用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，包括：微流控芯片、光信号激发与检测模块、数据采集分析与控制模块、压电驱动模块和泵控模块。本发明专利技术采用压电元件激发表面波声场，利用细胞的物理性质进行粗筛，可去除部分非目标物，有利于提高精筛的纯度和俘获率；同时还可以对样品起到清洗和三维聚焦作用，以利于提高后续检测和精筛的准确度；在精筛区采用压电元件激发声表面波推动流体中的目标细胞偏离原有路径，可快速实现细胞分选，同时由于是机械力作用于细胞，不影响其活性；本发明专利技术的系统对细胞无损伤，可用于常规的流式细胞分选，也可用于稀有细胞的筛选，对促进无创产前筛查、肿瘤预后检测具有十分重要意义。

Microfluidic chip system for screening rare cells

The invention discloses a microfluidic chip system for screening rare cells, including: microfluidic chip, optical signal excitation and detection module, data acquisition and analysis module, piezoelectric driving module and pump control module. The invention adopts the piezoelectric element wave field, the physical property of coarse cell, can remove part of the non target, is conducive to the purity and improve the fine sieve trapping rate; at the same time also to the cleaning and three-dimensional focusing effect on the sample, in order to improve subsequent detection and fine screening accuracy in fine sieve; the piezoelectric element excited surface acoustic wave in the fluid drive target cells deviate from the original path, can realize cell sorting at the same time because it is fast, mechanical force acting on the cell, does not affect its activity; the system of the invention can be used without damage to cells, flow cytometry sorting routine, which can be used for screening rare cells. Non invasive prenatal screening is of great significance to promote the detection, prognosis.

