基于全自動FISH染色系統(tǒng)的微流控芯片設(shè)計

(武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 湖北 武漢 430000)

斜坡芯片采用連續(xù)不同坡度的結(jié)構(gòu)，四個檢測通道，結(jié)合FISH染色系統(tǒng)，實現(xiàn)了FISH技術(shù)的全自動化。整個系統(tǒng)能夠用于實體腫瘤(肺癌、乳腺癌、膀胱癌、宮頸癌等實體腫瘤)、血液腫瘤(染色體數(shù)目異常檢測、核型分析、基因缺失檢測等)等的診斷，具有高通量、低成本、高捕獲率等特點。

一、斜坡芯片的外觀設(shè)計

全自動FISH染色系統(tǒng)主要由進(jìn)樣電容針模塊、溫控模塊、負(fù)壓控制電磁比例閥模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖一。整個系統(tǒng)中由三軸系統(tǒng)提供精確的位移平臺，三軸帶動電容針將樣本和各種試劑運送到芯片的入口，在負(fù)壓泵的作用下，樣本和試劑順利進(jìn)入芯片并排出，其中電磁比例閥的作用為調(diào)節(jié)抽取壓力的大小，從而控制芯片內(nèi)部樣本和試劑的流速。溫控模塊則是為實驗提供不同的溫度，通過PC機發(fā)送命令給溫控板，溫控板則通過控制芯片夾具中的加熱模塊或散熱模塊進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。因此，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計，將芯片入口設(shè)計成喇叭口狀，用以裝載電容針運送過來的樣本和各種試劑。此外，為實現(xiàn)高效檢測，在同一芯片上設(shè)計了四個通道。既充分利用了單片芯片的面積，又能夠同時檢測四組樣本，在滿足高效檢測的同時，又極大的降低了成本。芯片的外觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖二：

圖一 系統(tǒng)框圖

圖二 芯片外觀結(jié)構(gòu)示意圖

二、斜坡芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖三為斜坡芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用的是兩個不同坡度的連續(xù)斜坡結(jié)構(gòu)，第一個坡度遠(yuǎn)大于第二個坡度，目的是防止樣本在加樣時在入口處出現(xiàn)堵塞，而第二個坡度較平緩，目的是使得所截留的細(xì)胞呈單層分布，便于后期實驗結(jié)果的觀察。

圖三 斜坡芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

三、斜坡芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

(一)芯片出口高度的設(shè)計

血樣為10μl，預(yù)固定時間為10min，抽取壓力為-25Kpa，通道的出口高度依次為2mm，3mm，4mm，5mm，細(xì)胞截留率與芯片出口高度的關(guān)系如圖四。據(jù)圖，芯片的出口高度值越大，截留率越低。此外，出口高度越高，在同樣的抽取壓力下，樣本的流速越大。而白血病樣本的FISH染色雜交結(jié)果的病理分析是統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)大致200個白細(xì)胞內(nèi)紅色信號與綠色信號的組合和點數(shù)來判定，因此，將芯片出口高度設(shè)計為3mm即可滿足需求，還縮短了檢測時間。

圖四 細(xì)胞截留率與芯片出口高度的關(guān)系

(二)芯片通道寬度的設(shè)計

在測試設(shè)計階段將通道寬度依次設(shè)計為2.5mm，5mm，7mm，10mm。經(jīng)實驗驗證，2.5mm的通道細(xì)胞最密集，但隨著通道的加寬，細(xì)胞的分布也會越分散。而芯片通道的寬度設(shè)計主要與四個加樣電容針的位置以及溫控模塊中的加熱板面積有關(guān)，需要保證四個電容針之間不干涉，同時又在加熱板區(qū)域內(nèi)。此外，在滿足以上系統(tǒng)設(shè)計中的要求時，還需保證細(xì)胞在芯片內(nèi)部分布較均勻，以便于觀察。因此，將芯片的通道寬度設(shè)計為5mm便可以滿足需求。

四、結(jié)束語

依托微流控芯片具有封閉腔體、高通量、腔體小、集成度高等特點，F(xiàn)ISH染色過程擺脫了傳統(tǒng)染色方式的載片法，省去了制片、烤片、蓋片和封片等步驟，將檢測時間縮短至傳統(tǒng)方式的六分之一，探針用量減少至傳統(tǒng)方式的四分之一，使得全自動FISH染色系統(tǒng)具有高通量、高捕獲率、高效率、低成本等特點，實現(xiàn)了FISH技術(shù)的全自動化，有效的推動了FISH技術(shù)在血液類疾病診斷和實體腫瘤診斷等領(lǐng)域的使用和推廣。