阵列式对电极介电电泳芯片及其用于细胞分离富集研究

基于介电电泳原理, 设计并制作了一种新型的能够用于细胞分离和富集的微流控介电电泳芯片. 该芯片由沉积有金电极的石英基片和带有微管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片组成. 通过在管道底部布置间距不同的对电极阵列, 增大了正介电电泳力在管道中的有效作用范围, 能够在降低施加电压的同时, 实现对流动体系中细胞样品的捕获. 在3 V和3 MHz条件下, 该DEP芯片对人血红细胞的捕获效率达到83%; 进一步通过将肝癌细胞捕获在芯片电极上可实现对红细胞和肝癌细胞混合样品的分离, 在5 V和400 kHz条件下对肝癌细胞的捕获效率达到86%.     

基于薄膜电极的细胞电融合芯片

构建了一种薄膜电极阵列结构的细胞电融合芯片, 通过多聚物微通道底/顶层凸齿状的微电极, 以及多聚物微通道侧壁上溅射形成的一层离散式金属薄膜电极, 共同形成离散式"三明治"微电极结构. 该微电极结构可在微通道内部形成与传统凸齿状电极相似的非均匀分布的梯度电场, 通过介电电泳效应进行细胞控制及排队. 利用多聚物在芯片上填充了传统凸齿状电极的凹陷区, 克服了细胞在凹陷区无法有效排队与融合的缺点. 在芯片上利用K562细胞开展了基于介电电泳效应的细胞排队实验及基于可逆性电穿孔效应的电融合实验, 结果表明该芯片能够较好地实现细胞排队及融合, 融合所需控制电压低至10 V左右. 细胞排队率达99%以上, 几乎无细胞在绝缘物填充区(传统凸齿电极芯片的凹陷区)滞留, 细胞两两排队高于60%, 细胞融合效率约为40%, 比传统的细胞电融合方法和凸齿电极芯片有较大提高.     

微流控芯片上高电导率介质中聚苯乙烯微球的动电分离

采用三层夹心式、三平行微电极设计制作了聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)/玻璃微流控芯片,通过交流电对在微流控芯片中的高电导率溶液施加电场,达到不同尺寸聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微球分离的目的;探讨了微球定向运动的动电学原理。结果表明,在电压为14 V,频率为100 k Hz时,直径为10和25μm的PS微球分离效率最好;在电压为10 V,频率为2 MHz时,直径为5和25μm的PS微球分离效率最好;对于直径分别为5、10和25μm的3种PS微球分离,在电压为11 V,频率为1 MHz时,可以达到大球和另外两种尺寸较小微球的快速有效分离,分离效率均可达90%以上。结果表明,相邻电极中间位置层流区域的形成,对微球分离起到关键作用。     

基于芯片介电电泳的细胞特性分析及种类判断

基于微流控芯片介电电泳( Dielectrophoresis,DEP)原理和技术,在自行设计制作的抛物线电极结构的微流控介电电泳芯片上,采用芯片介电泳临界频率测定法,选择缓冲液电导率为200～1000 μS/cm,激发电压为5V,分别对红细胞(RBC)、白细胞(WBC)和死活HepG2肝癌细胞的临界频率进行了测试,检测...     

基于介电电泳的微流控细胞分离芯片的研究进展

细胞分离技术是细胞分选和细胞种群纯化的重要手段,在生物、医学、农业、环境等许多领域都有重要的应用,是当前生化分析领域的国际研究热点。本文介绍了基于介电电泳的微流控细胞分离芯片的研究现状,阐述了介电电泳的工作原理,并依据细胞尺寸、电极形状、外加信号方式等影响细胞介电电泳的关键因素对不同类型的微流控细胞分离芯片进行了详细介绍,并对该技术的未来发展趋势做了展望。     

