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CN112007704A - 一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法 - Google Patents

一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法，微流控芯片包括上层基片和下层基片；上层基片和下层基片密封键合在一起组成微流控芯片；上层基片设有进液孔、入口蓄液池、惯性流道、突扩流道、扰流障碍、内出口流道、内出口蓄液池、内出液孔、外出口流道、外出口蓄液池、外出液孔；进液孔依次与入口蓄液池、惯性流道、突扩流道连通；随后分成两条支路，一条支路依次与内出口流道、内出口蓄液池、内出液孔连通，另一条支路依次与外出口流道、外出口蓄液池、外出液孔连通；扰流障碍位于突扩流道内。本微流控芯片克服了传统惯性微流控芯片难以精确分选微纳米粒子的技术瓶颈，具有结构简单、操控精度好、通量高的优势。

Description

一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法
技术领域
本发明涉及一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法，属于微流控领域，可用于微纳米生物粒子和细胞的精确操控应用，如微纳米生物细胞的精确捕获、聚焦与分选等。
背景技术
便携式即时检测仪器在应对现场突发急性疾病诊断、恶性疾病早期筛查与预后评估、推动个性化医疗发展等方面具有重要应用价值，是面向民生健康需求的重要载体，近年来受到各国政府部门的高度重视。作为即时检测仪器的关键技术，微流控芯片具有检测速度快、灵敏度高、成本低、集成性好等优势，非常切合即时检测的技术需求，目前已成为该领域的研究热点。
生物细胞精确操控（如捕获、聚焦和分离等）是即时检测预处理环节中一个极其重要的关键步骤，其对样品处理效率和精度直接决定了后续检测结果的灵敏度和可靠性。鉴于此，国内外学者针对基于微流控技术的细胞操控方法进行了大量的探索研究，报道了一系列基于电、磁、声、光等物理场的操控技术（即主动式操控，如介电泳、磁泳、声镊、光镊等）、基于微流道自身结构的操控技术（即被动式操控，如确定性侧向位移、微阻隔过滤、惯性微流控等），以及基于主动与被动糅合的操控技术。主动式操控的实时可控性好，但样品处理通量较低且操作过程较复杂；而被动式操控的处理通量较高且无需外加物理场，因此在微型化器件中具有更好的集成优势。
其中，惯性微流控技术利用流体惯性效应诱导细胞在流道中受惯性力作用迁移实现精确操控，具有流道结构简单、操作方便、操控精度高等优势，受到国内外学者的广泛关注。然而，流体惯性效应对细胞外观尺寸具有强依赖性，难以对高浓度且尺寸相近的细胞进行精确操控（如分离并捕获血液中的循环肿瘤细胞），而该类细胞的精准获取对于一些重大疾病的诊断、监控与治疗极具应用与科学价值。
因此，突破传统惯性微流控技术，提升微纳米生物颗粒的操控性能，拓展惯性微流控的生医应用范围将为重大疾病的早期筛查与预后治疗提供研究基础，为最终实现惯性微流控芯片的产业化应用提供技术支撑。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片及方法，该芯片体积小、无需鞘液、操控精度好、通量高，可以满足微纳米生物粒子和细胞的精确操控应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提出的一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，包括上层基片和下层基片；上层基片和下层基片密封键合在一起组成微流控芯片。
所述上层基片设有进液孔、入口蓄液池、惯性流道、突扩流道、扰流障碍、内出口流道、内出口蓄液池、内出液孔、外出口流道、外出口蓄液池、外出液孔；所述进液孔、内出液孔和外出液孔均与外界相连通，用于微纳米粒子溶液导入和导出；所述进液孔依次与入口蓄液池、惯性流道、突扩流道连通；随后分成两条支路，一条支路依次与内出口流道、内出口蓄液池、内出液孔连通，另一条支路依次与外出口流道、外出口蓄液池、外出液孔连通，用于微纳米粒子的精确分选；所述扰流障碍位于突扩流道内。
上述惯性微流控芯片可用于实现两种以上不同尺寸微纳米粒子的惯性分选，且两种微纳米粒子的尺寸差异不低于3μm。
优选地，惯性流道的流道宽度大于流道高度，用于增强惯性流道中微纳米粒子的惯性聚焦效果；所述惯性流道为弯流道，用于产生垂直于截面主流动方向的二次流效应，增强微纳米粒子的惯性迁移效果。
优选的，惯性流道的横截面尺寸与流道中的微纳米粒子的尺寸关系为：a/D h ≥0.07，其中，a为微纳米粒子的直径，D h 为流道高度。
优选的，惯性流道的截面为矩形，且流道宽高比为1.5~8。
优选的，弯流道为阿基米德螺旋线结构。
