单细胞多参数表征微流控器件制造技术

本发明专利技术公开了一种单细胞多参数表征微流控器件，包括：微流道通过可逆的方式进行键合；多个立体电极嵌入在微流道中，用于细胞旋转；光纤拉伸器包括第一个光纤和第二光纤，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的第一个光纤和第二光纤，使得在细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。该器件可以通过光纤拉伸器捕获和拉伸单细胞，从而在维持细胞空间位置稳定的情况下，有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。

Single cell multi parameter characterization of microfluidic devices

The invention discloses a single-cell multi-parameter characterization microfluidic device, which includes: the microfluidic channel is bonded in a reversible way; multiple stereo electrodes are embedded in the microfluidic channel for cell rotation; and the optical fiber stretcher includes the first and second optical fibers, which cause the change of photomomentum by light irradiation on the cell so as to make the microfluidic channel rotate. Scattering force and gradient force are generated in the cell axial and normal directions, and the first and second optical fibers are arranged relatively, so that the force balance in the cell axial and normal directions can be achieved to form light traps for capturing and stretching single cells. The device can capture and stretch single cells by optical fiber stretcher, which can effectively improve the stability and accuracy of cell electrical rotation measurement and achieve accurate measurement of single cell electrical parameters while maintaining the stability of cell spatial position.