微流控芯片系统在单细胞研究中的应用*

微流控芯片具有网络式通道结构,扩展了在细胞和亚细胞水平进行生命科学研究的能力,为单细胞研究提供了一个新的平台.在微流控芯片通道中,人们利用气压、液压和电压,或利用介电电泳、光学陷阱、行波介电电泳以及磁场等技术,可以操纵细胞通过或驻留在通道内的任意位置,从而使单细胞计数、筛选以及胞内组分分析等操作大大简化.本文对微流控芯片系统在血液流变学、单细胞操纵与计数以及单细胞胞内组分分析中的应用进行了综述,介绍了用于单细胞研究的多种微芯片系统,讨论了芯片上进行单细胞操纵的各种方法     

阵列叉指式芯片研究细胞介电电泳富集过程

采用阵列叉指电极介电电泳(Dielectrophoresis,DEP)芯片,构建了集成DEP芯片分析和操控系统,应用Coventorware有限元分析软件模拟分析了芯片表面的电场分布情况;以红细胞和结肠癌细胞样品为分析对象,实现了两种细胞样品在芯片上的正负介电电泳定位富集.实验发现,交流信号幅值Vp-p是决定DEP富集效率的主因,交流信号频率f和缓冲溶液是改变细胞介电电泳类型的参量;在0.9% NaCl中,施加频率为10和3 MHz、电压5 V的交流频率,结肠癌细胞的正介电电泳(Positive-dielectrophoresis, pDEP)和负介电电泳(Nagetive-dielectrophoresis, nDEP)富集效率分别为87.2%和84.8%.     

微电极阵列芯片的脂质体电融合研究

利用旋转蒸发法制作基于大豆卵磷脂的一种大型脂质体,在微电极阵列芯片上进行脂质体电融合实验研究.在电融合过程中,利用介电电泳力实现脂质体在微流控芯片中的排队,再利用高场强的电脉冲使脂质体膜发生可逆性电穿孔,在持续的介电电泳力作用下,使穿孔的脂质体实现融合.芯片上脂质体的融合率可以达到20％左右.而且,玻璃基底材料和低深宽比的通道结构更有利于脂质体融合过程的观察与控制.     

一种用于多巴胺实时检测的集成微电极的微流控芯片

设计并制作了一种用于多巴胺实时检测的集成微电极的微流控芯片。芯片由一片聚二甲基硅氧烷( PDMS)沟道片和一片玻璃电极片组成,在PDMS沟道片上集成了用作细胞培养室的主通道和用于培养基输送的两条侧通道,在玻璃电极片上集成了用于多巴胺实时检测的微电极。为了解决PDMS沟道片与硅模具之间的脱模困难问题,研究了一种新的脱模方法。建立了一种Au-Au-Au三电极体系,表现出了良好的电化学检测性能。以溶解在神经干细胞培养基中的多巴胺为测试样品,对芯片的性能进行了初步研究。多巴胺的检出限为3.92μmol/L,线性检测范围为10~500μmol/L,片间的检测重复精度小于4%。     

高效细胞电融合芯片中的电场分析

细胞电融合芯片内的电场分布对细胞的控制及细胞融合效率有非常重要的意义,它是该类芯片设计的主要因素。电场分布主要由芯片内微通道和微电极的结构决定。在一个新研制的融合芯片中,采用大量微电极构成的阵列来提高融合效率。由于电极数量很多,微通道和微电极的结构和形状复杂,理论计算芯片内部电场分布具有较大难度。利用ANSYS有限元分析软件,对细胞电融合芯片中的电场分布进行模拟分析,得到其强度分布及变化梯度。通过不同设计的对比分析,提出了更加适合于细胞电融合的电极阵列结构模型——矩形梳状交叉微电极阵列,为高效细胞电融合芯片的实现奠定了基础。在矩形梳状交叉微电极阵列原型芯片的实验研究中,细胞融合(植物原生质体融合)效率约为40%,超过了传统的化学融合(小于1%)、电融合(小于10%),以及最初所采用的矩形对称梳状电极(小于20%)。表明在该融合芯片上可以实现高效的细胞电融合。     