优选的，突扩流道的宽度与惯性流道的宽度比例间于1.2~2。
优选的，扰流障碍为矩形或三角形中的一种，且数量为1个以上。
优选的，内出口流道与外出口流道的宽度比例间于0.1~1。
优选的，微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷、热塑性聚合物、玻璃或硅片。
一种惯性扰流分选微纳米粒子的方法如下，利用上述微流控芯片，包括如下步骤：
（1）、将不同尺寸的微纳米粒子溶液利用精密注射泵或气泵以设定的流量注入微流控芯片的进液孔，微纳米粒子刚进入惯性流道时随机分散于流道中。
（2）、惯性流道中的微纳米粒子溶液在垂直于截面主流动方向产生上下对称的两个二次流旋涡。此时，微纳米粒子同时受到惯性流道壁面诱导产生的惯性升力作用和溶液在螺旋流道中转向产生的二次流拽力作用。微纳米粒子在惯性升力和二次流拽力影响下逐渐产生惯性聚焦效果并横向迁移至不同的平衡位置，具体表现为大尺寸粒子的平衡位置比小尺寸粒子的平衡位置稍靠近流道内壁面。
（3）、当微纳米粒子运动经过突扩流道和扰流障碍时，大尺寸粒子受惯性升力主导作用绕过扰流障碍时迅速聚焦至流道近内壁面处，而小尺寸粒子受扰流拖曳力主导作用绕过扰流障碍时向外壁面迁移，从而使得大尺寸粒子和小尺寸粒子的平衡位置加大。
（4）、最终，大尺寸粒子进入内出口流道并经内出口蓄液池从内出液孔流出；小尺寸粒子进入外出口流道，并经外出口蓄液池从外出液孔流出，实现两种不同尺寸粒子的精确分选。
本发明所产生的有益效果如下：
本发明提出的微流控芯片突破了传统惯性微流控芯片的通用流道结构模型，设计了一种新型流道结构的螺旋流道芯片。在螺旋流道中引入突扩流道和扰流障碍结构，使微纳米粒子不仅受到流道壁面诱导产生的惯性升力作用和流体垂直于截面主流动方向的二次流拽力作用，而且还受到扰流障碍诱导产生的扰流拖曳力作用，使得不同尺寸微纳米粒子的聚焦平衡位置间距进一步增大，从而实现了不同尺寸微纳米粒子的精确分选。通过改变螺旋流道、突扩流道、扰流障碍的结构尺寸参数，可以改变微纳米粒子的惯性升力、二次流拽力和扰流拖曳力，使微纳米粒子产生不同的平衡位置，从而增强微纳米粒子的分选操控精度和范围，有益于实现三种以上不同尺寸微纳米粒子的精确分选。
本发明的芯片体积小、无需鞘液、操控精度好、通量高，且制作简便，在微纳米颗粒(如生物细胞)的聚焦、捕获、分选等精确操控方面具有潜在应用价值。
附图说明
图1是微流控芯片的3D结构示意图；
图2是惯性流道的结构示意图；
图3是微纳米生物粒子分选实验平台示意图；
图4是微纳米生物粒子在螺旋流道入口A-A截面上的随机分布示意图；
图5是微纳米生物粒子在螺旋流道出口B-B截面上的惯性聚焦示意图；
图6是微纳米生物粒子在突扩流道中的迁移分选示意图。
其中，1为上层基片，2为下层基片，3为进液孔，4为入口蓄液池、5为惯性流道、6为突扩流道、7为扰流障碍、8为内出口流道、9为内出口蓄液池、10为内出液孔、11为外出口流道、12为外出口蓄液池、13为外出液孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明提出的微流控芯片由上层基片1和下层基片2组成；上层基片1和下层基片2密封键合在一起组成微流控芯片； 上层基片1设有进液孔3、入口蓄液池4、惯性流道5、突扩流道6、扰流障碍7、内出口流道8、内出口蓄液池9、内出液孔10、外出口流道11、外出口蓄液池12、外出液孔13；进液孔3、内出液孔10和外出液孔13均与外界相连通，用于微纳米粒子溶液导入和导出；进液孔3依次与入口蓄液池4、惯性流道5、突扩流道6连通；随后分成两条支路，一条支路依次与内出口流道8、内出口蓄液池9、内出液孔10连通，另一条支路依次与外出口流道11、外出口蓄液池12、外出液孔13连通；用于微纳米粒子的精确分选；扰流障碍7位于突扩流道6内。
惯性流道5为阿基米德螺旋线结构，流道入口处内径为10mm，流道出口处外径为30mm。流道截面为矩形，宽度和高度分别为300μm和50μm，流道宽高比为6。所要分选的目标微纳米生物粒子有两种，均为聚苯乙烯粒子，直径分别为5μm和15μm。这两种生物粒子直径与惯性流道5高度的比例分别为0.1和0.3，满足a/D h ≥0.07的粒子聚焦要求（a为微纳米粒子的直径，D h 为流道高度）。突扩流道6的宽度为500μm，与惯性流道5的宽度比例为1.67。扰流障碍为矩形，数量为1个，宽度和高度分别为300μm和400μm。内出口流道8的宽度为150μm，外出口流道11的宽度为350μm，内出口流道8与外出口流道11的宽度比例为0.43。
本实施例中微流控芯片的上层基片1利用标准软光刻技术制作，材料为聚二甲基硅氧烷，下层基片2为玻璃盖玻片，上层基片1和下层基片2通过氧等离子清洗工艺进行不可逆键合。
