基于全自動FISH染色系統的微流控芯片設計

(武漢紡織大學電子與電氣工程學院 湖北 武漢 430000)

斜坡芯片采用連續不同坡度的結構，四個檢測通道，結合FISH染色系統，實現了FISH技術的全自動化。整個系統能夠用于實體腫瘤(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、斜坡芯片的外觀設計

全自動FISH染色系統主要由進樣電容針模塊、溫控模塊、負壓控制電磁比例閥模塊等組成，系統結構框圖如圖一。整個系統中由三軸系統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，在負壓泵的作用下，樣本和試劑順利進入芯片并排出，其中電磁比例閥的作用為調節抽取壓力的大小，從而控制芯片內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行溫度的調節。因此，根據系統的設計，將芯片入口設計成喇叭口狀，用以裝載電容針運送過來的樣本和各種試劑。此外，為實現高效檢測，在同一芯片上設計了四個通道。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。芯片的外觀結構示意圖如圖二：

圖一 系統框圖

圖二 芯片外觀結構示意圖

二、斜坡芯片的內部結構設計

圖三為斜坡芯片內部結構示意圖。芯片內部結構采用的是兩個不同坡度的連續斜坡結構，第一個坡度遠大于第二個坡度，目的是防止樣本在加樣時在入口處出現堵塞，而第二個坡度較平緩，目的是使得所截留的細胞呈單層分布，便于后期實驗結果的觀察。

圖三 斜坡芯片內部結構示意圖

三、斜坡芯片結構參數的優化

(一)芯片出口高度的設計

血樣為10μl，預固定時間為10min，抽取壓力為-25Kpa，通道的出口高度依次為2mm，3mm，4mm，5mm，細胞截留率與芯片出口高度的關系如圖四。據圖，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染色雜交結果的病理分析是統計區域內大致200個白細胞內紅色信號與綠色信號的組合和點數來判定，因此，將芯片出口高度設計為3mm即可滿足需求，還縮短了檢測時間。

圖四 細胞截留率與芯片出口高度的關系

(二)芯片通道寬度的設計

在測試設計階段將通道寬度依次設計為2.5mm，5mm，7mm，10mm。經實驗驗證，2.5mm的通道細胞最密集，但隨著通道的加寬，細胞的分布也會越分散。而芯片通道的寬度設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，需要保證四個電容針之間不干涉，同時又在加熱板區域內。此外，在滿足以上系統設計中的要求時，還需保證細胞在芯片內部分布較均勻，以便于觀察。因此，將芯片的通道寬度設計為5mm便可以滿足需求。

四、結束語

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，FISH染色過程擺脫了傳統染色方式的載片法，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方式的六分之一，探針用量減少至傳統方式的四分之一，使得全自動FISH染色系統具有高通量、高捕獲率、高效率、低成本等特點，實現了FISH技術的全自動化，有效的推動了FISH技術在血液類疾病診斷和實體腫瘤診斷等領域的使用和推廣。