專利名稱：全血離心分離芯片及其制備方法
技術領域：
本發明屬于微機電系統領域，具體涉及一種用于生物樣品分離、檢測、分析的全血離心分離芯片及芯片的制備方法。
背景技術：
二十一世紀是交叉學科發展的時代，特別是生物芯片的研制和生化檢測技術。傳感技術是信息獲取的一個重要手段，利用傳感技術獲取生物樣品的信息是生物檢測技術發展的一個重要內容。結合生物技術和微機電系統(MEMS)技術的BioMEMS (生物微機電系統)技術可以將生命科學研究中的不連續分析過程(如樣品制備、化學反應和分析檢測)實現連續化、集成化、微型化，從而獲得所謂的微全分析系統。該系統包括進樣、分離、反應和檢測，廣義的系統還涉及到輸運，其最終目標是在微芯片上實現化學全分析，以之取代常規分析實驗室的所有功能。與傳統儀器相比，微全分析系統具有體積小、重量輕、成本低、便攜帶、防污染、 分析過程自動化、分析速度快、所需樣品和試劑少等諸多優點，對生物學、分析化學、醫學等相關領域產生了革命性的影響，成為MEMS技術研究中的重要領域。在微全分析系統的早期研究中，檢測技術一直被研究得較多，獲得了較快的發展。 然而，樣品分離等前處理技術作為該系統中不可或缺的組成部分，卻發展相對緩慢，已經成為整個分析過程中的瓶頸，它制約著生化分析的發展。現有的樣品前處理技術往往在片外實現，大多存在費時、勞動強度大、難以實現自動化、精密度差、樣品以及其他生化試劑消耗量大等缺點，而且經常是測定誤差的主要原因。傳統的樣品分離技術已不能滿足 μ TAS(Micro total analysis system)發展的需要，有必要開發一種新的微分離技術。利用微加工技術制造的微型化生物樣品預處理器，具有分析效率高、樣品與試劑消耗少(微升級)、能耗低、集成度高等許多優點。微加工技術為微量生化樣品的前處理和分析檢測提供了強有力的技術支持。這種樣品處理芯片在生物檢測、毒物鑒定、DNA分析、細胞分離與富集、藥物準備和藥物輸送等方面都會得到很廣泛的應用，成為微全分析系統研究的熱點。綜上所述，微分離心系統作為發展微型生化分析系統的重要部分，在生物醫學與化學分析領域有著廣闊的應用前景，設計一種結構簡單、體積小、便于集成的微分離器，不僅具有較高的精度，還具有很高的可靠性，開發分離芯片與微流體驅動系統各個組件的加工工藝，以及系統集成技術將是一項具有挑戰性的、有意義的工作。
發明內容
本發明的目的在于提供一種全血離心分離芯片，可利用MEMS體硅和表面微機械加工技術制備。本發明提供的全血離心分離芯片如圖1所示。芯片上設有渦旋式微流體通道，該微流體通道繞行的中心處為進樣口，在微流體通道內設有至少一排的微立柱柵欄，所述微立柱柵欄將微流體通道分成兩個或多個流道，上述流道連接不同的出樣口。
利用微型泵或注射泵將混有不同大小的全血細胞從離心分離芯片的進樣口注入1.對于兩排微立柱柵欄情況如圖1 (a)所示兩排微立柱柵欄將微流體通道由內至外依次分成內流道、中間流道和外流道。所述內流道與白細胞出樣口相連，所述中間流道與紅細胞出樣口相連，所述外流道與血漿出樣口相連。本發明利用離心力和微立柱柵欄的立柱間距大小(第二排微立柱間隙小于第一排微立柱間隙)進行分離。具體是小于第一排微立柱間隙的紅細胞和血漿在微流道中運動過程中被分離到中間流道，而大于第一排微立柱間隙的白細胞在微流道中運動過程仍在內道。小于第二排微立柱間隙的血漿在微流道中運動過程中被分離到外流道，而大于第二排微立柱間隙的紅細胞在微流道中運動過程仍在中間流道。2.對于一排微立柱柵欄情況如圖1(b)所示微立柱柵欄將微流體通道由內至外依次分成內流道和外流道。所述內流道與白細胞和紅細胞出樣口相連，所述外流道與血漿出樣口相連。利用離心力和微立柱陣列間距大小進行全血分離，小于微立柱間隙的血漿在微流道中運動過程中被分離到外流道，而大于微立柱間隙的紅細胞和白細胞在微流道中運動過程仍在內流道。本發明離心分離芯片的微流體通道、微立柱柵欄為多個微立柱排列而成，它可以加工在硅片上，也可以利用模具復制的方式加工在聚合物材料上。與本發明芯片鍵合在一起的是聚合物材料或玻璃材料。所述微流體通道為半圓對扣形式或阿基米德螺線形式，繞行中心處的圈數至少為 3圈，每圈的寬度為50-500 μ m。