由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片的製作方法

2023-04-29 14:39:01 1

專利名稱：由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種大規模的細胞定位排布技術，涉及生物微流控領域，特別 是細胞定位控制技術領域。
背景技術：
大量細胞的排布對於研究細胞與細胞間的相互作用具有及其重要的意義，比 如可以將兩個細胞群(或兩個單細胞)分別定位於相隔一定微距的兩個區域，進 而研究它們之間的相互作用及物質交換情況。細胞排布的意義還體現在易於對大 量細胞的生理狀況進行並行的觀測，易於實現對大量細胞的快速計數，以及易於 實現基於細胞的生物傳感器等。此外，細胞的陣列式排布對與細胞的分組研究以 及高通量並行細胞分析是一項極具實用意義的工具技術，例如，通過陣列式控制 可以對不同的細胞群組進行並行分析，也可以同時實現大量並行的單細胞分析。 目前，科研人員運用大規模微電極陣列，並藉助由此產生的介電泳力對細胞的進 行陣列化排布，但通常因引線過多(幾百個線端)，外部接口製作成本大增，而且 對於外圍電路或控制器件的要求也大大增加。此外，由於這些排列很密的平面微 電極之間的電場強度(水平方向)很大，因此當細胞在靠近平面微電極邊緣時很 可能在強電場作用下受損。因此，如果提出一種細胞定位晶片，能夠僅使用少量引線端子連接激勵信號， 並且使得活細胞免受微電極附近的局部強電場作用，就能夠解決以上問題。發明內容技術問題本實用新型的目的是提供一種由單路電信號激勵的細胞陣列式排 布晶片，可以在僅使用兩個信號端子的情況下，實現大量細胞的定位排布，而且 能夠避免細胞遭受局部強電場的損害，以解決目前細胞定位排布引腳過多、接口 複雜，以及局部強電場對細胞造成損傷的不足。技術方案針對現有技術存在的問題，本實用新型提出一種僅具有兩個信號 端子的大規模細胞定位排布晶片的技術方案。在該晶片中，電場線方向是豎直的，因此電場強度取決於晶片中微流體腔的豎直方向的尺寸，而並不取決於任何水平 微結構的尺寸。由於本實用新型所提出的這種晶片的流體腔的豎直尺寸並不決定 細胞的位置控制精度，因此可以比目前已有的排布晶片的水平微電極間距要大幾 倍到幾十倍，於是在本實用新型所提供的這種晶片中，基本上可以避局部強電場 對細胞的損傷。
由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片包括上基底及其下表面的上導電薄 膜組成的上基板、下基底以及其上表面的下導電薄膜組成的下基板、在上導電薄 膜與下導電薄膜之間的絕緣間隔層形成的微流體腔；在下基板的上表面或上基板 的下表面設有陣列式結構的半導體材料層，在半導體材料層上設有鈍化層，並形 成微型孤島或微型孤阱或者形成同時具有孤島及孤阱的形狀。
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。 所述的所有微型孤島或孤阱的形狀全部相同，或部分相同或各不相同。 半導體材料層是非晶矽或者摻雜的硫化鎘或者參雜的硒化鎘或者是其他電導
率比細胞懸浮液小的半導體材料。
低成本細胞定位排布晶片的應用方法，首先，將含有樣品細胞的液體注入微 流體腔然後蓋上上基板，或者通過在晶片上基板上製作微孔然後注入液體；待液 體均勻散開後，在上導電薄膜和下導電薄膜之間施加電壓信號並調節激勵信號頻 率，使得各個細胞在介電泳力的作用下自動移動到微型孤島或微型孤阱所在的位 置，經過一定時間後，即實現細胞的定位排布。
在上導電薄膜和下導電薄膜之間施加的電壓信號為正弦信號或是若干正弦信 號的疊加信號。
所述的激勵信號頻率包含能夠激勵細胞運動的所有頻率區間內的頻率。 本實用新型提供的晶片中的電場強度取決於微流體腔的豎直尺寸，而不是水平 "孤島"或"孤阱"間距，因而能夠避免產生局部強電場，以免對細胞造成損傷 進而造成樣品失效。