基于微流体脉冲驱动控制技术的电化学微流控芯片制备方法

基于微流体脉冲驱动控制技术搭建了电化学微流控芯片的制备系统.首先将纳米银墨水和甘油溶液分别微喷射到玻璃基底表面形成微电极图形和微流道液体阳模图形;然后分别进行烧结和聚二甲基硅氧烷(PDMS)模塑工艺制得微电极和微流道;最后将微电极和微流道键合形成电化学微流控芯片.研究了系统参量对液滴产生的影响以及液滴直径和重叠率对液滴成线的影响,制得的微电极最小线宽为45 μm、厚度为2.2 μm、电阻率为5.2 μΩ·cm,制得的微流道最小线宽为35 μm,流道表面光滑.采用制得的电化学微流控芯片进行了葡萄糖浓度的电化学流动检测.结果表明,葡萄糖溶液的浓度与响应电流具有较高的线性关系,可对一定浓度范围内的葡萄糖溶液进行定量检测.基于微流体脉冲驱动控制技术的电化学微流控芯片制备方法具有微喷射精度高、重复性好,制备系统结构简单、成本低廉等优点,可用于生化分析、生物传感器等领域的芯片制备.     

介电电泳芯片及其在细胞分析中的应用

简要阐述了在交流和直流电压电场中,介电电泳(DEP)芯片进行细胞分离富集的机理.按照驱动电场的差异对DEP芯片进行了分类,分析和比较了DEP芯片微电极的叉指电极、抛物线电极、堡式电极、三维电极等典型结构.特别对近年来DEP芯片在单细胞分析、细胞分离与富集以及临床细胞分析中的应用进展进行了综述,并对其应用前景和发展方向进行了展望.     

基于ARM9的便携式电容耦合非接触电导检测器

研制了一种应用于微流控芯片的便携式电容耦合非接触电导检测器。此检测器在ARM9嵌入式平台上开发,所有功能由ARM9微处理器控制完成。检测器的硬件部分主要包括信号激励、信号调理、信号采集处理及显示单元;软件部分主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。检测器的激励信号频率范围为0～2 MHz;电压范围为0～20 Vpp(峰峰值);检测器的外形尺寸为130 mm×102 mm×35 mm。利用此检测器测试了一种三层结构微流控芯片的检测灵敏度。该芯片由聚甲基丙烯酸甲酯电极片(包含铜检测电极)、厚度为16μm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)绝缘层和PDMS沟道片(包含微沟道)组成。溶液在蠕动泵的驱动下,从芯片的尖端进入微沟道,并在电极处得到检测。本研究对检测器的激励频率和电压进行了优化。在优化的激励频率(50 kHz)和电压(20 Vpp)下,得到的KCl检出限为9.1μmol/L。     

CO_2激光-化学腐蚀制作金阵列微电极

微电极的制作是微流控芯片电化学检测的关键技术.本文提出CO2激光烧蚀结合化学腐蚀快速制作微流控芯片阵列微电极的方法.在溅射Au/Cr的玻璃基片上涂敷指甲油作牺牲层,利用CO2激光烧蚀开窗口,经化学腐蚀后获得阵列电极,电极宽度为100μm.考察了激光加工参数及牺牲层对电极加工质量的影响,对由键合包封制作的微流控芯片,循环伏安及流动注射分析测试表明,该电极芯片可用于微流控芯片的安培检测.     

异质材料微流体通道电渗流热效应

本文对玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制作的微流控芯片电渗流焦耳热效应进行数值研究.采用双电层的Poisson-Boltzmann方程,液体运动的Navier-Stokes方程和液-固耦合系统的热传导方程研究二维微通道电渗流的温度特性.研究发现:由于材料属性的差别,温度场和速度场在微通道断面存在不均匀性.微通道表面的温升会降低双电层的电荷密度.热效应会对电渗流速度场产生影响,并诱导压强梯度和改变外电场在微通道的变化特征.     