【技术实现步骤摘要】
用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统
本专利技术涉及微流控芯片、生物颗粒检测及操控
，特别涉及一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统。
技术介绍
检测捕捉血液中微乎其微的稀有细胞，有助于疾病的早期诊断与患者的病情监测。现有流式细胞分选仪存在体积庞大、结构复杂，需反复清洗管道、人工费时的问题；且其分选过程在空气中完成，体系开放，会产生包含细胞、细菌、病毒等样品的气溶胶污染，限制了其临床应用。目前BD、BeckmanCoulter等公司的细胞分选系统大多采用了Jet-in-Air的静电偏转分离方式(美国专利3710933号、3826364号)，虽然可以高速分离细胞，但是由于其较高的流体剪切力会对细胞产生损害，影响其活性和基因表达。如在再生细胞治疗、干细胞研究中，利用传统静电细胞分选仪分选的细胞存在存活率低的问题。同时在细胞再生、转基因样品或者病毒/细菌感染过的样品研究中，确保环境的密闭和无菌性是非常关键的问题，基于微流控芯片的细胞分选系统有着广泛的前景。现有的微流控细胞分选方案，例如电渗流、电泳、气动控制、机械阀、光镊、光致热凝胶等分选方案存在分选速度慢或结构复杂、昂贵的问题；一些高通量的细胞分选方法如膜过滤法、介电电泳、超声、表面声波分离方法等依赖于细胞自身特性，其普适性差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，包括：微流控芯片、光信号激发与检测模块、数据采集分析与控制模块、压电驱动模块和泵控模块；所述微流控芯片包括一压电基片和密封贴附于所述压电基片上的一盖片，所述压电基片上涂覆有粗筛叉指电极和精筛叉指电极，所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极用于产生实现细胞分选的声场；在所述微流控芯片上的粗筛叉指电极处形成粗筛区，进行目标细胞的初筛，在所述微流控芯片上的精筛叉指电极处形成精筛区，进行目标细胞的精筛，在所述微流控芯片上的粗筛区和精筛区之间设置有检测区；所述光信号激发与检测模块包括光斑激发调制系统和光信号检测系统，所述光信号激发与检测模块用于产生激光以激发流经所述微流控芯片的检测区的细胞产生荧光和散射光，并对产生的荧光和散射光进行收集和检测，形成光信号信息，再将得到的光信号信息转换为电信号后发送到所述数据采集分析与控制模块；所述数据采集分析与控制模块用于：产生泵控触发信号，以对所述泵控模块进行控制；产生粗筛触发信号，以控制粗筛叉指电极动作；对从所述光信号激发与检测模块接受到的电信号进行处理形成处理结果，并对该处理结果是否满足用户设定的精筛条件进行判断，当判断该处理结果满足用户设定的精筛条件时，则产生精筛触发信号，控制精筛叉指电极动作；所述压电驱动模块用于将接收到的粗筛触发信号和精筛触发信号转换成高电压信号以分别驱动所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极产生需要的声场；所述泵控模块包括泵驱动模块、样品泵、鞘液泵、粗筛废液泵和精筛废液泵。优选的是，所述盖片底部开设有管道凹槽及与所述管道凹槽连通且贯通所述盖片的多个开孔，所述盖片密封贴附于所述压电基片上，使处于所述盖片和压电基片之间的所述管道凹槽形成微管道。优选的是，所述微管道包括样品管道、鞘液管道、由所述样品管道和鞘液管道汇聚后形成的粗筛管道、由粗筛管道通过所述粗筛区后分叉形成的粗筛废液管道和检测管道及由检测管道通过所述精筛区后分叉形成的精筛废液管道和目标物管道。优选的是，所述开孔包括与所述样品管道的进样端连通的样品进液孔、与所述鞘液管道的进液端连通的鞘液进液孔、连通于所述粗筛废液管道末端的粗筛废液排液孔、连通于所述精筛废液管道末端的精筛废液排液孔及连通于所述目标物管道末端的目标物排液孔。优选的是，所述盖片的材质为塑料或者玻璃，所述压电基片的材质为压电陶瓷、压电单晶或压电复合材料。优选的是，所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极的电极结构为平行式、聚焦式或变宽式，所述粗筛叉指电极上施加的电压波形为正弦波或方波，所述精筛叉指电极上施加的电压波形为方波包络的正弦波或波包络的方波。优选的是，在精筛区对于目标细胞的判定时，采用正选法或者反选法，采用正选法时，以符合目标细胞特性的信号作为判断依据，控制精筛叉指电极的动作；采用反选法时，以符合非目标细胞特性的信号作为判断依据，控制精筛叉指电极的动作。优选的是，所述微管道中的每个管道的宽度均为10～500μm、高度均为20～200μm，所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极的单指宽度均为5～100μm。优选的是，所述光斑激发调制系统包括激光器、反射镜、第一柱透镜和第二柱透镜，所述光斑激发调制系统产生激光并形成用于照射流经所述检测区的细胞的椭圆光斑。优选的是，所述光信号检测系统包括荧光收集镜、第一二向色镜、第二二向色镜、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第三干涉滤光片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一探测器、第二探测器和第三探测器。本专利技术至少包括以下有益效果：1、采用压电元件激发表面波声场，利用细胞的物理性质进行粗筛，可去除部分非目标物，有利于提高精筛的纯度和俘获率；同时还可以对样品起到清洗和三维聚焦作用，以利于提高后续检测和精筛的准确度；2、在精筛区采用压电元件激发声表面波推动流体中的目标细胞偏离原有路径，可快速实现细胞分选，同时由于是机械力作用于细胞，不影响其活性；3、本专利技术的微流控芯片由多层含有微小管道的塑料、金属或聚合物材料键合、粘接而成，整体结构无菌密封，对存在生物危害的样品也能适用，微流控芯片即插即用，无需清洗，避免了各个样品间的交叉污染，一次性使用后可丢弃分选芯片；本专利技术的系统对细胞无损伤，可用于常规的流式细胞分选，也可用于稀有细胞的筛选，对促进无创产前筛查、肿瘤预后检测具有十分重要意义。附图说明图1为本专利技术的用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统的系统结构示意框图；图2为本专利技术的微流控芯片的结构示意图；图3a为本专利技术的平行式叉指电极的示意图；图3b为本专利技术的聚焦式叉指电极的示意图；图3c为本专利技术的变宽式叉指电极的示意图；图4为本专利技术的微流控芯片上的微管道的示意图；图5a为本专利技术的粗筛过程的分选示意图；图5b为本专利技术的检测过程的示意图；图5c为本专利技术的精筛过程的分选示意图；图6a为本专利技术的声表面行波驱动细胞运动的原理图；图6b为本专利技术的声表面驻波驱动细胞运动的原理图；图7为本专利技术的光斑激发调制系统的结构示意图；图8为本专利技术的光信号检测系统的结构示意图；图9为本专利技术的对系统控制的原理框图。附图标记说明：30—样品管道；31—鞘液管道；32—粗筛管道；33—粗筛废液管道；34—检测管道；35—精筛废液管道；36—目标物管道；40—差异细胞；41—相似细胞；42—目标细胞；43—驻波节点；50—粗筛区；51—检测区；52—精筛区；53—粗筛叉指电极；54—精筛叉指电极；60—压电基片；61—盖片；66—样品进液孔；67—鞘液进液孔；68—粗筛废液排液孔；69—精筛废液排液孔；70—目标物排液孔；71—激光器；72—反射镜；73—第一柱透镜；74—第二柱透镜；80—荧光收集镜；81—第一二向色镜；82—第二二向色镜；83—第一干涉滤光片；84—第二干涉滤光片；85—第三干涉滤光片；86—第一透镜；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，其特征在于，包括：微流控芯片、光信号激发与检测模块、数据采集分析与控制模块、压电驱动模块和泵控模块；所述微流控芯片包括一压电基片和密封贴附于所述压电基片上的一盖片，所述压电基片上涂覆有粗筛叉指电极和精筛叉指电极，所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极用于产生实现细胞分选的声场；在所述微流控芯片上的粗筛叉指电极处形成粗筛区，进行目标细胞的初筛，在所述微流控芯片上的精筛叉指电极处形成精筛区，进行目标细胞的精筛，在所述微流控芯片上的粗筛区和精筛区之间设置有检测区；所述光信号激发与检测模块包括光斑激发调制系统和光信号检测系统，所述光信号激发与检测模块用于产生激光以激发流经所述微流控芯片的检测区的细胞产生荧光和散射光，并对产生的荧光和散射光进行收集和检测，形成光信号信息，再将得到的光信号信息转换为电信号后发送到所述数据采集分析与控制模块；所述数据采集分析与控制模块用于：产生泵控触发信号，以对所述泵控模块进行控制；产生粗筛触发信号，以控制粗筛叉指电极动作；对从所述光信号激发与检测模块接受到的电信号进行处理形成处理结果，并对该处理结果是否满足用户设定的精筛条件进行判断，当判断该处理结果满足用户设定的精筛条件时，则产生精筛触发信号，控制精筛叉指电极动作；所述压电驱动模块用于将接收到的粗筛触发信号和精筛触发信号转换成高电压信号以分别驱动所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极产生需要的声场；所述泵控模块包括泵驱动模块、样品泵、鞘液泵、粗筛废液泵和精筛废液泵。...

