一種用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明目的在于提供一種用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，通過規(guī)模集成芯片的制作和芯片上多種單元技術(shù)的靈活組合，將常規(guī)的微藻的培養(yǎng)、重金屬的多濃度條件的施加、細(xì)胞受脅迫和生物效應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定等過程集成在一塊芯片上完成；該系統(tǒng)基本由兩部分基本單元構(gòu)成：第一個(gè)基本單元為以微藻為受試對(duì)象的水體重金屬毒性評(píng)價(jià)微流控芯片，第二個(gè)基本單元為微流控芯片外圍設(shè)備。
【專利說明】一種用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到微流控芯片技術(shù)與環(huán)境生態(tài)領(lǐng)域，特別提供了一種適于簡(jiǎn)單、快速進(jìn)行微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)階段，水體環(huán)境污染評(píng)價(jià)中面臨著受試污染物種類眾多、多濃度梯度的毒性考察所導(dǎo)致的工作量巨大，待測(cè)樣品毒性評(píng)價(jià)過程中采集、預(yù)處理過程繁瑣，分析、測(cè)定困難，所需儀器昂貴等問題。微流控芯片實(shí)驗(yàn)室作為本世紀(jì)一項(xiàng)重要的科學(xué)技術(shù)，已可控流體貫穿系統(tǒng)，通過將常規(guī)實(shí)驗(yàn)室操作單元規(guī)模集成和靈活組合，可以很好的解決目前水環(huán)境污染評(píng)價(jià)過程中諸多實(shí)驗(yàn)分析問題，從而提供一種通量高、集成化和低成本的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[0003]實(shí)驗(yàn)室微藻類試驗(yàn)(包括急性毒性試驗(yàn)和慢性毒性試驗(yàn))被廣泛用來評(píng)價(jià)海洋污染的生物毒性效應(yīng)。除了某些生理標(biāo)志物(光合作用、某些酶和蛋白含量等)可以作為反應(yīng)終點(diǎn)外，運(yùn)動(dòng)性也是一個(gè)有效的生理指標(biāo)。微流控芯片與微藻尺寸匹配，適于構(gòu)建微小的流體環(huán)境，因此將以微藻作為研究對(duì)象的實(shí)時(shí)觀測(cè)研究變?yōu)榭赡?，并已在相關(guān)領(lǐng)域取得了較好的研究進(jìn)展。隨著研究的不斷深入，微流控芯片系統(tǒng)或可成為微藻研究的重要平臺(tái)技術(shù)之一，為微藻研究相 關(guān)的生物工程、生態(tài)毒理及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面提供技術(shù)與理論的支持。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是通過微流控芯片的制作和芯片上多種單元技術(shù)的靈活組合，將常規(guī)的微藻類培養(yǎng)、污染物多濃度條件的施加、細(xì)胞受脅迫、細(xì)胞活性、狀態(tài)等效應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定等過程集成在一塊芯片上完成，從而構(gòu)建一種適于簡(jiǎn)單、快速進(jìn)行微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)；以解決目前水體污染毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中工作量大，實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，分析測(cè)定困難以及儀器設(shè)備昂貴等諸多問題。
[0005]本發(fā)明提供了一種用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，該芯片系統(tǒng)由兩個(gè)基本單元構(gòu)成，第一個(gè)基本單元為微流控芯片，由污染物添加單元和微藻培養(yǎng)單元構(gòu)成；第二個(gè)基本單元為微流控芯片外圍設(shè)備。
[0006]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微流控芯片設(shè)計(jì)為上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)；上層為蓋片，具有微通道、細(xì)胞接種入口、污染物蓄液池和廢液出口 ；下層通過軟刻蝕技術(shù)產(chǎn)生污染物流路通道和微藻培養(yǎng)室。
[0007]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微流控芯片使用的材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0008]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微藻培養(yǎng)室與污染物流路通道之間通過微通道連通；所述微通道的深度為2微米~5微米，要求小于受試微藻直徑與厚度，可在攔截懸浮細(xì)胞的同時(shí)，通過擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的自由交換。
[0009]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微流控芯片外圍設(shè)備為微量注射泵，微量注射泵與微流控芯片上層的廢液出口處相連，并以連續(xù)倒退吸取的方式維持污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)供給。
[0010]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微藻培養(yǎng)單元同時(shí)也做為微藻的實(shí)時(shí)觀測(cè)單元，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種類型微藻的培養(yǎng)和微藻運(yùn)動(dòng)性響應(yīng)的檢測(cè)功能。
