一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统及其分选方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统及其分选方法，包括数字微流控芯片、综合电路和荧光激发与采集模块。所述数字微流控芯片与综合电路连接，荧光激发与采集模块分别与数字微流控芯片和综合电路连接。本发明专利技术所述基于数字微流控的荧光液滴分选系统在液滴的生成、运输及分选过程中全部是依靠芯片上介电润湿原理，因此不需添加第三方的实现机构，更容易实现系统的小型化，且过程中是对单个液滴的操控与分析，结合生物化学染色、荧光蛋白标记技术，可用于单个细胞、分泌蛋白或微生物的检测与分选，用于早期疾病诊断与治疗等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微流控
，具体涉及一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统及其分选方法。
技术介绍
目前已有的液滴分选方法，分选控制模块会作用于液滴流经的区域而非单个液滴本身，因此会出现分选不精准，漏选或错选的现象。其次，较常用使用的荧光液滴分选系统使用的连续微流控技术，采用基于玻璃或塑料的微流道来实现的，适用于一些简单的事先定义好的应用，难以实现复杂的处理，并且一般只能工作于串行模式，工作效率低。由于工作参数(如压强、流体阻力、电场强度等)在整个微流道系统中处处不同，微流体会受到整个微流道系统的影响，也易发生微粒阻塞流道的现象发生。目前常用的液滴分选系统中，生成液滴时大多需借助外接泵、鞘液及特殊构造的流道实现，这会造成系统的发杂度提升，不便于小型化的实现。（如专利CN201380039184.6）另外，常用的基于微流控的荧光液滴分选装置中，利用激发荧光信号检测样本微粒的方法已经得到广泛应用，如Zhenning Cao等人提出了Droplet sorting based on the number of encapsulated particles using a solenoid valve一文，但在检测到样本微粒后，已发展出的筛选机制如：光镊子、机械开关、水流传导力、介电泳等，存在技术手段昂贵、需微加工通道、需添加第三方分选模块等短板。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统及其分选方法，填补数字微流控技术应用于荧光液滴分选领域，进行单个特异性细胞、蛋白质等生物微粒检测和分析的空白。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统，包括数字微流控芯片、综合电路和荧光激发与采集模块；所述数字微流控芯片与综合电路连接，荧光激发与采集模块分别与数字微流控芯片和综合电路连接。所述数字微流控芯片为双极板结构，包括一个下极板、一个上极板和连接层，下极板和上极板平行设置，且上极板位于下极板上方，两者之间形成间隙，连接层位于所述间隙中。所述下极板从下到上依次包括下极板基底、 电极层、介电层和下极板疏水层， 电极层设置在下极板基底和介电层之间，下极板疏水层设置在介电层的上表面；所述上极板从下到上依次包括上极板疏水层、接地层和上极板基底。所述电极层包括蓄液配发单元、检测分选节点电极、两个液滴收集电极和三组通道电极阵列，以检测分选节点电极为中心，三组通道电极阵列一端分别与检测分选节点电极连接，另一端与蓄液配发单元和两个液滴收集电极分别连接。所述蓄液配发单元包括依次设置的蓄液电极、第一传输电极和第二传输电极，第二传输电极与通道电极阵列连接，第二传输电极的面积不大于第一传输电极的面积。所述综合电路包括依次连接的模拟荧光信号调制电路、采样控制电路、电极驱动电路和封装接口；数字微流控芯片通过封装接口固定在综合电路的电路板上，封装接口与数字微流控芯片的电极层连接。所述模拟荧光信号调制电路包括依次连接的前置放大电路、差分电路和低通滤波电路。所述采样控制电路包括依次连接的A/D转换模块和控制电路；A/D转换模块与低通滤波电路连接，控制电路与电极驱动电路连接。液滴到达检测分选节点电极后，经荧光激发与采集模块产生模拟荧光强度信号，模拟荧光强度信号经前置放大电路放大后，进入差分电路去除偏置，再进入低通滤波电路滤波去除噪声，之后经A/D转换模块变为数字信号，进入控制电路与所设定的强度阈值进行比较，根据比较结果控制电路会输出对应的控制指令，控制指令控制电极驱动电路输出相应变化规律的电压，并通过封装接口传输到数字微流控芯片上，从而实现对液滴的分选操控。