一种低成本细胞定位排布芯片及应用方法.pdf

一种低成本细胞定位排布芯片及应用方法，涉及生物微流控领域。当在该芯片的上导电薄膜(11)和下导电薄膜(31)之间施加电压之后，芯片中的微流体腔(4)中的细胞在介电泳力的作用下移动到“孤岛”(5)或“孤阱”(6)处，进而依照“孤岛”(5)或“孤阱”(6)阵列的排布形成规则化排布。该芯片中的电场强度取决于微流体腔的竖直尺寸，而非水平“孤岛”或“孤阱”间距，因而能够避免产生局部强电场，以免对细胞造成损伤。该芯片可以作为廉价的可抛弃式的生化分析工具，在高通量的生物分析领域有很可观的前景。

1.  一种低成本细胞定位排布芯片，其特征在于，该芯片包括上基底(12)及其下表面的上导电薄膜(11)组成的上基板(1)、下基底(32)以及其上表面的下导电薄膜(31)组成的下基板(3)、在上导电薄膜(11)与下导电薄膜(31)之间的绝缘间隔层(2)形成的微流体腔(4)；在下基板(3)的上表面或上基板(1)的下表面设有阵列式结构的半导体材料层(52)，在半导体材料层(52)上设有钝化层(51)，并形成微型孤岛(5)或微型孤阱(6)或者形成同时具有孤岛及孤阱的形状。

2.  如权利要求1所述的低成本细胞定位排布芯片，其特征在于，所述的下基底(32)和上基底(12)可以是透明材料也可以是半透明材料或不透明材料。

3.  如权利要求1所述的低成本细胞定位排布芯片，其特征在于，所述的所有微型孤岛或孤阱的形状全部相同，或部分相同或各不相同。

4.  如权利要求1所述的低成本细胞定位排布芯片，其特征在于，半导体材料层(52)是非晶硅或者掺杂的硫化镉或者参杂的硒化镉或者是其他电导率比细胞悬浮液小的半导体材料。

5.  一种如权利要求1所述的低成本细胞定位排布芯片的应用方法，其特征在于，首先，将含有样品细胞的液体注入微流体腔(4)然后盖上上基板(1)，或者通过在芯片上基板(1)上制作微孔然后注入液体；待液体均匀散开后，在上导电薄膜(11)和下导电薄膜(31)之间施加电压信号并调节激励信号频率，使得各个细胞在介电泳力的作用下自动移动到微型孤岛或微型孤阱所在的位置，经过一定时间后，即实现细胞的定位排布。

6.  如权利要求5所述的低成本细胞定位排布芯片的应用方法，其特征在于，在上导电薄膜(11)和下导电薄膜(31)之间施加的电压信号为正弦信号或是若干正弦信号的叠加信号。

