电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片及制备方法

摘要

本发明公开了一种电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片及制备方法，由PDMS盖片(1)与具有盖片形状和大小相适应的基片(2)键合而成，基片(2)上至少设置有一对微小电极(8)，盖片上有微流控管道，基片(2)上设置有微小电极的一面和与之形成接触的盖片上的微流控管道接触面对准键合，实现对微流控管道的封闭；微流控管道由进样口(4)、一根主管道(7)和出样口(3)组成，主管道(7)具有样品导入管道(10)、收缩检测管道(11)和最狭窄部位(5)。本发明避免了使用鞘流聚焦技术所必需的复杂管道和流体控制系统，优化的结构尺寸参数减小了管道尺寸缩小造成的流阻增大效应，同时又提高了检测的通量和灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及生物细胞检测技术领域，特别是涉及一种用于微小颗粒/生物细胞检测的微流控芯片的结构设计。

背景技术

传统的库尔特计数器采用直流电信号对溶液中通过微孔的小颗粒进行检测，并发展为血细胞分析的仪器。另一种对微小颗粒/细胞进行检测的设备是流式细胞仪。流式细胞仪采用的是光学检测方式对颗粒进行检测，通常需要对被检颗粒进行荧光标记，而非标记的检测方法避免了对被测物的干扰和伤害，例如电阻抗检测就是非标记检测的一种。电阻抗检测与库尔特计数的方法差异主要是电阻抗检测采用了交流电激励信号而不是直流电信号。微流控电阻抗流式检测芯片就是将电阻抗的非标记检测与流式检测中控制流体中颗粒/细胞逐个有序通过检测部位的技术结合，在微流控芯片上实现小型化、集成化。

现有对微小颗粒/细胞流式检测的微流控芯片通常是采用鞘流约束颗粒位置或者管道收缩来实现足够的检测灵敏度。鞘流聚焦约束颗粒位置的方案在传统流式细胞仪上广泛使用，在微流控芯片上也有人采用，如中国专利201210482142.7。但是鞘流技术增加了芯片的复杂性，对流体控制也增加了难度。中国专利201310283051.5就提出了一种无鞘流的微流控芯片上流式检测方案。

在文献报道的微流控电阻抗流式检测芯片的管道收缩的方案中，通常是用一条较长的收缩管道(约5D～20D，D为细胞直径)来实现，电极位于收缩管道内部，或者远离收缩管道以较高的激励电压实现检测。这样的管道缺点在于，由于管道较长，流阻较大，要么管道较宽适当降低流阻，但牺牲了检测灵敏度，增加了多个颗粒/细胞在检测区域的可能性；要么缩窄管道，让管道宽度等于甚至小于颗粒/细胞外径以提高检测灵敏度，但流阻太大，检测通量很低，也容易堵塞管道。而电极如果远离检测部位，虽然可以通过提高激励电压来提高检测灵敏度，但是较高的电压有可能造成对细胞等被测颗粒的损害。

本发明采用电阻抗检测方式实现微流控芯片上的流式检测，检测方法是非标记的，对细胞或微粒的状态没有影响，芯片结构和流体操作简单，同时能够满足较高的通量和检测灵敏度，是现有的技术形式的有益补充。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片及制备方法，通过缩短最窄的检测管道的长度，从而大大减小了流阻的增大效应，同时又提高了检测的灵敏度。

本发明的一种电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片，所述微流控芯片的结构由盖片1和与具有盖片形状和大小相适应的基片2键合而成，盖片1位于基片2中央，基片2的边缘部分暴露在外，基片2上通过微电子加工有不少于两个微小电极8，盖片上有微小的翻模出来的微流控管道，基片2上设置有微小电极的一面和盖片上含微流控管道的接触面对准键合，实现对微流控管道的封闭，同时使微小电极8位于微流控管道底面；

微流控管道由进样口4、一根直的主管道7、出样口3和组成，主管道7沿进样口到出样口中心的连线延伸，在连线两边呈对称的结构，从进样口到最狭窄检测部位5的中间段通过两处收缩部位12区分为样品导入管道10、用以引导被测颗粒/细胞在主管道7中央流动的收缩检测管道11和进一步收缩而形成的最狭窄部位5，所述最狭窄部位5位于所述微小电极8间隙的正中间，微小电极8在最狭窄部位5的两边对称分布；

对分散到溶液中的微粒/细胞进行检测时，微粒/细胞能够实现逐个依次通过最狭窄的检测部位5，即流式检测的效果。

所述微小电极8的宽度为管道最狭窄部位宽度的0.1～5倍，高度通常为几十纳米到几百纳米之间，用于检测电阻抗信号，通过识别阻抗信号上的脉冲对被测溶液中的微粒/细胞9进行计数、分析，微小电极8在管道最狭窄处暴露于管道溶液中，方向与管道方向垂直；电极暴露于管道溶液的部分是其工作区域，通过微电子加工的引线14把所述工作区域微米级宽度的微小电极连接到芯片边缘的焊盘13，从而可与检测电路相连。