所述封装接口包括pogo pin连接器、电路板接插件和电路板；pogo pin连接器和电路板接插件均焊接在电路板上，pogo pin连接器与数字微流控芯片的电极层连接；电路板接插件与综合电路连接。所述荧光激发与采集模块包括物镜、二向色镜、分光镜、扩束镜、激光器、光电倍增管、CCD、计算机和两个滤光片。物镜对准检测分选节点电极，共光轴依次设置激光器、扩束镜和二向色镜，共光轴依次设置物镜、二向色镜、分光镜、一个滤光片 和CCD，上述部件所在光轴为第一光轴，且物镜位于二向色镜的反射光路上，其中二向色镜和分光镜均与第一光轴存在夹角，另一个滤光片和光电倍增管依次设置在分光镜的反射光路上，CCD与计算机连接，光电倍增管与综合电路的模拟荧光信号调制电路连接。激光器产生的激光经扩束镜扩束后射入二向色镜，经二向色镜反射后通过物镜聚焦到准检测分选节点电极上，当包含荧光微粒的液滴经过时，液滴里的荧光微粒在激光的激发下产生荧光，荧光又依次通过物镜、二向色镜后进入分光镜，经分光镜分为反射荧光和透射荧光，反射荧光经滤光片后进入光电倍增管被检测，产生模拟荧光强度信号送入模拟荧光信号调制电路，透射荧光经滤光片后进入CCD被拍摄并显示在计算机上。一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统的分选方法，分选步骤如下：步骤1、将带有荧光颗粒与非荧光颗粒的液体置于数字微流控芯片的蓄液配发单元内，转入步骤2。步骤2、综合电路的控制电路控制电极驱动电路进行通断电，从而从蓄液配发单元产生一颗液滴，并通过与其连接的通道电极阵列将液滴搬运至检测分选节点电极，转入步骤3。步骤3、激光器产生的激光经扩束镜扩束后射入二向色镜，经二向色镜反射后通过物镜聚焦到准检测分选节点电极上，当包含荧光微粒的液滴经过时，液滴里的荧光微粒在激光的激发下产生荧光，荧光又依次通过物镜、二向色镜后进入分光镜，经分光镜分为反射荧光和透射荧光，反射荧光经滤光片后进入光电倍增管被检测，产生模拟荧光强度信号送入模拟荧光信号调制电路，透射荧光经滤光片后进入CCD被拍摄并显示在计算机上，转入步骤4。步骤4、产生模拟荧光强度信号送入模拟荧光信号调制电路后，经A/D转换模块变为数字信号，进入控制电路与所设定的强度阈值进行比较，根据比较结果控制电路会输出对应的控制指令，控制指令控制电极驱动电路输出相应变化规律的电压，并通过封装接口传输到数字微流控芯片上，从而实现对液滴的分选操控，转入步骤5。步骤5、返回步骤2，如此循环，直至蓄液配发单元内的液体被分选完。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）不借助泵及流道，凭借芯片自身产生离散液滴，将待分选的生物微粒包裹于液滴中，依托对液滴操作实现对生物微粒的操作，实现对单个液滴的分析检测，基本不会存在漏选的现象，是高精度、绝对定量化的检测。（2）基于开放式或半开放式芯片，液滴沿电极运动，所以避免了微流通道的加工过程及微粒阻塞流道的现象，芯片结构简单。（3）因为该筛选机制依据电润湿原理及芯片结构本身来驱动液滴，省去了第三方用于筛分的模块，降低了控制难度，便于系统小型化、减少了成本。附图说明图1为本专利技术基于数字微流控的荧光液滴分选系统的整体结构示意图。图2为本专利技术基于数字微流控的液滴分选芯片的结构示意图；其中(a)为其剖面结构示意图，(b)为其平面结构示意图。图3为本专利技术的综合电路结构框图。图4为本专利技术在图2的数字微流控芯片上实现液滴分选的原理图，A待分选大液滴、B生成小液滴、C正在被分选小液滴、D已分选非荧光小液滴、E已分选荧光小液滴、F为已收集非荧光液滴和G为已收集荧光液滴。具体实施方式下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统，其特征在于：包括数字微流控芯片（1）、综合电路（2）和荧光激发与采集模块（3）；所述数字微流控芯片（1）与综合电路（2）连接，荧光激发与采集模块（3）分别与数字微流控芯片（1）和综合电路（2）连接；所述数字微流控芯片（1）为双极板结构，包括一个下极板（11）、一个上极板（12）和连接层（13），下极板（11）和上极板（12）平行设置，且上极板（12）位于下极板（11）上方，两者之间形成间隙，连接层（13）位于所述间隙中；所述下极板（11）从下到上依次包括下极板基底（111）、 