有益效果本實用新型提供的由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，能 夠克服目前細胞定位排布晶片引腳繁多、接口成本高、操作繁瑣以及局部強電場 對細胞造成損傷等缺陷，並且只需要一路電信號，無需晶片外圍組件，具有很高 的可靠性並且成本很低。其次，本發明提供的晶片中的電場強度並非取決於水平 "孤島"或"孤阱"之間的間距，因而能夠避免產生局部強電場，以免對細胞造成損傷進而造成樣品失效，同時也提高了後續分析的效率。最後，本發明提供的 這種細胞定位排布晶片可以作為廉價的可拋棄式的生化分析工具，能夠符合經濟 型和環保性要求。本發明在高通量的生物分析領域有很可觀的前景。


圖1為本實用新型實施例中的細胞定位排布晶片的結構示意圖； 圖2為本實用新型實施例中細胞定位排布晶片中的平面式"孤島"陣列圖案 示意圖3為本實用新型實施例中細胞定位排布晶片中的平面式"孤阱"陣列圖案 示意圖4為本實用新型實施例中細胞定位排布晶片中同時具有"孤島"和"孤阱" 時的陣列圖案示意圖。 以上的圖中有
上基板l、間隔層2、下基板3、上層透明導電薄膜ll、上基底12、下層透明 導電薄膜31、下基底32、鈍化層51、半導體材料層52、微流體腔4、孤島5、非 孤島區域50、孤阱6、非孤阱區域60。
具體實施方式
本實用新型提供的由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片的實施例參見圖 1、圖2和圖3。
本實施例中，由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片的基本結構如圖1所 示。該定位排布晶片中，上基板l、間隔層2、下基板3圍成了微流體腔4。微型 "孤島"5位於下基板3的上表面。由於"孤島"陣列和"孤阱"陣列均可以用 圖1表示，因此圖1涵蓋了兩種情況 一、通過負介電泳力對細胞進行定位排布 時所需的"孤島"陣列(參見圖2); 二、通過正介電泳力對細胞進行定位排布時 所需的"孤阱"陣列(參見圖3)。在一個晶片中，可以僅有"孤島5"(圖2)或 僅有"孤阱6"(圖3),或者同時具有"孤島5"及"孤阱6"(圖4)。圖4所示的 情況主要適用於兩種細胞的情況，即一種細胞經歷正介電泳到達"孤阱"，另一種 細胞經歷負介電泳到達"孤島"。
本實施例中，晶片下基板的上表面(或上基板的底面)具有很多陣列排布的"孤島"。這些"孤島"大小與被排布的單個細胞(或若干細胞的集合)的大小接近， "孤島"的材料採用非晶矽材料。"孤島"的形狀並不局限於圖2所示的情形，而 且所有孤島的形狀根據實際需要可以相同也可以不同(例如，有方形也有圓形或 其他形狀)。被排布的細胞位於上下基板之間的微流體腔4中。活細胞通常需要置 於具有一定離子濃度的培養液中，因此微流體腔4中的細胞懸浮液的電導率通常 比非晶矽的電導率大若干倍。通常情況下，該晶片不需任何晶片外圍配件及接口， 而且僅需一路激勵信號，因此使用成本很低。當上基板和下基板的兩層透明導電 薄膜之間被施加一個交流電壓信號，則電場方向是豎直的，但由於微流體腔4中 的液體層在"孤島"區域和"非孤島"區域的分壓不同，而豎直距離基本相同， 導致非均勻電場的形成，於是產生了介電泳力。液體層中位於"孤島"處的電場 強度比"非孤島"處的電場強度小若干倍，所以當細胞受負介電泳(即細胞向場 強極小處移動)時，細胞會自己移動到"孤島"5處(參見圖2，這裡的"孤島" 是泛指，並非某個特定的"孤島")，進而依照"孤島"陣列的排布形成規則化排 布，因此"孤島"與"孤島"之間的距離也就決定了細胞與細胞之間的距離。當 "孤島"的大小與單個細胞接近時，就能實現單細胞的陣列排布；當"孤島"的 大小與若干細胞的集合所佔面積接近時，就能實現細胞群的陣列排布。