進樣口的直徑為500-800 μ m。所述微立柱柵欄的立柱橫截面為圓形，其直徑為至少為6μπι。所述微立柱柵欄的立柱橫截面為正方形，其邊長為至少為6 μ m。本發明還提供了一種全血離心分離芯片的制備方法，包括步驟(a)處理、清洗硅片；(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕(ICP)硅30 200 μ m左右，形成微流體通道、微型立柱柵欄、進樣口和出樣口 ；(d)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；(e)處理、清洗硅片，并在其表面涂上脫膜劑；(f)將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在80°C烘箱中烘烤1 小時左右；(g)將固化的PDMS切成與有微流道的硅片一樣大，并在相應的進樣口和出樣口位置打孔；(h)將PDMS和硅片鍵合的表面用氧離子處理；(i)將PDMS和硅片按相應的位置進行鍵合，在微流體通道進樣口和出樣口安裝金屬菅。本發明還提供了一種全血離心分離芯片的制備方法，包括步驟(a)處理、清洗硅片；
(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕(ICP)硅30 200 μ m左右，形成微流體通道、微型立柱柵欄、進樣口和出樣口的模具；(d)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；(e)處理、清洗所述模具，并在其表面涂上脫模劑；(f)將無氣泡的PDMS均澆在模具上，靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小時；(g)將固化了 PDMS從模具上剝離，并切分每個單元；(h)處理、清洗培養皿，并在其表面涂上脫模劑；(i)將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小時；(j)將固化的PDMS切成與具有微流體通道的硅片同樣大小，并在相應的微流體通道進樣口和出樣口位置打孔；(k)將PDMS的上下兩個鍵合表面用氧離子處理；(i)將兩片PDMS按相應的位置進行鍵合，在進樣口和出樣口安裝金屬管。本發明還提供了一種全血離心分離芯片的制備方法，包括步驟(a)處理、清洗硅片；(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕硅30 200 μ m,形成微流體通道、微立柱柵欄；(d)將硅片正面與玻璃陽極鍵合，形成硅玻璃片；(e)采用干法、濕法或CMP的方法將鍵合后的硅玻璃片背面的硅結構層減薄；(f)硅片背面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(g)深刻蝕進、出樣口的通孔；(h)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；處理、清洗培養皿，并在其表面涂上脫模劑；將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小時；(i)將固化的PDMS切成與具有微流道的硅片同樣大小，并在相應的微流體通道進樣口和出樣口位置打孔；(j)將PDMS和硅玻璃片鍵合的表面用氧離子處理，鍵合并安裝上進出口的金屬管。本發明充分利用全血中的紅細胞和白細胞尺寸不同、紅細胞易變形的特點，結合離心分離技術的優點以及MEMS工藝技術特點，提出了一種新型全血離心分離芯片，采用渦旋狀微溝道、雙排(或單排)錯流過濾相結合，利用微泵將全血樣品注入離心分離芯片，通過第一排微立柱間的3 μ m左右縫隙將白細胞分離出來，再利用第二排立柱間小于1 μ m的縫隙將紅細胞與血漿分離。若將具有雙排立柱的微流道變成一排立柱微流道，可以用來分離細胞和血漿。該分離芯片可以用于紅細胞、白細胞和血漿的同時分離，還可以用于其他功能微粒的分離。通過微流體系統與微流控驅動系統的單芯片集成，為形成包括采樣、進樣、 分離、反應、檢測功能的真正芯片提供加工技術、微封裝技術和微生化芯片檢測生化反應的微機理，可帶來新的科學突破。
