连续的整体芯片三维DEP细胞分选器及相关制造方法技术

一种三维PDMS细胞分选器，该三维PDMS细胞分选器具有在PDMS层中的多个通路，所述多个通路在DEP分离区域中遵循相同路径并在该区域中彼此流体连通。各通路在横向于通路内流动方向的宽度上可以不同。在PDMS层之间可以夹有平坦板。每个板可具有平坦电极，该平坦电极用于在通路内流动的样品流体内产生DEP场。该DEP场可将目标细胞或颗粒集中在DEP分离区域内的通路之一内。各通路可以在DEP分离区域之后岔开，留下具有高度集中的目标细胞或颗粒的一个通路。还提供了这种结构以及其它微流控结构的制造技术。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】连续的整体芯片三维DEP细胞分选器及相关制造方法相关申请交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2012年3月27日提交的题为“CONTINUOUSWHOLE-CHIP3-DIMENSIONALDEPCELLSORTERANDITSFABRICATION”的美国临时专利申请第61/616,385号和2013年3月15日提交的题为“CONTINUOUSWHOLE-CHIP3-DIMENSIONALDEPCELLSORTERANDRELATEDFABRICATIONMETHOD”的美国临时专利申请第61/799,451号的权益，两者的全部内容以引用的方式纳入本文。政府许可权本专利技术在由自然科学基金授予的批准号为第0901154号的美国政府支持下进行。美国政府在该专利技术中享有一定权利。
技术介绍
微流控装置对不同流体夹带样品进行小规模的流体操控具有一个成本-效益机制。例如，一些微流控装置可用来对流体样品中所含有的细胞进行输送、分选和分析。多层软光刻(MSL)是迄今为止使用最广泛的用于制造微流控装置的方法。已有多种装置用来提供通用的微流控功能，包括液体输送、混合和计量，这些装置从简单的单层聚二甲基硅氧烷(PDMS)通道，到具有气动控制泵和阀的多层结构。已有以微流控多路复用器的形式实现了微流控大规模集成(MLSI)，例如芯片实验室装置，从而对用于进行复杂的多步骤生化分析的数以千计的阀门和数百个腔室进行单独寻址。到目前为止，大部分的多层PDMS装置被证明是不是真正的三维微流控装置。虽然多层二维微流控网络可堆叠，但是由于难以高产率地制造用于不同层流体性连接的高精度穿层孔，因此通常不存在层间流体的连通。如果没有穿层孔，则对于大型三维微流控网络而言，液体的输送和界面交互就成了复杂的问题。微流控装置可提供的一个功能是细胞或颗粒分选。例如，流体样品可具有夹带在其中的各种不同类型的细胞或颗粒，且其可能需要将特定类型的细胞或颗粒从总体样品分离或集中。介电电泳(DEP)是用来分选细胞或颗粒的最常用的机制。DEP是指由于颗粒的感应电偶极与所施加的电场之间的相互作用而引起的沿电场梯度的感应颗粒运动。作用于悬浮在介质中的球形颗粒、FDEP的DEP力可表示为：其中，r是颗粒半径，K是克劳修斯-莫索蒂(Clausius–Mossotti)因子，E是电场强度，ω是外加磁场的角频率，和ε1是介质的介电常数。由于所得到的力取决于电场强度梯度颗粒可以被吸向场内的任何不均质物质，例如由微图案化模板上的金属斑块所产生的。球形粒子的信号(sign)和有效极化率可以表示为：其中，σ1是介质的导电率，而ε2和σ2是颗粒的介电常数和导电率。如果Re[K]是正的，颗粒朝向强电场区域移动；相反，如果Re[K]是负的，颗粒则运动至低电场区域。因此，经受非均匀电场的细胞或颗粒经历由DEP效应引起的力。该力的大小取决于各种因素，包括细胞或颗粒的电介质信号(dielectricsignature)以及电场的频率。根据所使用的DEP场和该场内个体细胞或颗粒的特性，细胞或颗粒可以经历正DEP(经历沿增加强度方向推细胞或颗粒的力)或负DEP(经历沿与增加强度方向相反的方向推细胞或颗粒的力)。很多情形中，基于细胞或颗粒的特性、用于输送这些细胞或颗粒的常用介质、以及微流控系统的电特性，由DEP引起的细胞或颗粒运动实际上约限于100μm/s。通过对感兴趣的细胞或颗粒用分子(例如标记或未标记的抗体)、或用某些感兴趣的细胞或颗粒的特异性小珠进行标签，可以改变或增强细胞或颗粒的DEP反应。如此，以允许使用DEP来更容易地分离靶细胞或颗粒。虽然这种加标签可以增强DEP技术，但这在很多情况下并非必要。图1显示了二维DEP细胞分选器100的一个例子。图1仅显示出细胞分选器100的PDMS层的部分俯视图；在实际中，PDMS层夹在两个板之间，例如玻璃板(图中未示出)。PDMS层可包括样品通道102和缓冲通道104，这两个通道平行于彼此延伸并通过薄壁116彼此分开。流体样品和缓冲剂可以经由其对应的通道从左向右(相对于图1的定向)流入分选器。薄壁116可以具有开口118，开口118使样品通道102与缓冲剂通道104之间的流体连通。图案化电极106可以以一定角度延伸并穿过样品通道102；所述图案化电极106可以在两个板上各自形成图案。