另一方面，為了滿足細胞受正介電泳(即細胞向場強極大處移動)時的排布 定位，可以在晶片的下基板的上表面或(上基板的下表面)構造"孤阱"6。"孤 阱"6即為沒有沉積非晶矽的區域，其他區域均為沉積了非晶矽的"非孤阱"60 區域。"孤阱"的形狀並不局限於圖3所示的情形，而且所有"孤阱"的形狀可以 相同，也可以不同(例如，可以有方形、六邊型、圓形或其他形狀)。由於液體層 在"孤阱"區域和"非孤阱"區域的分壓不同，而豎直距離基本相同，導致非 均勻電場的形成，於是產生了介電泳力。位於"孤阱"6處的電場強度比"非孤阱" 60處的電場強度大若干倍，所以當細胞受正介電泳時，細胞會自己移動到"孤阱" 6處，進而依照"孤阱"陣列的排布形成規則化排布，因此"孤阱"與"孤阱"之 間的距離也就決定了細胞與細胞之間的距離。
本實施例中，晶片中的透明導電薄膜的材料可以選擇ITO(Indium Tin Oxides) 薄膜。"孤島"5含有鈍化層51和半導體材料層52。鈍化層51可以是碳化矽或氮 化矽薄膜，半導體材料層52可以是氫化非晶矽或者摻雜的硫化鎘(CdS)或者參雜 的硒化鎘(CdSe)或者是硫化鎘和硒化鎘的組合，或者是其他電導率比細胞培養液
6(亦即微流體腔中的細胞懸浮液)小若干倍的半導體材料。鈍化層51的厚度遠小 於半導體材料層52的厚度。晶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。透明材料最利於觀察，幾乎在所有應用中都可以使用 半透明的材料在僅需透過一定範圍波長的光線時可以使用；不透明的材料在不需 光學觀測的情況(例如，晶片上安裝了微傳感器)下或者允許揭丌上基底的應用 中(例如，需揭丌上基板進行添加試劑、觀測等)也可以使用。
權利要求1.一種由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，其特徵在於，該晶片包括上基底(12)及其下表面的上導電薄膜(11)組成的上基板(1)、下基底(32)以及其上表面的下導電薄膜(31)組成的下基板(3)、在上導電薄膜(11)與下導電薄膜(31)之間的絕緣間隔層(2)形成的微流體腔(4)；在下基板(3)的上表面或上基板(1)的下表面設有陣列式結構的半導體材料層(52)，在半導體材料層(52)上設有鈍化層(51)，並形成微型孤島(5)或微型孤阱(6)或者形成同時具有孤島及孤阱的形狀。
2. 如權利要求1所述的由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，其特徵在 於，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. 如權利要求1所述的由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，其特徵在 於，所述的所有微型孤島或孤阱的形狀全部相同，或部分相同或各不相同。
4. 如權利要求i所述的由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，其特徵在 於，半導體材料層(52)是非晶矽或者摻雜的硫化鎘或者參雜的硒化鎘或者是其他 電導率比細胞懸浮液小的半導體材料。
專利摘要一種由單路電信號激勵的細胞陣列式排布晶片，其下基板(3)的上表面或上基板(1)的下表面設有由半導體材料層和鈍化層構成的平面「孤島」(5)或「孤阱」(6)陣列結構。當在上導電薄膜(11)和下導電薄膜(31)之間施加電壓之後，晶片中的微流體腔(4)中的細胞在介電泳力的作用下移動到「孤島」(5)或「孤阱」(6)處，進而依照「孤島」或「孤阱」陣列的排布形成規則化排布。該晶片中的電場強度取決於微流體腔的豎直尺寸，而非水平「孤島」或「孤阱」間距，因而能夠避免產生局部強電場，以免對細胞造成損傷。該晶片在高通量的生物分析領域有很可觀的前景，可以作為廉價的可拋棄式的生化分析工具，能夠符合經濟型和環保性要求。
文檔編號C12M1/42GK201427971SQ20092004287
公開日2010年3月24日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者倪中華, 紅 易, 朱曉璐 申請人:東南大學