[0011]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，通過規(guī)模集成芯片的制作和芯片上多種單元技術(shù)的靈活組合，將常規(guī)的微藻的培養(yǎng)、污染物的多濃度條件的施加、細(xì)胞受脅迫和生物效應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定等過程集成在一塊芯片上完成；該系統(tǒng)基本由兩部分基本單元構(gòu)成:第一個(gè)基本單元為以微藻為受試對(duì)象的水體重金屬毒性評(píng)價(jià)微流控芯片，第二個(gè)基本單元為微流控芯片外圍設(shè)備。
[0012]其中用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片采用PDMS軟刻蝕及不可逆封接技術(shù)構(gòu)建的雙層微流控芯片:芯片下層為液體流路層，包括污染物流路通道和微藻培養(yǎng)室結(jié)構(gòu)，其中污染物的添加是通過芯片上層中心處廢液出口外接微量注射泵，并以連續(xù)倒退吸取的方式維持污染物多濃度的平行、持續(xù)供給；微藻培養(yǎng)室單元為8X3細(xì)胞培養(yǎng)池陣列，可完成多組平行試驗(yàn)，微藻培養(yǎng)單元同時(shí)也做為微藻實(shí)時(shí)觀測(cè)單元可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種類型微藻的培養(yǎng)和微藻運(yùn)動(dòng)性響應(yīng)的檢測(cè)等功能；芯片上層為蓋片，具有具有微通道、細(xì)胞接種入口、污染物蓄液池和廢液出口結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，所述微流控芯片外圍設(shè)備是用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片實(shí)現(xiàn)各功能的外部支持及微藻運(yùn)動(dòng)行為分析的檢測(cè)裝置，主要包括微量注射泵、顯微鏡和Nikon5100相機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)分析軟件等。由外接微量注射泵以連續(xù)倒退抽取的方式維持污染物多濃度的平行、持續(xù)供給。
[0014]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，以微藻運(yùn)動(dòng)性為生物效應(yīng)指標(biāo)，通過對(duì)芯片上污染物不同作用濃度以及相應(yīng)條件下微藻運(yùn)動(dòng)性參數(shù)的分析，判定水體污染物的生物毒性效應(yīng)。
[0015]本發(fā)明提供的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:快速、集成化和成本低，是一種進(jìn)行微藻毒性試驗(yàn)的新平臺(tái)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為芯片上層，2為芯片下層，，3為污染物蓄液池(X8)，4為細(xì)胞接種入口(X8)，5為微藻培養(yǎng)室(8X3)，6為廢液出口，7為微通道；
[0017]圖2為微通道結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，其中，I為芯片上層，2為污染物流路通道，3為芯片下層，4為微藻培養(yǎng)室,5為微通道；
[0018]圖3重金屬Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)行為軌跡變化圖，其中，I為10μΜ，2為5.7μΜ，3為 11.4 μ Μ，4 為 17.1 μ Μ，5 為 22.9 μ Μ，6 為 28.6 μ Μ，7 為 34.3 μ Μ，8 為 40.0 μ M ;
[0019]圖4重金屬Cu作用下微藻能動(dòng)百分比(Μ0Τ%)變化；
[0020]圖5重金屬Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)曲線速度(VCL)變化；
[0021]圖6重金屬Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)平均路徑速度(VAP)變化；
[0022]圖7重金屬Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)直線速度(VSL)變化。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面的實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。[0024]實(shí)施例1
[0025]利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1和圖2所示，接種微藻(本實(shí)施例選用青島大扁藻)，接種密度lX105cell/mL。在芯片上層通過芯片蓄液池內(nèi)添加重金屬Cu由低到高八個(gè)濃度，分別為O μ M、5.7 μ M、11.4 μ M、17.1 μ Μ、22.9 μ Μ、28.6 μ Μ、34.3 μ Μ、40.0 μ M ;同時(shí)以微量注射泵與微流控芯片上層的廢液出口處相連，并以連續(xù)倒退吸取的方式維持多濃度污染物平行、持續(xù)供給。污染物流路內(nèi)Cu濃度通過微通道(見圖2)擴(kuò)散作用迅速與培養(yǎng)室內(nèi)達(dá)到平衡。經(jīng)過2小時(shí)刺激后，Nikon5100相機(jī)攝像30s(25frame/s)，CASA軟件分析。微藻的運(yùn)動(dòng)性為和軌跡對(duì)重金屬Cu的相應(yīng)結(jié)果如圖3所示，分析范圍為ΟμΜ~40.0μΜ。藻體狀態(tài)良好時(shí)，能夠自由翻轉(zhuǎn)，無目的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。水體受到污染后，藻類受到重金屬毒害或損傷，自由翻轉(zhuǎn)不再順暢，運(yùn)動(dòng)軌跡變成直線；進(jìn)一步毒性加重夠，
22.9μΜ以上的Cu使藻的運(yùn)動(dòng)行為變成原地打轉(zhuǎn)，震顫，最后失去運(yùn)動(dòng)能力。
[0026]實(shí)施例2