当使用交流电流来在电极之间产生电压时，在图案化电极106之间的样品通道102流过的样品流体内就会产生电磁场。根据电磁场的频率，一些细胞，例如“方形”细胞110，可以被抽向最大磁场强度，而“圆形”细胞108则可被排斥或不受影响。当在样品通道102和缓冲剂通道104中流体流动从左向右(相对于图1的定向)行进时，电磁场的角度特性(由于图案化电极106的角度)可以导致方形细胞110被抽向缓冲剂通道104。在开口118端部之后，已经朝向缓冲剂通道104分流的方形细胞110可以流入收集通道112，而圆形细胞可以流入废物通道114。图2显示了二维DEP细胞分选器200的另一个例子。该情形中，细胞分选器200包括将缓冲剂通道104括在一起的两个样品通道202。流体样品可以经由样品通道202流入细胞分选器200，而中性缓冲剂可以经由缓冲剂通道204流入细胞分选器200。该缓冲剂/样品的组合流体流过分选区域，该分选区包含多个图案化电极206。当图案化电极206以特定频率通电时，所得到的电磁场可以使方形细胞210朝向细胞分选器200的中心转移，而圆形细胞208可以朝向细胞分选器200的外边缘转移或停留在细胞分选器200的外边缘。然后，集中在中心的方形细胞210可以流入收集通道212，而圆形细胞208可以流入废物通道214。二维细胞分选器通常具有最大流速，超过该最大流速时，细胞分选的功能丧失或显著弱化。由DEP产生的力以及由此DEP使细胞移动穿过流体流并使其流入收集通道位置的速率，受到了电极的大小和形状以及其它系统特性的限制。如果流体流动速率足够快，使得在由DEP效应产生的力可重新定位细胞并流入收集通道之前，细胞就流过了所述图案化电极，则细胞将不能被有效地分选。这限制了二维细胞分选器的最大流量，且因此限制了二维细胞分选器的最大处理能力。这种二维DEP细胞分选器由此通常限于约1毫米/秒的最大流率，这又限制了这种细胞分选器的处理能力。
技术实现思路
附图和下面的描述共同阐述了本说明书中描述的主题的一种或多种实施方式的细节。通过说明书、附图和权利要求书，其它特征、方面和优点将变得明显。应注意，除非特别指出是按比例绘制的附图，以下附图的相对尺寸可能不按比例绘制。各方面中，本文所考虑的专利技术可包括但不限于下面任何一个或多个实施例：实施例1：一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：第一电极；第二电极；电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：所述电绝缘层包括分离通路，所述分离通路的壁部分地由所述第一电极和所述第二电极界定，所述电绝缘层包括收集通路，所述收集通路在横截面厚度上小于所述分离通路并位于所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置，所述分离通路形状做成产生电磁场，所述电磁场导致介电电泳作用将响应的细胞或颗粒抽至所述第一电极与所述第二电极之间的位置，该位置实质上与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维介电电泳(DEP)分选装置，该装置包括：第一电极；第二电极；以及电绝缘层，所述电绝缘层夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中：所述电绝缘层包括分离通路，所述分离通路的壁部分地由所述第一电极和所述第二电极界定，所述电绝缘层包括收集通路，所述收集通路在横截面厚度上小于所述分离通路并位于所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置，所述分离通路形状做成产生电磁场，所述电磁场导致介电电泳作用将响应的细胞或颗粒抽至所述第一电极与所述第二电极之间的位置，该位置实质上与所述收集通路的电极间位置相对应，以及所述收集通路和所述分离通路构造成使得被抽至所述分离通路中的在所述第一电极与所述第二电极之间的电极间位置的细胞或颗粒随后流入所述收集通路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.27 US 61/616,385;2013.03.15 US 61/799,4511.一种三维介电电泳分选装置，该装置包括：第一电极层；第二电极层；电绝缘层，所述电绝缘层介于所述第一电极层与所述第二电极层之间并具有第一子层和第二子层；位于所述第一子层中的第一通路；以及位于所述第二子层中的第二通路；其中：所述第一电极层、所述第二电极层以及所述电绝缘层形成基本平坦的组件，所述第一电极层在所述第一子层的与第二子层相反的侧上，所述第二电极层在所述第二子层的与第一子层相反的侧上，所述第一通路和所述第二通路遵循所述电绝缘层的介电电泳分离区域内的共同路径并在所述介电电泳分离区域内彼此直接流体连通，所述第一通路和所述第二通路每个具有不同的垂直于所述共同路径并垂直于标准基本平坦组件的横截面宽度，以及在后介电电泳分离区域中，所述第一通路从所述第二通路岔开，所述后介电电泳分离区域位于所述介电电泳分离区域的下游。2.