本發明優點在于(1)分離芯片采用離心分離與梳齒相結合的方法，提高了分離效率，避免了分離過程的阻塞；(2)實現了硅-聚合物、聚合物-聚合物、玻璃-硅-聚合物的三種結構，實現了多種材料的加工方法，可以降低成本；(3)采透明聚合物或玻璃加工，可以在分離過程中實時觀察分離效果，減小分離過程中的失誤，提高了工作效率；(4)通過微流體通道的設計，本發明全血離心分離芯片的結構緊湊，芯片的總面積減小，分離效率提高。該芯片的分離過程耗時短。
圖1的(a)-(b)是依照本發明實施例的全血離心分離芯片的結構示意圖；圖2的(a)-(g)是依照本發明一個實施例的全血離心分離芯片制備工藝流程圖；圖3的(a)-(i)是依照本發明另一實施例的全血離心分離芯片制備工藝流程圖；圖4的(a)-(h)是依照本發明又一實施例的全血離心分離芯片制備工藝流程圖；其中，1 芯片；2 進樣口 ；3 出樣口 ；4 微流體通道；5 內側微立柱柵欄；6 外側微立柱柵欄；7 蓋片的通孔；8 硅片；9 光刻膠；10 脫模劑；11,14 =PDMS ；12 金屬管；13 模具；15 玻璃；41 內流道；42中間流道；43 外流道。
具體實施例方式下面結合附圖，通過具體實施例，對本發明作進一步闡述。本發明提供了一種全血離心分離芯片，包括芯片1、進樣口 2，出樣口 3。所述出樣口 3共有三個，分別為白細胞出樣口 31、紅細胞出樣口 32和血漿出樣口 33。如圖1(a)所示，芯片1包括半圓對扣形式或阿基米德螺線形式的微流體通道4，以及沿所述微流體通道 4內的流動方向(即微流體通道的周向)布置于所述微流體通道4內的兩個個微立柱柵欄， 所述微立柱柵欄是多個微立柱排列而成，分別為內側微立柱柵欄5和外側微立柱柵欄6。本發明全血離心分離芯片微流體通道4內還可只設有一排微立柱柵欄5，如圖1中的(b)所示。微流體通道4繞行中心處的圈數為4圈，各圈之間的間隔為200-400μπι。芯片的進樣口 2的直徑為500-800 μ m。內側微立柱柵欄5和外側微立柱柵欄6將微流體通道4分成內流道41、中間流道42和外流道43。內側微立柱柵欄5的微立柱之間的距離為3-10μπι，優選為3μπι。外層微立柱柵欄6的微立柱之間的距離為1-3μπι，優選為Ιμπι。內層微立柱柵欄5和外層微立柱柵欄6的截面為圓形或正方形。圓形的分離效果最好，因此內層微立柱5 和外層微立柱6的截面優選為圓形。圓形直徑可取為6-30 μ m,正方形邊長可取6-30 μ m。 尺寸小于6 μ m時，在加工或分離實驗中，易適成立柱斷裂，如果尺寸大于30 μ m時，容易加工，但分離溝道中用于分離的縫隙較少，分離效率分降低。利用微型泵或注射泵將混有不同大小的血細胞從芯片的進樣口 2注入，利用離心力和微立柱陣列間距大小進行分離，小于內側微立柱柵欄5間隙的細胞在微流道中運動過程中被分離到中間流道42，而大于內側微立柱柵欄5間隙的細胞在微流道中運動過程仍在內流道41，小于外側微立柱柵欄6間隙的細胞在微流道中運動過程中被分離到外流道43，而大于外側微立柱柵欄6間隙的細胞在微流道中運動過程仍在內流道42。內流道41、中間流道42和外流道43分別對應白細胞出樣口、紅細胞出樣口和血漿出樣口。改變芯片1上內側微立柱柵欄5和外側微立柱柵欄6的間距，可以用于不同尺寸的血細胞(例如慢回轉生物反應器中培養細胞用到的micro beads等)的分離。實施例1 在硅片上加工出離心分離器本實施例的結構參見圖1，工藝流程參見圖2。1)芯片的硅片結構工藝流程(a)處理、清洗硅片8 ；(b)在硅片正面甩光刻膠9、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕(ICP)硅ΙΟΟμπι左右，形成微流體通道4、微型立柱柵欄5、 6、進樣口 2、三個出樣口 3 ；2)芯片的蓋片聚合物工藝流程(d)處理、清洗硅片8，并在其表面涂上脫模劑10 ；(e)將無氣泡的硅橡光刻膠(PDMS) 11均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在 80°C烘箱中烘烤1小時左右；(f)將固化的PDMSll切成與有微流道的硅片一樣大，并在相應的進樣口和出樣口位置打孔。