聚二甲基硅氧烷基质微流控芯片通道的氧气氛改性研究

通过将新制的PDMS微流控芯片置于氧气氛中对通道表面进行处理的简单方法,使电渗流大小及稳定性有了显著的改善。同时研究了氧气处理PDMS通道表面的时间对电渗流的影响,得到氧气处理的最佳时间为3d。讨论了氧气作用于PDMS芯片表面的机理。在氧气处理3d的PDMS微流控芯片上进行氨基酸分离实验,得到较好的分离效果。     

微流控电阻抗检测系统构建及其应用

凝血时间检测主要用于凝血障碍性疾病的初步诊断、抗凝药物的监测以及外科手术前的评估,是医生对患者自身凝血功能进行评价的一项重要指标。本文应用微流控电阻抗技术,提出了一种基于叉指电极的微流体凝血时间检测方法。使用软刻蚀方式制作微流控芯片,将固化后带有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)与带有刻蚀电极的导电玻璃键合,搭建微流控电阻抗检测系统。本实验通过对血浆活化部分凝血活酶时间(APTT)的检测,得出血液凝固过程中阻抗值的变化曲线,引入微积分概念,确定血液凝固时间。     

基于SOI基底的高通量细胞电融合芯片

提出了一种以MEMS技术为基础, 可在低电压驱动条件下工作的创新型细胞电融合芯片. 该芯片的设计原理在于通过缩短微电极间的间距, 在低电压条件下获得足够强度的排队和融合电场强度. 原型芯片以SOI硅片为加工材料, 通过刻蚀方式在顶层低阻硅形成微电极和微通道; 在微电极上沉淀2 μm厚的铝膜以降低电阻率, 提高导电性; 通过PECVD方法形成150 nm厚SiO2保障铝膜的抗腐蚀性及芯片生物相容性; 芯片最终采用DIP法进行封装. 在该芯片上进行了低电压(传统电融合设备工作电压的1/20)驱动条件下的基于介电电泳的细胞排队实验及后期的细胞电融合实验, 结果表明, 细胞多以两两结合的方式排列, 与传统的细胞融合电仪器相比较, 降低了多细胞排队概率, 进而减少了传统电融合设备多细胞融合的概率, 为细胞高效率融合奠定了基础. 在加载的低电压短脉冲信号后, 微通道中形成了高压短脉冲电场, 在脉冲作用下, 烟草原生质体细胞在微通道中发生了融合, 融合时间(2 min)远低于传统电融合方法(10~30 min), 融合率远远高于传统的PEG方法(融合率小于1%)和传统电融合方法(利用BTX ECM 2001细胞电融合系统得到, 融合率小于5%).     

聚二甲基硅氧烷/玻璃微流控芯片永久性粘合方法及其微通道表面改性研究及其应用

近年来,聚二甲基桂氧烷[Poly(dimethylsilloxane),PDMS]基质微流控芯片因其透光性能好,价格便宜,加工容易,适合大规模生产,成为微全分析系统(Micro total analysis system,μ-TAS)发展的一个热点^[1].PDMS易于复制微通道形状,且具有较高的保真度,省去了玻璃芯片刻蚀的复杂过程;而玻璃具有易于集成功能单元,散热性能好的优点,PDMS-玻璃杂合微流控芯片同时结合了PDMS和玻璃的优点,具有良好的发展前景^[2].     

微流控芯片单细胞进样,溶膜及分离检测胞内谷胱甘肽

单细胞分析对重大疾病的早期诊断等方面有重要意义[1].微流控分析芯片的网络结构和微米级的通道尺寸适合于单细胞进样、溶膜和分离分析.但目前的报道主要集中在细胞培养、计数和筛选[2].我们在十字通道微流控芯片上,通过调节储液池的液面高度和细胞悬液密度,使单细胞逐个通过芯片进样通道和分离通道之间的区域,再结合控制电渗流方向,使单细胞固定在分离通指定位置,然后用电泳缓冲液结合高电场实现细胞快速溶膜,接着进行电泳分离和LIF检测.实现了单个血红细胞内谷胱甘肽(GSH)的高效分离及定量分析.