根据权利要求1所述的三维介电电泳分选装置，进一步包括：所述电绝缘层的第三子层；以及位于所述第三子层中的第三通路；其中：所述第二子层介于所述第一子层与所述第三子层之间，所述第三子层介于所述第二子层与所述第二电极层之间，所述第三通路遵循在所述介电电泳分离区域内的所述共同路径并与所述介电电泳分离区域内的第二通路直接流体连通，所述第三通路具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准的基本平坦组件的横截面宽度，该横截面宽度不同于所述第二通路的横截面宽度，以及在所述后介电电泳分离区域中，所述第三通路从所述第二通路岔开。3.根据权利要求2所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽度小于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。4.根据权利要求2所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第二通路的横截面宽度大于所述第一通路和所述第三通路的横截面宽度。5.根据权利要求2至4任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一通路、所述第二通路以及所述第三通路沿垂直于所述介电电泳分离区域内的所述共同路径并平行于所述基本平坦组件的方向上位于彼此的正中心。6.根据权利要求1所述的三维介电电泳分选装置，进一步包括：一个或多个附加的通路，每个位于附加的子层中，其中：所述一个或多个附加的通路包括第三通路，所述一个或多个附加的通路遵循所述电绝缘层的介电电泳分离区域内的共同路径并在所述介电电泳分离区域内彼此直接流体连通且与所述第一通路和所述第二通路流体连通，所述一个或多个附加的通路每个具有垂直于所述共同路径并垂直于所述标准基本平坦组件的横截面宽度，每个特定的附加通路的横截面宽度不同于与该特定的附加通路相邻的每个附加通路的横截面宽度，以及所述一个或多个附加通路中的至少一个在后介电电泳分离区域中从所述第二通路岔开。7.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层包括在所述介电电泳分离区域中的图案化电极。8.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层是基本平坦的板，所述基本平坦的板具有面向所述电绝缘层的导电表面。9.根据权利要求8所述的三维介电电泳分选装置，进一步包括：所述导电表面基本上延伸穿过所有的电绝缘层。10.根据权利要求8所述的三维介电电泳分选装置，进一步包括：所述导电表面在由所述介电电泳分离区域和所述第一通路的侧壁界定的区域中或者由所述介电电泳分离区域和所述第二通路的侧壁界定的区域中是均匀的。11.根据权利要求8所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：一个或两个所述导电表面涂覆有厚度小于2微米的非导电涂层。12.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是聚二甲基硅氧烷结构。13.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是通过将多层单独的聚二甲基硅氧烷层结合在一起而形成的聚二甲基硅氧烷结构。14.根据权利要求13所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一子层由一层或多层单独的聚二甲基硅氧烷层形成，以及所述第二子层由一层或多层单独的聚二甲基硅氧烷层形成。15.根据权利要求13所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括不同材料组合的复合结构。16.根据权利要求15所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述电绝缘层是包括悬浮在聚二甲基硅氧烷中的非聚二甲基硅氧烷材料的复合结构。17.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一子层的厚度为1微米至100微米，而所述第二子层的厚度为10微米至100微米。18.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一子层的厚度为100微米至500微米，而所述第二子层的厚度为100微米至500微米。19.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置，其特征在于：所述第一通路的横截面宽度为至少1微米，而所述第二通路的横截面宽度为至少2微米。20.根据权利要求1至4和6任一项所述的三维介电电泳分选装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱培钰，黄国威，范育睿，龚育谆，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US