基于全自动FISH染色系统的微流控芯片设计

(武汉纺织大学电子与电气工程学院 湖北 武汉 430000)

斜坡芯片采用连续不同坡度的结构，四个检测通道，结合FISH染色系统，实现了FISH技术的全自动化。整个系统能够用于实体肿瘤(肺癌、乳腺癌、膀胱癌、宫颈癌等实体肿瘤)、血液肿瘤(染色体数目异常检测、核型分析、基因缺失检测等)等的诊断，具有高通量、低成本、高捕获率等特点。

一、斜坡芯片的外观设计

全自动FISH染色系统主要由进样电容针模块、温控模块、负压控制电磁比例阀模块等组成，系统结构框图如图一。整个系统中由三轴系统提供精确的位移平台，三轴带动电容针将样本和各种试剂运送到芯片的入口，在负压泵的作用下，样本和试剂顺利进入芯片并排出，其中电磁比例阀的作用为调节抽取压力的大小，从而控制芯片内部样本和试剂的流速。温控模块则是为实验提供不同的温度，通过PC机发送命令给温控板，温控板则通过控制芯片夹具中的加热模块或散热模块进行温度的调节。因此，根据系统的设计，将芯片入口设计成喇叭口状，用以装载电容针运送过来的样本和各种试剂。此外，为实现高效检测，在同一芯片上设计了四个通道。既充分利用了单片芯片的面积，又能够同时检测四组样本，在满足高效检测的同时，又极大的降低了成本。芯片的外观结构示意图如图二：

图一 系统框图

图二 芯片外观结构示意图

二、斜坡芯片的内部结构设计

图三为斜坡芯片内部结构示意图。芯片内部结构采用的是两个不同坡度的连续斜坡结构，第一个坡度远大于第二个坡度，目的是防止样本在加样时在入口处出现堵塞，而第二个坡度较平缓，目的是使得所截留的细胞呈单层分布，便于后期实验结果的观察。

图三 斜坡芯片内部结构示意图

三、斜坡芯片结构参数的优化

(一)芯片出口高度的设计

血样为10μl，预固定时间为10min，抽取压力为-25Kpa，通道的出口高度依次为2mm，3mm，4mm，5mm，细胞截留率与芯片出口高度的关系如图四。据图，芯片的出口高度值越大，截留率越低。此外，出口高度越高，在同样的抽取压力下，样本的流速越大。而白血病样本的FISH染色杂交结果的病理分析是统计区域内大致200个白细胞内红色信号与绿色信号的组合和点数来判定，因此，将芯片出口高度设计为3mm即可满足需求，还缩短了检测时间。

图四 细胞截留率与芯片出口高度的关系

(二)芯片通道宽度的设计

在测试设计阶段将通道宽度依次设计为2.5mm，5mm，7mm，10mm。经实验验证，2.5mm的通道细胞最密集，但随着通道的加宽，细胞的分布也会越分散。而芯片通道的宽度设计主要与四个加样电容针的位置以及温控模块中的加热板面积有关，需要保证四个电容针之间不干涉，同时又在加热板区域内。此外，在满足以上系统设计中的要求时，还需保证细胞在芯片内部分布较均匀，以便于观察。因此，将芯片的通道宽度设计为5mm便可以满足需求。

四、结束语

依托微流控芯片具有封闭腔体、高通量、腔体小、集成度高等特点，FISH染色过程摆脱了传统染色方式的载片法，省去了制片、烤片、盖片和封片等步骤，将检测时间缩短至传统方式的六分之一，探针用量减少至传统方式的四分之一，使得全自动FISH染色系统具有高通量、高捕获率、高效率、低成本等特点，实现了FISH技术的全自动化，有效的推动了FISH技术在血液类疾病诊断和实体肿瘤诊断等领域的使用和推广。