一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法。在离心力和声辐射力双重作用下，根据不同细胞的密度，体积和压缩率，实现对目标细胞无修饰、无损害的成功分选。此器件由价格低廉的玻璃，利用激光切割和打孔技术，制备出符合驻波产生条件的微沟道，通过热键合方法将空白玻璃和具有螺旋微沟道的玻璃键合在一起，形成密封腔室。本发明专利技术制备的全透明声体波微流控芯片，操作简单，成本低廉，并且有利于对循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞、微粒等样品的分选。此设备分选细胞，无修饰，无损伤，不影响细胞的活性，有利于对分选后的细胞进行进一步的检测，在临床上有很大的应用空间。

A fully transparent spiral acoustic bulk wave microfluidic sorting chip and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法
本专利技术属于微全分析系统领域，特别涉及一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法。
技术介绍
微流控芯片将样片预处理、反应、分离、检测等集成在一块微米尺度的芯片上，具有集成度高，试剂消耗少，制作成本低，分析效率高等特点，在物理、化学、生物等领域展示很好的应用前景。传统的微流控芯片有很多种，可以基于尺寸，磁性以及抗原抗体的特异性结合来分选。但这些微流控芯片在临床应用中还存在很多的问题。比如，采用滤膜结构的微流控芯片，因为部分细胞尺寸的重叠，会造成分选效率很低，此外在处理病人血样本的过程中，血液中的其它杂质会将滤膜堵塞。采用磁性分选的微流控芯片，磁颗粒易团聚，难以去除多余的磁颗粒，也在一定程度上限制了其在医学方面的应用。利用抗原抗体的特异性结合，可以提高捕获纯度及效率，但捕获之后，无法将抗原抗体分开，一系列的修饰与释放，对细胞的活性会产生很大的影响。但微流控芯片的缺点是通量比较低，有时不能满足临床上大批量处理样本的需求。声镊技术的提出大大增加了样本的通量，利用声波来操控微粒或细胞。通过压电材料的压电效应产生0.1～10MHz的超声波，通过信号产生器和功率放大器调节声波信号，两列由同一声源产生的超声波叠加在声学谐振腔内形成稳定的驻波声场。在声学辐射力的作用下，不同微粒或细胞产生不同位移，从而达到分选的目的。目前，在体波器件的制备中，通常采用干法和湿法刻蚀的方法，在单晶硅上制备出微沟道，然后采用阳极键合的方式将玻璃和硅片键合在一起，最后在硅片底部贴上PZT压电陶瓷片，从而形成声体波芯片。这种体波芯片，工艺复杂，耗材昂贵，对设备(热蒸发仪，电感耦合等离子体设备，阳极键合仪)要求较高，因器件不透光，实验结果在显微镜下观察比较困难。螺旋式沟道单纯利用离心力可以对细胞进行分选，但不可以富集。
技术实现思路
针对目前微流控芯片在医学前期诊断和治疗中存在的问题，本专利技术旨在提供一种成本低廉，制备工艺简单的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片及其制备方法。本专利技术所制备的微流控芯片采用全透明的玻璃片进行组装，材料成本低廉，组装设备要求低，极大地降低了生产成本，可用于在无修饰、无损伤、不影响细胞的活性条件下分选细胞，利于对分选后的细胞进一步检测。本专利技术制备的芯片均由透明材料组成。玻璃经过激光加工制备出符合半波长整数倍的微米级沟道，双面均镀有掺锡氧化铟(ITO)导电薄膜层的铌酸锂单晶作为压电材料粘贴于声学谐振腔的底部作为声波产生器，并在两面引出两根铜线作为信号输入导线。全透明的器件，有利于对循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞和微粒等样品的分选效果进行观测。普通玻璃的应用，易于操作的同时也大大缩减了器件成本。不同频率的压电材料对应不同深度的沟道，也对应不同的通量，可以根据临床需求，快速方便地调整器件的参数。采用激光加工来制备芯片，便于实现大规模的器件集成化。全透明螺旋式声体波微流控芯片可用于分选细胞，分选过程中细胞无修饰，无损伤，不影响细胞的活性，有利于对分选后的细胞进行进一步的检测。压电材料产生的驻波谐振腔，可以使目标细胞集中在波节处，所有的目标细胞集中在同一水平面上，便于对分选的细胞进行收集，在未来的临床医学上有非常大的应用空间。本专利技术提供的技术方案如下：一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，由玻璃片堆叠的声学谐振腔和压电材料构成，其结构如下：(1)所述声学谐振腔由两块玻璃片堆叠形成；(2)所述声学谐振腔的上层玻璃片加工有微米级螺旋沟道用于循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞、微粒等样品的分选，还开有与沟道连通的孔位作为进出样口；(3)所述声学谐振腔的下层玻璃片结构完整用于谐振腔的封装；(4)所述压电材料双面镀有导电薄膜粘贴于声学谐振腔底部，并在两面引出两根铜线作为信号输入导线。具体的，上述步骤(1)中声学谐振腔的上层玻璃片的沟道通过激光加工形成，沟道深度符合半波长的整数倍。具体的，使用压电材料的谐振频率是3.8MHz，螺旋沟道宽度500μm，对应的深度为200μm。具体的，上述玻璃片之间采用低温预键合和马弗炉分段升温的方法进行封接。具体的，上述沟道在玻璃片的平面上为螺旋状。沟道为两圈螺旋线，最外侧螺圈的直径为20mm。螺旋式沟道相比于直沟道，可以减少小颗粒的扩散，进一步提高分选效率。