所述主管道最狭窄部位5的容积是被测颗粒/细胞体积的1～10倍，收缩检测管道11的宽度是最狭窄部位5的1.5～3倍，通过两处收缩部位12，管道宽度从进样口到最狭窄的检测部位5逐渐收窄。

根据被测溶液中的微粒/细胞9的弹性，所述主管道7的长宽高尺寸设置为被测溶液中的微粒/细胞9直径的0.3～5倍，对于弹性大的被测溶液中的微粒/细胞9，尺寸适用小于1倍直径，对于弹性小的被测溶液中的微粒/细胞9，尺寸必须大于1倍直径。

所述盖片1的进样口4与主管道7之间的位置设置有过滤微柱6，微柱之间构成网状管道，管道宽度和高度一般和最狭窄部位长宽高尺寸中的最小值一致，防止大的颗粒进入管道造成最狭窄处的堵塞。

本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片及制备方法，该方法包括：盖片1加工工艺流程、基片2加工工艺流程以及盖片和基片的键合工艺流程，其中：

带有微流控管道的PDMS盖片加工工艺流程包括以下步骤：

a.根据微流控管道结构设计的图案加工出掩模版；

b.提供抛光平整的硅片或玻璃片基底，清洗干净；

c.在抛光的基底上通过甩胶工艺均匀涂敷一层SU－8光刻胶，厚度即为所需要的管道的高度；

d.在光刻机使用掩模版，利用紫外光对SU－8光刻胶层进行曝光；

e.对曝光后的光刻胶进行显影，去除多余光刻胶，留下管道结构阳模具；

f.利用加工出来的SU－8阳模具，将其四周用铝箔纸围起来构成用于浇筑翻模的模具；

g.将PDMS预聚物和固化剂以10:1的比例混合均匀，抽真空后倒入浇筑模具，并在80度烘箱烘烤70分钟固化PDMS；

h.将固化的PDMS从模具剥离，得到带有微流控管道的PDMS盖片；

i.使用打孔器加工出进样口和出样口与微流控管道相连，备用。

带有电极的基片加工工艺流程包括以下步骤：

a.根据电极及其引线图案设计加工出掩模版；

b.将抛光平整的硅片或玻璃片清洗干净；

c.在抛光的基底上通过甩胶工艺均匀涂敷一层光刻胶；

d.在光刻机使用掩模版，利用紫外光对光刻胶层进行曝光；

e.对曝光后的光刻胶进行显影，去除多余光刻胶，留下具有电极及其引线图案结构模具；

f.使用磁控溅射工艺先后在光刻后的基片上依次溅射厚度为10～100纳米的钛以及厚度为10～400纳米的金或铂；

g.使用丙酮去掉光刻胶以及光刻胶上面的金属层，形成金或铂电极图案，从而加工出一面带有电极(8)、引线(14)和焊盘(13)的基片；

带有微流控管道的盖片和带电极的基片的高精度对准、不可逆键合加工工艺流程包括以下步骤：

a.将盖片1和基片2都清洗干净并吹干；

b.根据盖片面积准备一滴溶剂；

c.用表面等离子体清洗机对盖片和基片进行处理约10～100秒；

d.将溶剂滴加到有电极的一面朝上放置的基片上，涂匀，再将盖片有微流控管道的一面朝下放置在基片上，让溶剂保护盖片和基片的接触面，避免直接接触导致基片与盖片快速键合；

e.在显微镜下观察并调整盖片在基片上的位置，使管道和电极的位置实现精确对准，其中管道的最狭窄部位处于一对微电极间隙的中央，电极在其两端对称分布，电极暴露到管道中且与管道的两个竖直的侧壁均有接触，电极长度方向与管道长度方向基本垂直，最终的误差小于5微米；

f.静置1～30分钟，让溶剂蒸发，盖片和基片初步键合，位置基本固定；

g.将初步键合的芯片放置到50～80度烘箱烘烤30～60分钟，实现牢固键合。

本发明的一种PDMS微流控芯片的键合工艺方法，该方法包括以下步骤：

a.将盖片1和基片2都清洗干净并吹干；

b.根据盖片面积准备一滴溶剂；

c.用表面等离子体清洗机对盖片和基片进行处理10～100秒；

d.将溶剂滴加到有电极的一面朝上放置的基片上，涂匀，再将盖片有微流控管道的一面朝下放置在基片上，让溶剂保护盖片和基片的接触面，避免直接接触实现快速键合；

e.在显微镜下观察并调整盖片在基片上的位置，使管道和电极的位置实现精确对准，其对准误差小于5微米；

f.静置1～30分钟，让溶剂蒸发，盖片和基片初步键合，位置基本固定；

g.将初步键合的芯片放置到50～80度烘箱烘烤10～60分钟，实现牢固键合。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果包括：