將PDMS和硅結構鍵合的表面用氧離子處理，適當增加鍵合強度，否則在進樣時會漏液；(g)將PDMS和硅片結構按相應的位置進行鍵合，安裝上進出口的金屬管12。實施例2 用聚合物加工出離心分離器本實施例的結構參見圖1，工藝流程參見附圖3。1)分離器的聚合物結構工藝流程(a)處理、清洗硅片8 ；(b)在硅片正面甩光刻膠9、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕(ICP)硅ΙΟΟμπι左右，形成微流體通道4、微型立柱柵欄、 進樣口和出樣口；(d)處理、清洗硅結構模具13，并在其表面涂上脫模劑10，將無氣泡的PDMSll均澆在硅結構的模具13上，并靜置平坦化，然后在80°C烘箱中烘烤1小時左右；(e)將固化了 PDMS從硅模具13上剝離，并切分每個單元；2)蓋片聚合物工藝流程(f)處理、清洗硅片8，并在其表面涂上脫模劑10 ；(g)將無氣泡的PDMS14均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在80°C烘箱中烘烤 1小時左右；(h)將固化的PDMS14切成與有微流道的硅片一樣大，并在相應的進樣口和出樣口位置打孔；(i)將上下兩個鍵合表面用氧離子處理，適當增加鍵合強度，否則在進樣時會漏液，將兩片PDMS按相應的位置進行鍵合，安裝上進出口的金屬管12。實施例3 三明治結構的離心分離器本實施例的工藝流程參見圖4。
(a)處理、清洗硅片8 ；(b)在硅片正面甩光刻膠9、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕(ICP)硅50 μ m左右，形成微流體通道4、微型立柱柵欄、進樣口 2、出樣口 3 (與方法一結構類似)；(d)硅片正面與玻璃15陽極鍵合；(e)將鍵合后的硅玻璃片的背面減薄硅片，可以采用干法、濕法或CMP的方法；(f)硅片背面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(g)深刻蝕出進出樣口 ；(h)將固化的PDMSll切成與硅片一樣大，并在相應的進樣口和出樣口位置打通孔；將PDMS和硅結構鍵合的表面用氧離子處理，適當增加鍵合強度，安裝上進出口的金屬管12。本發明克服了當前分離芯片結構復雜、制備工藝難度大、分離效率低等缺點，實現一個低成本、高性能、高效率的微型片上細胞分離片上集成結構微分析平臺，利用MEMS體硅和表面微機械加工技術來制備離心分離器的片上分析系統。最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
權利要求
1.一種全血離心分離芯片，其特征在于，芯片上設有渦旋式微流體通道，該微流體通道繞行的中心處為進樣口，在微流體通道內設有至少一排的微立柱柵欄，所述微立柱柵欄將微流體通道分成兩個或多個流道，上述流道連接不同的出樣口。
2.如權利要求1所述的全血離心分離芯片，其特征在于，所述微流體通道為半圓對扣形式或阿基米德螺線等任意可展開曲線形式，繞行圈數至少為3圈，每圈的寬度為 50-500 μm0
3.如權利要求2所述的全血離心分離芯片，其特征在于，所述微流體通道內設有兩排微立柱柵欄，兩個微立柱柵欄將微流體通道分成三個寬度相同的流道，位于微流體通道內側的微立柱柵欄的立柱間距為3-10 μ m，另一微立柱柵欄的立柱間距為1-3 μ m，兩個微立柱柵欄的立柱高度相同或外側微立柱柵欄的立柱高度略低于內側微立柱柵欄的立柱高度。
4.如權利要求3所述的全血離心分離芯片，其特征在于，所述微立柱柵欄的每個微立柱的橫截面為正方形或圓形，圓形的微立柱的直徑至少為6 μ m,正方形的微立柱的邊長至少為6μ 。
5.如權利要求1所述的全血離心分離芯片，其特征在于，所述進樣口的直徑為 500-800 μm0