【技术实现步骤摘要】
单细胞多参数表征微流控器件
本专利技术涉及微流控器件
，特别涉及一种单细胞多参数表征微流控器件。
技术介绍
细胞标志物是指可供客观测定和评价的细胞的生化指标，通过对细胞标志物的测定可以获知机体当前所处的生物学过程中的进程。检查具有某种特异性的细胞标志物，对于疾病的鉴定、早期诊断及预防、治疗过程中的监控有重要作用，所以测量表征细胞标志物已经成为目前研究的一个重要热点。其中，细胞的机械特性和电学特性是细胞的固有属性，可以作为细胞标志物，对细胞的机械特性和电学特性进行同时测量具有非常重大的意义。细胞的机械特性，尤其是弹性模量，作为细胞标记物可以反映细胞的细胞骨架特性。细胞骨架不仅提供了机械强度，而且还实现了许多重要的细胞功能。其中，由细胞骨架引起的形态学变化实际上对癌症是诊断性的。一个细胞的骨架含量和结构变化可以在细胞的整体机械性能中得到反映，故通过对单细胞进行多参数的表征可以让研究者更全面深入的探究单细胞。但是目前只有少数实验技术能够评估细胞的机械性能。目前常用的测量细胞机械特性的技术主要有光镊和原子力显微镜，然而这些技术都有一定的应用局限性。光镊使用的汇聚光很容易灼伤细胞，且需要高成本的光学仪器和繁琐的操作。原子力显微镜技术则采用探针进行扫描测量，只能测量贴壁细胞，且同样需要昂贵的设备和复杂的操作。这两种技术都是只能测量细胞相对较小区域的弹性表面，并非真正的单细胞测量。细胞电学特性在生物学中多用于描述细胞存活率、生长情况、识别不同的细胞类型等。电学参数与细胞的结构和化学组成密切相关，可以通过研究细胞的电学特性来探究其生理机能。定量的分析细胞电学参数能够反映了细胞的介电特性，可以作为标定细胞类型的标记物。其中，细胞电学参数主要包括细胞膜、细胞质的电导率和介电常数。目前细胞电学特性可以通过多种方法实现，包括微电阻抗谱、阻抗流式细胞仪和电旋转方法，其中电旋转方法是精确提取细胞膜和内部电学特性的唯一方法。在旋转电场作用下，细胞会发生极化并受到旋转电场产生的扭矩而发生旋转。通过测量细胞在溶液中的旋转谱对细胞电学参数进行评估，能够测量出细胞各种电学参数，如细胞单位膜电容，细胞质电导率等。但是目前的电旋转方法多采用平面电极，由于旋转的速度与电场大小有关，在平面电极中，不同的位置旋转的速度是有差异的，导致测量精度差，不能准确地表征细胞的电学参数。同时细胞会受到流体力和重力等作用导致在空间不稳定，由于介电泳力远离电极后衰减很快，故很难利用介电泳力对单细胞进行空间位置固定。综上所述，相关技术的缺点具体为：(1)细胞旋转时空间位置的不稳定性：因细胞容易受到流体力和重力等外界作用力的影响，细胞旋转前和旋转过程中质心不稳容易发生平移。常用的细胞旋转方法都是基于平面电极，由于电旋转的速度与电场分布有关，在平面电极中，不同的位置旋转的速度是有差异的，从而影响测量的精度，不能准确的表征细胞的电学参数。(2)细胞机械性能测量方法的局限性：常用的单细胞机械性能测量手段只能对细胞进行局部的机械性能测量，无法真实反映出单细胞整体的机械特性。(3)单细胞表征单一性：多数技术只能对单细胞的某一个单项机械电学特性进行测量表征，无法进行多参数表征。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种单细胞多参数表征微流控器件，该器件可以有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。该器件利用光纤拉伸器实现高效的捕获单细胞，为细胞电旋转提供稳定的质心位置；利用光纤拉伸器对单细胞进行机械性能的测试；利用竖直电极对单细胞进行旋转，并以旋转谱实现对单细胞的电学特性的表征。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种单细胞多参数表征微流控器件，包括：微流道，所述微流道通过可逆的方式进行键合；多个立体电极，所述多个立体电极嵌入在所述微流道中，用于细胞旋转；光纤拉伸器，所述光纤拉伸器包括第一个光纤和第二光纤，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的所述第一个光纤和所述第二光纤，使得在所述细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。本专利技术实施例的单细胞多参数表征微流控器件，通过光纤拉伸器捕获和拉伸单细胞，不仅能够为单细胞电旋转提供稳定的空间位置，而且能够通过对细胞的拉伸形变测量单细胞的机械特性，从而在维持细胞空间位置稳定的情况下，有效提高细胞电旋转测量的稳定性和准确性，实现单细胞精确的电参数测量。提供了一种结合光纤拉伸技术和介电泳技术，能够对单细胞进行多参数表征的微流控器件，具有双光纤捕获拉伸单细胞和细胞电旋转两个操作功能，这两个操作进一步允许对单细胞机械性能、电学参数同时进行测量。该器件利用光纤拉伸原理高效快速的捕获和拉伸单细胞，并且利用三维电极精确实现单细胞的稳定旋转，通过分析单细胞的形变特征与旋转谱线能够实现对单细胞的机械和电学特性表征。基于该器件对单细胞在操作和分析上的多功能性，能够在单细胞研究领域发挥重要作用。另外，根据本专利技术上述实施例的单细胞多参数表征微流控器件还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：悬浮液的进口和出口，以通过所述悬浮液的进口导入细胞悬浮液，且通过所述悬浮液的出口导出多余悬浮液。可选地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：用于支撑的基底。可选地，在本专利技术的一个实施例中，所述多个立体电极为第一至第四竖直电极，其中，所述第一至第四竖直电极通过与图案化的导电的所述基底键合进行引出。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，光纤的方向垂直于流道方向。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构俯视图；图3为根据本专利技术一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的结构剖面图；图4为根据本专利技术一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的单细胞多参数表征微流控器件的使用流程框图；图6为根据本专利技术一个实施例的光纤拉伸器设计原理的单条光线在细胞上的传播情况图；图7为根据本专利技术一个实施例的光纤拉伸器设计原理的光梯度力的不同情况分析图；图8为根据本专利技术一个实施例的一个单细胞被捕获和拉伸的实例图；图9为根据本专利技术一个实施例的一个细胞的阶跃应力拉伸响应曲线示意图；图10为根据本专利技术一个实施例的电旋转原理图；图11为根据本专利技术一个实施例的海拉细胞在电场下做顺时针旋转运动轨迹示意图；图12为根据本专利技术一个实施例的细胞单壳模型和等效的均一球体模型图；图13为根据本专利技术一个实施例的海拉细胞和淋巴细胞的旋转谱示意图。附图标记说明：10-单细胞多参数表征微流控器件、100-微流道、101-细胞悬浮液的进口、102-细胞悬浮液的出口、103-主流道、200-多个立体电极、201-204-第一至第四竖直电极、300-光纤拉伸器、301-第一个光纤、302-第二个光纤、400-基底。具体实施方式下面详本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单细胞多参数表征微流控器件，其特征在于，包括：微流道，所述微流道通过可逆的方式进行键合；多个立体电极，所述多个立体电极嵌入在所述微流道中，用于细胞旋转；光纤拉伸器，所述光纤拉伸器包括第一个光纤和第二光纤，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的所述第一个光纤和所述第二光纤，使得在所述细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。

【技术特征摘要】
1.一种单细胞多参数表征微流控器件，其特征在于，包括：微流道，所述微流道通过可逆的方式进行键合；多个立体电极，所述多个立体电极嵌入在所述微流道中，用于细胞旋转；光纤拉伸器，所述光纤拉伸器包括第一个光纤和第二光纤，以通过光照射在细胞上而引起光动量变化，使得在细胞轴向和法向上产生散射力和梯度力，并且由于相对布置的所述第一个光纤和所述第二光纤，使得在所述细胞轴向和法向上实现作用力平衡形成光阱，以捕获和拉伸单细胞。2.根据权利要求1所述的单细胞多参数表征微流控器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文会，黄亮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11