1、避免了使用鞘流聚焦技术所必需的复杂管道和流体控制系统，通过多级收缩聚焦的方式实现了对微粒/细胞位置的聚焦，实现了对芯片的简化；

2、缩短最窄的检测管道的长度，优化的结构尺寸参数，减小了检测微小颗粒时管道尺寸，从而大大减小了流阻的增大效应，同时又提高了检测的灵敏度。

附图说明

图1是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片结构装配俯视示意图，以设置有8个微小电极的情形为例；

图2是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片盖片上的管道结构示意图；

图3是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片水平放置使用时沿A-A剖视结构示意图；

图4是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片盖片管道B部虚线框局部放大示意图；

图5是本发明的的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片盖片管道C部虚线框局部放大示意图，以设置有8个微小电极的情形为例；(5a)为不包括电极的C部放大示意图；(5b)为包括电极的C部放大示意图；

图6是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片盖片整体管道C部虚线框局部放大立体效果示意图；

图7是本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片芯片实物显微影像图，以设置有8个微小电极的情形为例。

附图标记：

1、盖片(PDMS上有微小的翻模出来的微流控管道(沟道))；2、基片(玻璃或硅)；3、出样口；4、进样口；5、管道最狭窄部位；6、过滤微柱；7、主管道；8、微小电极；9、微粒/细胞；10、样品导入管道(方便样品进入的较宽部分)；11、收缩检测管道；12、管道收缩部位；13、焊盘；14、引线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的方案进行详细说明。

如图1所示，为本发明的具体实施例的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片俯视结构装配示意图，此例中为设置8个微小电极的装配示意。

在基片上的微小电极通常采用金或铂加工而成，也可用其它金属。主要是要求金属具有较好的惰性，通电时在溶液中不易发生反应。微小电极通过微加工工艺加工而成，在基片上厚度只有几十到几百纳米，几乎不影响管道的结构尺寸和流体流动。电极的面积尽可能小，因为电极表面不能与PDMS键合，面积太大容易脱落。电极在管道最狭窄处暴露到管道溶液中，电极方向与管道方向垂直。电极从管道最狭窄处暴露到管道溶液的部分是工作区域，从工作区域需要将微米级宽度的电极通过引线扩展到芯片外与检测电路相连，引线部分同样是金或铂，其主要特征是将微米级(2～100微米)的电极延伸到芯片的基片边缘，暴露于盖片之外，尺寸扩大到毫米级(0.2～2毫米)，作为与宏观电路的接口。电极引线也不能占用基片太大的面积，不能出现大片的金属以防止PDMS盖片脱落，芯片管道泄漏。

微小电极的引线到基片边缘形成较大面积(长宽均为0.2～2毫米)的焊盘，可与常规尺寸的检测电路实现电气连接。微小电极宽度为管道最狭窄部位宽度的0.1～5倍，微小电极间隙宽度一般大于最狭窄部位长度的1倍。

如图2所示，为本发明的电阻抗流式检测微小颗粒、细胞的微流控芯片盖片上管道结构示意图，其中管道的结构设计主要特征是：一根直管道实现检测，管道沿进样口到出样口中心的连线延伸，在连线两边呈对称的结构；管道两级的收缩，利用流体在该结构中的流动特性实现对微粒/细胞位置的限制从而实现逐个有序通过检测部位；检测部位的结构尺寸根据被测物的具体尺寸和弹性进行优化以实现阻抗检测的高灵敏度和微粒/细胞相对较高的通量。主管道经过最狭窄检测部位后到出样管道之间的结构与进样管道采用对称的设计，在实际使用时，出样管道之间的结构与进样管道可以是不对称的，在满足出样口和进样口的条件下，分别可以具有不同的形状。

如图3和图6所示，包括了带有微流控管道的盖片2和带有电极的基片1，以及微粒/细胞在管道最狭窄部位被检测到时在本发明的微流体芯片中的位置关系。

除了发明内容提到的结构特征之外，还有一些具体的说明如下：

本发明可以用于PDMS材料制作的芯片，也可以用于其它的材料(如塑料)、加工工艺(如注塑)制作出来的芯片。该结构可以用来检测在溶液(一般是水溶液)中的微米级尺度的细胞(直径1～30微米)或者其它颗粒，也可以根据被测颗粒的实际尺寸和本发明的结构尺寸设计规则，调整管道和电极的尺寸，来实现更小或者更大尺寸颗粒的检测。当被测物是弹性较小的颗粒时，主管道7的长宽高均需大于被测颗粒最大外径，但不大于它的2倍，即主管道7长宽高的尺寸范围为D～2D。当被测物是细胞等弹性较大的颗粒时，所述主管道7长宽高的尺寸范围为0.5D～2D。