电极层（112）、介电层（113）和下极板疏水层（114）， 电极层（112）设置在下极板基底（111）和介电层（113）之间，下极板疏水层（114）设置在介电层（113）的上表面；所述上极板从下到上依次包括上极板疏水层（121）、接地层（122）和上极板基底（123）；所述电极层（112）包括蓄液配发单元（1121）、检测分选节点电极（1123）、两个液滴收集电极（1124）和三组通道电极阵列（1122），以检测分选节点电极（1123）为中心，三组通道电极阵列（1122）一端分别与检测分选节点电极（1123）连接，另一端与蓄液配发单元（1121）和两个液滴收集电极（1124）分别连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数字微流控的荧光液滴分选系统，其特征在于：包括数字微流控芯片（1）、综合电路（2）和荧光激发与采集模块（3）；所述数字微流控芯片（1）与综合电路（2）连接，荧光激发与采集模块（3）分别与数字微流控芯片（1）和综合电路（2）连接；所述数字微流控芯片（1）为双极板结构，包括一个下极板（11）、一个上极板（12）和连接层（13），下极板（11）和上极板（12）平行设置，且上极板（12）位于下极板（11）上方，两者之间形成间隙，连接层（13）位于所述间隙中；所述下极板（11）从下到上依次包括下极板基底（111）、 电极层（112）、介电层（113）和下极板疏水层（114）， 电极层（112）设置在下极板基底（111）和介电层（113）之间，下极板疏水层（114）设置在介电层（113）的上表面；所述上极板从下到上依次包括上极板疏水层（121）、接地层（122）和上极板基底（123）；所述电极层（112）包括蓄液配发单元（1121）、检测分选节点电极（1123）、两个液滴收集电极（1124）和三组通道电极阵列（1122），以检测分选节点电极（1123）为中心，三组通道电极阵列（1122）一端分别与检测分选节点电极（1123）连接，另一端与蓄液配发单元（1121）和两个液滴收集电极（1124）分别连接。2.根据权利要求1所述的基于数字微流控的荧光液滴分选系统，其特征在于：所述蓄液配发单元（1121）包括依次设置的蓄液电极（1121-1）、第一传输电极（1121-2）和第二传输电极（1121-3），第二传输电极（1121-3）与通道电极阵列（1122）连接，第二传输电极（1121-3）的面积不大于第一传输电极（1121-2）的面积。3.根据权利要求1所述的基于数字微流控的荧光液滴分选系统，其特征在于：所述综合电路（2）包括依次连接的模拟荧光信号调制电路（21）、采样控制电路（22）、电极驱动电路（23）和封装接口（24）；数字微流控芯片（1）通过封装接口（24）固定在综合电路（2）的电路板上，封装接口（24）与数字微流控芯片（1）的电极层（112）连接；所述模拟荧光信号调制电路（21）包括依次连接的前置放大电路（211）、差分电路（212）和低通滤波电路（213）；所述采样控制电路（22）包括依次连接的A/D转换模块（221）和控制电路（222）；A/D转换模块（221）与低通滤波电路（213）连接，控制电路（222）与电极驱动电路（23）连接；液滴到达检测分选节点电极（1123）后，经荧光激发与采集模块（3）产生模拟荧光强度信号，模拟荧光强度信号经前置放大电路（211）放大后，进入差分电路（212）去除偏置，再进入低通滤波电路（213）滤波去除噪声，之后经A/D转换模块（221）变为数字信号，进入控制电路（222）与所设定的强度阈值进行比较，根据比较结果控制电路（222）会输出对应的控制指令，控制指令控制电极驱动电路（23）输出相应变化规律的电压，并通过封装接口（24）传输到数字微流控芯片（1）上，从而实现对液滴（14）的分选操控。4.根据权利要求3所述的基于数字微流控的荧光液滴分选系统，其特征在于：所述封装接口（24）包括pogo pin连接器（241）、电路板接插件（242）和电路板；pogo pin连接器（241）和电路板接插件（242）均焊接在电路板上，pogo pin连接器（241）与数字微流控芯片（...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟强，曹康，万莹，苏岩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32