6.一種權利要求1-5任一項所述全血離心分離芯片的制備方法，其特征在于，包括步驟(1-1)芯片制備；(a)處理、清洗硅片；(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕硅30 200μ m,形成微流體通道、微立柱柵欄、進樣口和出樣Π ；(1-2)蓋片制備；(d)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；(e)處理、清洗培養皿，并在其表面涂上脫模劑；(f)將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分鐘到1小時；(g)將固化的PDMS切成與具有微流體通道的硅片同樣大小，并在相應的微流體通道進樣口和出樣口位置打若干個通孔；(1-3)蓋片和芯片鍵合；(h)將PDMS和硅片鍵合的表面用氧離子處理；(i)將PDMS和硅片按相應的位置進行鍵合，在微流體通道進樣口和出樣口安裝金屬管。
7.—種權利要求1-5任一項所述全血離心分離芯片片的制備方法，其特征在于，包括步驟(1-1)芯片制備；(a)處理、清洗硅片；(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕硅30 200μ m,形成微流體通道、微立柱柵欄、進樣口和出樣口的模具；(d)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；(e)處理、清洗所述模具，并在其表面涂上脫模劑；(f)將無氣泡的PDMS均澆在模具上，靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分鐘到1 小時；(g)將固化了PDMS從模具上剝離，并切分每個單元； (1-2)蓋片制備；(h)處理、清洗培養皿，并在其表面涂上脫模劑；(i)將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤1小時； (j)將固化的PDMS切成與具有微流體通道的硅片同樣大小，并在相應的微流體通道進樣口和出樣口位置打若干個通孔； (1-3)蓋片和芯片鍵合；(k)將PDMS的上下兩個鍵合表面用氧離子處理；(1)將兩片PDMS按相應的位置進行鍵合，在進樣口和出樣口安裝金屬管。
8. —種權利要求1-5任一項所述全血離心分離芯片的制備方法，其特征在于，包括步驟(1-1)芯片制備；(a)處理、清洗硅片；(b)在硅片正面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(c)在硅片正面深刻蝕硅30 200μ m,形成微流體通道、微立柱柵欄；(d)將硅片正面與玻璃陽極鍵合，形成硅玻璃片；(e)采用干法、濕法或CMP的方法將鍵合后的硅玻璃片背面的硅結構層減薄；(f)硅片背面甩光刻膠、前烘、光刻、顯影、后烘；(g)深刻蝕進、出樣口； (1-2)蓋片制備；(h)將PDMS與其固化劑按10 1的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡；處理、清洗培養皿，并在其表面涂上脫模劑；將無氣泡的PDMS均澆在培養皿內，并靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分鐘到1小時；(i)將固化的PDMS切成與具有微流道的硅片同樣大小，并在相應的微流體通道進樣口和出樣口位置打若干個通孔；(1-3)蓋片和芯片鍵合；(j) PDMS和硅玻璃片鍵合的表面用氧離子處理，鍵合并安裝上進出口的金屬管。
全文摘要
本發明公開了一種全血離心分離芯片，屬于微機電系統領域。本發明在芯片上設有渦旋式微流體通道，該微流體通道繞行的中心處為進樣口，在微流體通道內設有至少一排的微立柱柵欄，微立柱柵欄將微流體通道分成兩個或多個流道，流道連接不同的出樣口。本發明利用微泵將全血樣品注入離心分離芯片后，通過微立柱柵欄間的縫隙將細胞與血漿分離。本發明結構緊湊，芯片的總面積減小，分離效率提高，且該芯片的分離過程耗時短。
文檔編號G01N33/48GK102175840SQ201010614438
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者李志宏, 王瑋, 耿照新, 鞠衍睿 申請人:北京大學