如图4所示，过滤微柱6中，微柱的形状可以是方形、菱形等，微柱之间构成网状管道，管道宽度是最狭窄检测部位宽度的0.5到2倍，其中被测物为弹性较大的颗粒(如细胞)时，宽度可以较宽(1～2倍)，被测物为弹性较小的颗粒时，宽度不大于最窄处的1倍。

如图5所示，分为设置电极(对准键合后的完整芯片)和不设置电极(盖片未与带电极基片键合)两种情形下，表示微流体芯片管道狭窄部位的局部放大结构。

如图7所示，结合本发明的微流体芯片的实际使用环境，利用显微镜观察到的微小电极管道的状态(基片材料为透明玻璃)。

芯片的加工要在超净间进行，具体来说，加工工艺包括三部分：

一、带有微流控管道的盖片的加工工艺：

步骤1、根据微流控管道结构设计的图案加工出掩模版，如果要求的最小尺寸大于20微米，可以使用胶片制版工艺，如果最小尺寸小于20微米，使用铬版工艺；

步骤2、提供抛光平整的硅片或玻璃片基底，清洗干净；

步骤3、在抛光的基底上通过甩胶工艺均匀涂敷一层SU－8光刻胶，厚度即为所需要的管道的高度，通常为5～50微米；

步骤4、在光刻机使用掩模版，利用紫外光对SU－8光刻胶层进行曝光；

步骤5、对曝光后的光刻胶进行显影，去除多余光刻胶，留下管道结构阳模具；

步骤6、利用加工出来的SU－8阳模具，将其四周用铝箔纸围起来构成用于浇筑翻模的模具；

步骤7、将PDMS预聚物和固化剂以10:1的比例混合均匀，抽真空后倒入浇筑模具，并在80度烘箱烘烤70分钟固化PDMS；

步骤8、将固化的PDMS从模具剥离，得到有管道结构的PDMS盖片；

步骤9、使用打孔器加工出进样口和出样口与微流控管道相连，备用。

二、带有电极的基片加工工艺：

步骤1、根据微流控管道结构设计的图案加工出掩模版，如果要求的最小尺寸大于20微米，可以使用胶片制版工艺，如果最小尺寸小于20微米，使用铬版工艺；

步骤2、提供抛光平整的硅片或玻璃片基底，清洗干净；

步骤3、在抛光的基底上通过甩胶工艺均匀涂敷一层光刻胶，厚度即为所需要的管道的高度，通常为2～100微米；

步骤4、在光刻机使用掩模版，利用紫外光对光刻胶层进行曝光；

步骤5、对曝光后的光刻胶进行显影，去除多余光刻胶，留下管道结构模具；

步骤6、使用磁控溅射工艺先后在光刻后的基片上溅射厚度为20纳米的钛以及200纳米的金(铂)，以钛作为衬底材料的目的是增强金电极与玻璃之间的贴附强度；

步骤7、使用丙酮去掉光刻胶以及光刻胶上面的金属层，形成金(铂)电极图案，从而加工出一面带有电极的基片(还可以根据需要加工一层绝缘层)。

三、带管道盖片和带电极基片的对准、不可逆键合工艺：

步骤1、将盖片和基片都清洗干净并吹干；

步骤2、根据盖片面积准备一滴溶剂(水或乙醇)，6平方厘米面积需要溶剂体积为10微升～20微升；

步骤3、用表面等离子体清洗机对盖片和基片进行处理约40秒；

步骤4、将溶剂滴加到基片上，涂匀，再将盖片放置在基片上，在显微镜下调整盖

片位置，使管道和电极的位置实现精确对准；

步骤5、静置5～30分钟，让溶剂蒸发，盖片和基片初步键合，位置基本固定；

步骤6、将初步键合的芯片放置到50～80度烘箱烘烤10～60分钟，实现牢固键合。

玻璃基片上的电极和PDMS管道层的键合是组装芯片的关键，如何保证微米级的管道与电极(约2～100微米)按照设计位置精确对准，则是芯片键合的难点。一方面，电极和管道都是微米级，肉眼无法分辨，而电极必须在管道的最狭窄处两边对称分布，才能达到应有的检测效果；另一方面，常规的键合在进行等离子体处理之后，将PDMS和玻璃进行粘合后就固定住了，无法进行调整。本发明采用溶剂(比如水或乙醇)保护键合的方式，在溶剂的保护下基片和PDMS不会马上键合，从而可以在显微镜下调整位置进行对准，实现较高的对准精度；再通过烘箱烘干，则PDMS和玻璃/硅片能实现牢固键合。