7.  如权利要求5所述的低成本细胞定位排布芯片的应用方法，其特征在于，所述的激励信号频率包含能够激励细胞运动的所有频率区间内的频率。

一种低成本细胞定位排布芯片及应用方法
技术领域
本发明是一种大规模的细胞定位排布技术，涉及生物微流控领域，特别是细胞定位控制技术领域。
背景技术
大量细胞的排布对于研究细胞与细胞间的相互作用具有及其重要的意义，比如可以将两个细胞群(或两个单细胞)分别定位于相隔一定微距的两个区域，进而研究它们之间的相互作用及物质交换情况。细胞排布的意义还体现在易于对大量细胞的生理状况进行并行的观测，易于实现对大量细胞的快速计数，以及易于实现基于细胞的生物传感器等。此外，细胞的阵列式排布对与细胞的分组研究以及高通量并行细胞分析是一项极具实用意义的工具技术，例如，通过阵列式控制可以对不同的细胞群组进行并行分析，也可以同时实现大量并行的单细胞分析。目前，科研人员运用大规模微电极阵列，并借助由此产生的介电泳力对细胞的进行阵列化排布，但通常因引线过多(几百个线端)，外部接口制作成本大增，而且对于外围电路或控制器件的要求也大大增加。此外，由于这些排列很密的平面微电极之间的电场强度(水平方向)很大，因此当细胞在靠近平面微电极边缘时很可能在强电场作用下受损。
因此，如果提出一种细胞定位芯片，能够仅使用少量引线端子连接激励信号，并且使得活细胞免受微电极附近的局部强电场作用，就能够解决以上问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种低成本细胞定位排布芯片及应用方法，可以在仅使用两个信号端子的情况下，实现大量细胞的定位排布，而且能够避免细胞遭受局部强电场的损害，以解决目前细胞定位排布引脚过多、接口复杂，以及局部强电场对细胞造成损伤的不足。
技术方案：针对现有技术存在的问题，本发明提出一种仅具有两个信号端子的大规模细胞定位排布芯片的技术方案。在该芯片中，电场线方向是竖直的，因此电场强度取决于芯片中微流体腔的竖直方向的尺寸，而并不取决于任何水平微结构的尺寸。由于本发明所提出的这种芯片的流体腔的竖直尺寸并不决定细胞的位置控制精度，因此可以比目前已有的排布芯片的水平微电极间距要大几倍到几十倍，于是在本发明所提供的这种芯片中，基本上可以避局部强电场对细胞的损伤。
低成本细胞定位排布芯片包括上基底及其下表面的上导电薄膜组成的上基板、下基底以及其上表面的下导电薄膜组成的下基板、在上导电薄膜与下导电薄膜之间的绝缘间隔层形成的微流体腔；在下基板的上表面或上基板的下表面设有阵列式结构的半导体材料层，在半导体材料层上设有钝化层，并形成微型孤岛或微型孤阱或者形成同时具有孤岛及孤阱的形状。
所述的下基底和上基底可以是透明材料也可以是半透明材料或不透明材料。
所述的所有微型孤岛或孤阱的形状全部相同，或部分相同或各不相同。
半导体材料层是非晶硅或者掺杂的硫化镉或者参杂的硒化镉或者是其他电导率比细胞悬浮液小的半导体材料。
低成本细胞定位排布芯片的应用方法，首先，将含有样品细胞的液体注入微流体腔然后盖上上基板，或者通过在芯片上基板上制作微孔然后注入液体；待液体均匀散开后，在上导电薄膜和下导电薄膜之间施加电压信号并调节激励信号频率，使得各个细胞在介电泳力的作用下自动移动到微型孤岛或微型孤阱所在的位置，经过一定时间后，即实现细胞的定位排布。
在上导电薄膜和下导电薄膜之间施加的电压信号为正弦信号或是若干正弦信号的叠加信号。
所述的激励信号频率包含能够激励细胞运动的所有频率区间内的频率。
本发明提供的芯片中的电场强度取决于微流体腔的竖直尺寸，而不是水平“孤岛”或“孤阱”间距，因而能够避免产生局部强电场，以免对细胞造成损伤进而造成样品失效。
有益效果：本发明提供的细胞定位排布芯片及应用方法，能够克服目前细胞定位排布芯片引脚繁多、接口成本高、操作繁琐以及局部强电场对细胞造成损伤等缺陷，并且只需要一路电信号，无需芯片外围组件，具有很高的可靠性并且成本很低。其次，本发明提供的芯片中的电场强度并非取决于水平“孤岛”或“孤阱”之间的间距，因而能够避免产生局部强电场，以免对细胞造成损伤进而造成样品失效，同时也提高了后续分析的效率。最后，本发明提供的这种细胞定位排布芯片可以作为廉价的可抛弃式的生化分析工具，能够符合经济型和环保性要求。本发明在高通量的生物分析领域有很可观的前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的细胞定位排布芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例中细胞定位排布芯片中的平面式“孤岛”阵列图案示意图；
