單容易集成在其他設備中；2、適應性好，通過調整流場和電場參數，可實現一定尺寸范圍內的顆粒配對捕捉;3、可實現規模化捕捉，通過對芯片的拓展設計即可實現規模化的配對捕捉。
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對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
權利要求
1.一種微小顆粒配對捕捉芯片，所述芯片包括基板、蓋板、位于基板上的微電極以及與微電極垂直設置的流道，其特征在于，所述流道包括入口、出口以及連接所述出口和入口的微通道，所述微電極與微通道在基板上垂直設置，所述微電極和微通道重合部分垂直位置的蓋板上設置有若干開口朝向所述入口的U型柱。
2.根據權利要求I所述的微小顆粒配對捕捉芯片，其特征在于，所述微電極包括若干等間距間隔設置的第一電極和第二電極。
3.根據權利要求2所述的微小顆粒配對捕捉芯片，其特征在于，所述第一電極上等間距地設有若干朝向入口凸出的半圓形第一電極凸出部，且相鄰的第一電極上的凸出部交錯設置。
4.根據權利要求3所述的微小顆粒配對捕捉芯片，其特征在于，所述第二電極上等間距地設有若干朝向入口且與第二電極垂直設置的第二電極凸出部，所述第二電極凸出部與第一電極凸出部一一對應設置。
5.根據權利要求4所述的微小顆粒配對捕捉芯片，其特征在于，所述U型柱設置于所述第二電極凸出部垂直位置的蓋板上，且U型柱的開口與第一電極凸出部的開口相對設置。
6.根據權利要求I所述的微小顆粒配對捕捉芯片，其特征在于，所述U型柱頂部與蓋板相連，U型柱底部與基板不接觸，存在一定的間隙，所述微小顆粒包括顆粒A和顆粒B，顆粒A的直徑大于顆粒B的直徑，所述間隙大于顆粒B的直徑且小于顆粒A的直徑。
7.—種如權利要求I所述的微小顆粒配對捕捉方法，微小顆粒包括顆粒A和顆粒B，所述顆粒A的直徑大于顆粒B的直徑，其特征在于，所述方法包括 51、從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒A的去離子水溶液，U型柱開始捕捉顆粒A ； 52、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒A; 53、對芯片的微電極電極施加脈沖電壓，然后從芯片的入口以額定流量注入含有顆粒B的去離子水溶液； 54、從芯片的入口以額定流量注入去離子水，清洗微通道中多余的顆粒B。
8.根據權利要求7所述的微小顆粒配對捕捉方法，其特征在于，所述步驟SI、S2和S4中 的額定流量為I. 5 μ m/min,所述步驟S3中的額定流量為lym/min,步驟SI中的捕捉時間為15min，步驟S3中的捕捉時間為30min。
9.根據權利要求8所述的微小顆粒配對捕捉方法，其特征在于，所述步驟S3中的脈沖電壓為6V直流電壓，頻率為190kHz。
10.根據權利要求8所述的微小顆粒配對捕捉方法，其特征在于，所述步驟SI前還包括 從芯片的入口以I. 5 μ Ι/min流量注入去離子水，清洗微通道并排除微通道中的氣體。
全文摘要
本發明公開了一種微小顆粒配對捕捉芯片及方法，所述芯片包括基板、蓋板、位于基板上的微電極以及與微電極垂直設置的流道，所述流道包括入口、出口以及連接所述出口和入口的微通道，所述微電極與微通道在基板上垂直設置，所述微電極和微通道重合部分設置有若干開口朝向所述入口的U型柱。本發明將流場與電場捕捉微小顆粒方法相結合，發揮二者的優勢，實現了對不同尺寸微小顆粒的配對捕捉的方法。
文檔編號B01J19/08GK102784675SQ201210286318
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者劉吉柱, 孫立寧, 李紹前, 潘明強, 陳濤, 陳立國 申請人:蘇州大學