【技术特征摘要】
1.一种用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，其特征在于，包括：微流控芯片、光信号激发与检测模块、数据采集分析与控制模块、压电驱动模块和泵控模块；所述微流控芯片包括一压电基片和密封贴附于所述压电基片上的一盖片，所述压电基片上涂覆有粗筛叉指电极和精筛叉指电极，所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极用于产生实现细胞分选的声场；在所述微流控芯片上的粗筛叉指电极处形成粗筛区，进行目标细胞的初筛，在所述微流控芯片上的精筛叉指电极处形成精筛区，进行目标细胞的精筛，在所述微流控芯片上的粗筛区和精筛区之间设置有检测区；所述光信号激发与检测模块包括光斑激发调制系统和光信号检测系统，所述光信号激发与检测模块用于产生激光以激发流经所述微流控芯片的检测区的细胞产生荧光和散射光，并对产生的荧光和散射光进行收集和检测，形成光信号信息，再将得到的光信号信息转换为电信号后发送到所述数据采集分析与控制模块；所述数据采集分析与控制模块用于：产生泵控触发信号，以对所述泵控模块进行控制；产生粗筛触发信号，以控制粗筛叉指电极动作；对从所述光信号激发与检测模块接受到的电信号进行处理形成处理结果，并对该处理结果是否满足用户设定的精筛条件进行判断，当判断该处理结果满足用户设定的精筛条件时，则产生精筛触发信号，控制精筛叉指电极动作；所述压电驱动模块用于将接收到的粗筛触发信号和精筛触发信号转换成高电压信号以分别驱动所述粗筛叉指电极和精筛叉指电极产生需要的声场；所述泵控模块包括泵驱动模块、样品泵、鞘液泵、粗筛废液泵和精筛废液泵。2.根据权利要求1所述的用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，其特征在于，所述盖片底部开设有管道凹槽及与所述管道凹槽连通且贯通所述盖片的多个开孔，所述盖片密封贴附于所述压电基片上，使处于所述盖片和压电基片之间的所述管道凹槽形成微管道。3.根据权利要求2所述的用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统，其特征在于，所述微管道包括样品管道、鞘液管道、由所述样品管道和鞘液管道汇聚后形成的粗筛管道、由粗筛管道通过所述粗筛区后分叉形成的粗筛废液管...

【专利技术属性】
技术研发人员：马玉婷，王策，吴云良，严心涛，裴智果，钟金凤，陈忠祥，武晓东，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32