图3为本发明实施例中细胞定位排布芯片中的平面式“孤阱”阵列图案示意图；
图4为本发明实施例中细胞定位排布芯片中同时具有“孤岛”和“孤阱”时的阵列图案示意图。
以上的图中有：
上基板1、间隔层2、下基板3、上层透明导电薄膜11、上基底12、下层透明导电薄膜31、下基底32、钝化层51、半导体材料层52、微流体腔4、孤岛5、非孤岛区域50、孤阱6、非孤阱区域60。
具体实施方式
本发明提供的细胞定位排布芯片及应用方法的实施例参见图1、图2和图3。
本实施例中，用于细胞排布定位的芯片的基本结构如图1所示。该定位排布芯片中，上基板1、间隔层2、下基板3围成了微流体腔4。微型“孤岛”5位于下基板3的上表面。由于“孤岛”阵列和“孤阱”阵列均可以用图1表示，因此图1涵盖了两种情况：一、通过负介电泳力对细胞进行定位排布时所需的“孤岛”阵列(参见图2)；二、通过正介电泳力对细胞进行定位排布时所需的“孤阱”阵列(参见图3)。在一个芯片中，可以仅有“孤岛5”(图2)或仅有“孤阱6”(图3)，或者同时具有“孤岛5”及“孤阱6”(图4)。图4所示的情况主要适用于两种细胞的情况，即一种细胞经历正介电泳到达“孤阱”，另一种细胞经历负介电泳到达“孤岛”。
本实施例中，芯片下基板的上表面(或上基板的底面)具有很多阵列排布的“孤岛”。这些“孤岛”大小与被排布的单个细胞(或若干细胞的集合)的大小接近，“孤岛”的材料采用非晶硅材料。“孤岛”的形状并不局限于图2所示的情形，而且所有孤岛的形状根据实际需要可以相同也可以不同(例如，有方形也有圆形或其他形状)。被排布的细胞位于上下基板之间的微流体腔4中。活细胞通常需要置于具有一定离子浓度的培养液中，因此微流体腔4中的细胞悬浮液的电导率通常比非晶硅的电导率大若干倍。通常情况下，该芯片不需任何芯片外围配件及接口，而且仅需一路激励信号，因此使用成本很低。当上基板和下基板的两层透明导电薄膜之间被施加一个交流电压信号，则电场方向是竖直的，但由于微流体腔4中的液体层在“孤岛”区域和“非孤岛”区域的分压不同，而竖直距离基本相同，导致非均匀电场的形成，于是产生了介电泳力。液体层中位于“孤岛”处的电场强度比“非孤岛”处的电场强度小若干倍，所以当细胞受负介电泳(即细胞向场强极小处移动)时，细胞会自己移动到“孤岛”5处(参见图2，这里的“孤岛”是泛指，并非某个特定的“孤岛”)，进而依照“孤岛”阵列的排布形成规则化排布，因此“孤岛”与“孤岛”之间的距离也就决定了细胞与细胞之间的距离。当“孤岛”的大小与单个细胞接近时，就能实现单细胞的阵列排布；当“孤岛”的大小与若干细胞的集合所占面积接近时，就能实现细胞群的阵列排布。
另一方面，为了满足细胞受正介电泳(即细胞向场强极大处移动)时的排布定位，可以在芯片的下基板的上表面或(上基板的下表面)构造“孤阱”6。“孤阱”6即为没有沉积非晶硅的区域，其他区域均为沉积了非晶硅的“非孤阱”60区域。“孤阱”的形状并不局限于图3所示的情形，而且所有“孤阱”的形状可以相同，也可以不同(例如，可以有方形、六边型、圆形或其他形状)。由于液体层在“孤阱”区域和“非孤阱”区域的分压不同，而竖直距离基本相同，导致非均匀电场的形成，于是产生了介电泳力。位于“孤阱”6处的电场强度比“非孤阱”60处的电场强度大若干倍，所以当细胞受正介电泳时，细胞会自己移动到“孤阱”6处，进而依照“孤阱”阵列的排布形成规则化排布，因此“孤阱”与“孤阱”之间的距离也就决定了细胞与细胞之间的距离。
本实施例中，芯片中的透明导电薄膜的材料可以选择ITO(Indium Tin Oxides)薄膜。“孤岛”5含有钝化层51和半导体材料层52。钝化层51可以是碳化硅或氮化硅薄膜，半导体材料层52可以是氢化非晶硅或者掺杂的硫化镉(CdS)或者参杂的硒化镉(CdSe)或者是硫化镉和硒化镉的组合，或者是其他电导率比细胞培养液(亦即微流体腔中的细胞悬浮液)小若干倍的半导体材料。钝化层51的厚度远小于半导体材料层52的厚度。芯片的上下基底可以是透明的(例如玻璃)，也可以是半透明或不透明的材料。透明材料最利于观察，几乎在所有应用中都可以使用；半透明的材料在仅需透过一定范围波长的光线时可以使用；不透明的材料在不需光学观测的情况(例如，芯片上安装了微传感器)下或者允许揭开上基底的应用中(例如，需揭开上基板进行添加试剂、观测等)也可以使用。