在螺旋式沟道中，单纯利用离心力可以对细胞进行分选，但不可以富集，和声场结合，分选的同时可以对颗粒或细胞进行富集，提高了分选的效率和纯度。具体的，上述步骤(2)中的进出样口通过转换接头连接到容器中。优选的，转换接头为Peek生物转接头，用环氧树脂将Peek生物转接头与玻璃出口的打孔处粘结起来。具体的，上述步骤(4)中压电材料为双面均镀有掺锡氧化铟导电薄膜层的铌酸锂单晶。具体的，上述铌酸锂单晶厚度为1mm，36°Y切，单晶谐振频率是3.8MHz。本专利技术的另一目的在于提供上述分选芯片的制备方法，包括以下步骤：(1)设计模板根据理论计算来调整微沟道的参数；使用单晶的谐振频率是3.8MHz，螺旋沟道宽度500μm，对应的深度为200μm；沟道为两圈螺旋线。优选的，两圈螺旋线五个半圆来组成，最外侧螺圈的直径为20mm，从大到小，圆的直径依次为20mm,19mm,18mm,17mm,16mm；(2)加工玻璃切割两块大小的玻璃，其中一块用于加工沟道，另一块用于封装；优选的，玻璃片的厚度为1mm；用于加工沟道的玻璃片，根据模板尺寸，利用激光加工制备出符合半波长整数倍的微米级沟道，然后进行打孔，作为进样口和出样口；(3)集成器件将两块玻璃片通过热键合的方法进行封装，形成密封的腔室；(4)构造谐振腔在深度符合半波长整数倍的沟道底部，将一定尺寸的具有压电效应的铌酸锂单晶粘贴在底部，两面引出导线，利用功率放大器进行驱动。图1-3示出了本专利技术的提供的微流控芯片的结构。本专利技术还提供了上述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片在无修饰、无损伤、不影响细胞活性条件的细胞分选中的应用。微流控芯片分选细胞的原理是离心力和声辐射力共同作用，流体动力学分选是根据迪恩拉力去和惯性力竞争，致使不同尺寸的粒子分布在不同的平衡位置，从而使循环肿瘤细胞，白细胞，血小板分选开来。声辐射力的作用，使得已经分选的各种细胞进一步富集，从而提高了分选的效率和纯度。图4(a)是细胞在芯片沟道内仅在离心力作用下的受力示意图，图4(b)是在仅离心力作用下对不同细胞分选的理论示意图；流体动力学分离的原理是在弯曲的微流体通道内诱发作用在粒子上的迪恩拉力去和惯性力竞争，致使不同尺寸的粒子分布在不同的平衡位置。曲线的通道内悬浮的中性粒子要经受由梯度切变力和壁效应组成的惯性力作用。梯度切变力是由速度抛物线产生的且与它的切变率梯度有关，方向由曲线微通道中心直接指向墙壁；壁效应是由墙壁附近的粒子的不对称唤醒诱发的，并且有把粒子推向远离墙壁的趋势。两种效应竞争的结果是粒子集中在特定的平衡位置。惯性力作用使粒子在通道中心和墙壁之间迁移，理论预测可表述为：FL＝fL(Re，xL)·ρU2a4/Dh2(1)这里，系数fL是雷诺数Re(Re＝ρUDh/μ)和粒子在通道横断面内的位置xL(与通道中心的距离)的函数。U是微通道内的最大速度，ρ和μ分别表示密度和流体的动态黏度，Dh是微通道的驱动力直径(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，由玻璃片堆叠的声学谐振腔和压电材料构成，其特征在于：(1)所述声学谐振腔由两块玻璃片堆叠形成；(2)所述声学谐振腔的上层玻璃片加工有微米级螺旋沟道用于循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞、微粒等样品的分选，还开有与沟道连通的孔位作为进出样口；(3)所述声学谐振腔的下层玻璃片结构完整用于谐振腔的封装；(4)所述压电材料双面镀有导电薄膜粘贴于声学谐振腔底部，并在两面引出两根铜线作为信号输入导线。

【技术特征摘要】
1.一种全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，由玻璃片堆叠的声学谐振腔和压电材料构成，其特征在于：(1)所述声学谐振腔由两块玻璃片堆叠形成；(2)所述声学谐振腔的上层玻璃片加工有微米级螺旋沟道用于循环肿瘤细胞、胎儿有核红细胞、微粒等样品的分选，还开有与沟道连通的孔位作为进出样口；(3)所述声学谐振腔的下层玻璃片结构完整用于谐振腔的封装；(4)所述压电材料双面镀有导电薄膜粘贴于声学谐振腔底部，并在两面引出两根铜线作为信号输入导线。2.根据权利要求1所述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，其特征在于：所述步骤(1)中声学谐振腔的上层玻璃片的沟道通过激光加工形成，沟道深度符合半波长的整数倍。3.根据权利要求1所述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，其特征在于：使用压电材料的谐振频率为3.8MHz，螺旋沟道宽度500μm，对应的沟道深度为200μm。4.根据权利要求1所述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，其特征在于：所述玻璃片之间采用低温预键合和马弗炉分段升温的方法进行封接。5.根据权利要求1所述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，其特征在于：所述沟道在玻璃片的平面上为螺旋状。6.根据权利要求1所述的全透明螺旋式声体波微流控分选芯片，其特征在于：所述步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：国世上，李蕊，崔恒，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42