[0027]利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1所示，接種微藻(本實(shí)施例選用青島大扁藻)，接種密度lX105cell/mL。在芯片上層通過芯片蓄液池內(nèi)添加重金屬(本示例選用Cu)由低到高八個(gè)濃度，分別為O μ M、5.7 μ M、11.4 μ M、17.1μΜ、22.9μΜ、28.6 μ Μ、34.3 μ Μ、40.0 μ M ;同時(shí)以微量注射泵與微流控芯片上層的廢液出口處相連，并以連續(xù)倒退吸取的方式維持多濃度污染物平行、持續(xù)供給。流路內(nèi)重金屬濃度通過擴(kuò)散作用迅速與培養(yǎng)室內(nèi)達(dá)到平衡。經(jīng)過2小時(shí)刺激后，Nikon相機(jī)攝像30s (25frame/s), CASA軟件分析。Cu作用下微藻能動(dòng)百分比(Μ0Τ%)變化如圖4所示，分析范圍為O μ M~28.6 μ M。以能動(dòng)百分比(Μ0Τ%) 做為Cu毒性評(píng)估，其EC5tl值為13.02 μ Μ。
[0028]實(shí)施例3
[0029]利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1所示，接種微藻(本實(shí)施例選用青島大扁藻)，接種密度lX105cell/mL。在芯片上層通過芯片蓄液池內(nèi)添加重金屬(本實(shí)施例選用重金屬Cu)由低到高八個(gè)濃度。經(jīng)過2小時(shí)刺激后，Nikon相機(jī)攝像30s(25frame/s), CASA軟件分析。Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)曲線速度(VCL)變化如圖5所示,分析范圍為O μ M~28.6 μ M。以曲線速度(VCL)做為Cu毒性評(píng)估的效應(yīng)參數(shù)時(shí)，其EC5tl值為
17.96 μ Mo
[0030]實(shí)施例4
[0031]利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1所示，進(jìn)行Cu毒性試驗(yàn)。接種微藻(本實(shí)施例選用青島大扁藻)，接種密度IX 105cell/mL。經(jīng)過2小時(shí)重金屬刺激后，Nikon相機(jī)攝像30s (25frame/s), CASA軟件分析。Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)平均路徑速度(VAP)變化如圖6所示，分析范圍為O μ M~17.1 μ M。以平均路徑速度(VAP)做為Cu毒性評(píng)估的效應(yīng)參數(shù)時(shí)，其EC5tl值為16.69 μ M0
[0032]實(shí)施例5
[0033]利用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)并制作的微流控芯片系統(tǒng)，構(gòu)型如圖1所示，進(jìn)行Cu毒性試驗(yàn)。接種微藻(本實(shí)施例選用青島大扁藻)，接種密度lX105cell/mL。經(jīng)過2小時(shí)重金屬刺激后，Nikon相機(jī)攝像30s (25frame/s), CASA軟件分析。Cu作用下微藻運(yùn)動(dòng)直線速度(VSL)變化如圖7所示，ΟμΜ~22.9μΜ，其EC5tl值為31.6 μ Μ，但相對(duì)誤差較大。
【權(quán)利要求】
1.一種用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:該微流控芯片系統(tǒng)由兩個(gè)基本單元構(gòu)成， 第一個(gè)基本單元為微流控芯片，由污染物添加單元和微藻培養(yǎng)單元構(gòu)成； 第二個(gè)基本單元為微流控芯片外圍設(shè)備。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微流控芯片設(shè)計(jì)為上、下兩層正方形芯片結(jié)構(gòu)；上層為蓋片，具有微通道、細(xì)胞接種入口、污染物蓄液池和廢液出口 ；下層通過軟刻蝕技術(shù)產(chǎn)生污染物流路通道和微藻培養(yǎng)室。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微流控芯片使用的材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
4.按照權(quán)利要求2所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微藻培養(yǎng)室與污染物流路通道之間通過微通道連通。
5.按照權(quán)利要求4所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微通道的深度為2微米~5微米。
6.按照權(quán)利要求1所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微流控芯片外圍設(shè)備由外接微量注射泵以連續(xù)倒退抽取的方式維持污染物的平行、持續(xù)供 5口 O
7.按照權(quán)利要求6所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微量注射泵與微流控芯片上層的廢液出口處相連。
8.按照權(quán)利要求1所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)，其特征在于:所述微藻培養(yǎng)單元同時(shí)也做為微藻實(shí)時(shí)觀測(cè)單元，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種類型微藻的培養(yǎng)和微藻運(yùn)動(dòng)性響應(yīng)的檢測(cè)功能。
9.權(quán)利要求1所述的用于微藻毒性試驗(yàn)的微流控芯片系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于:以微藻運(yùn)動(dòng)性為生物效應(yīng)指標(biāo)，通過對(duì)芯片上污染物不同作用濃度以及相應(yīng)條件下微藻運(yùn)動(dòng)性參數(shù)的分析，判定水體污染物生物的毒性效應(yīng)。
【文檔編號(hào)】C12M1/34GK103468569SQ201210189408
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月8日
【發(fā)明者】秦建華, 鄭國(guó)俠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所