如图3所示，利用本实施例中的微流控芯片对5μm和15μm直径的两种聚苯乙烯粒子进行分选应用。首先，利用精密注射泵将混合粒子溶液注入微流控芯片，流量设置为450μL/min。混合粒子溶液经进液孔3由入口蓄液池4进入惯性流道5中，在惯性流道5入口A-A截面处呈随机分布状态（图4）。由于惯性流道5为阿基米德螺旋形，流道中的微流体在垂直于主流动方向上产生两个对向流动的二次流旋涡，因此混合粒子在流道中同时受到惯性流道壁面诱导产生的惯性升力作用和溶液在螺旋流道中转向产生的二次流拽力作用。接着，混合粒子在惯性升力F L 和二次流拽力F D 影响下逐渐产生惯性聚焦效果并横向迁移至不同的平衡位置，具体表现为大尺寸粒子的平衡位置比小尺寸粒子的平衡位置稍靠近流道内壁面（图5），但此时两种粒子的平衡位置间距较小，无法实现两种粒子的精确分选。当粒子运动经过突扩流道6和扰流障碍7时，大尺寸粒子受惯性升力主导作用绕过扰流障碍7时迅速聚焦至流道近内壁面处，而小尺寸粒子受扰流拖曳力主导作用绕过扰流障碍7时向外壁面迁移，从而使得大尺寸粒子和小尺寸粒子的平衡位置加大（图6）。最终，大尺寸粒子进入内出口流道并经内出口蓄液池从内出液孔流出；小尺寸粒子进入外出口流道，并经外出口蓄液池从外出液孔流出，实现两种不同尺寸粒子的精确分选。
综上所述，本实施例提出的惯性微流控芯片具有精确的微纳米颗粒惯性操控性能，且无需鞘液供给、体积小巧、操作简便、通量高，可用于微纳米生物细胞的高效捕获、聚焦和分选等操控应用，在集成微流控芯片实验室、便捷式即时检测仪器等方面具有广泛的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：包括上层基片（1）和下层基片（2）；所述上层基片（1）和下层基片（2）密封键合在一起组成微流控芯片；
所述上层基片（1）设有进液孔（3）、入口蓄液池（4）、惯性流道（5）、突扩流道（6）、扰流障碍（7）、内出口流道（8）、内出口蓄液池（9）、内出液孔（10）、外出口流道（11）、外出口蓄液池（12）、外出液孔（13）；
所述进液孔（3）、内出液孔（10）和外出液孔（13）均与外界相连通，用于微纳米粒子溶液导入和导出；所述进液孔（3）依次与入口蓄液池（4）、惯性流道（5）、突扩流道（6）连通；随后分成两条支路，一条支路依次与内出口流道（8）、内出口蓄液池（9）、内出液孔（10）连通，另一条支路依次与外出口流道（11）、外出口蓄液池（12）、外出液孔（13）连通；用于微纳米粒子的精确分选；所述扰流障碍（7）位于突扩流道（6）内。
2.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述惯性流道（5）的流道宽度大于流道高度，用于增强惯性流道（5）中微纳米粒子的惯性聚焦效果；所述惯性流道（5）为弯流道，用于产生垂直于截面主流动方向的二次流效应，增强微纳米粒子的惯性迁移效果。
3.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述惯性流道（5）的横截面尺寸与流道中的微纳米粒子的尺寸关系为：a/D h ≥0.07，其中，a为微纳米粒子的直径，D h 为流道高度。
4.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述惯性流道（5）的截面为矩形，且流道宽高比为1.5~8。
5.根据权利要求2所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述弯流道为阿基米德螺旋线结构。
6.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述突扩流道（6）的宽度与惯性流道（5）的宽度比例间于1.2~2。
7.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述扰流障碍（7）为矩形或三角形中的一种，且数量为1个以上。
8.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述内出口流道（8）与外出口流道（11）的宽度比例间于0.1~1。
9.根据权利要求1所述的惯性扰流分选微纳米粒子的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷、热塑性聚合物、玻璃或硅片。
10.一种惯性扰流分选微纳米粒子的方法，其特征在于利用权利要求1所述的微流控芯片，其步骤如下：
（1）、将不同尺寸的微纳米粒子溶液利用精密注射泵或气泵以设定的流量注入微流控芯片的进液孔（3），微纳米粒子进入惯性流道（5）时随机分散于流道中；
（2）、惯性流道（5）中的微纳米粒子溶液在垂直于截面主流动方向产生上下对称的两个二次流旋涡；此时，微纳米粒子同时受到惯性流道（5）壁面诱导产生的惯性升力作用和溶液在螺旋流道中转向产生的二次流拽力作用，微纳米粒子在惯性升力和二次流拽力影响下逐渐产生惯性聚焦效果并横向迁移至不同的平衡位置，具体表现为大尺寸粒子的平衡位置比小尺寸粒子的平衡位置稍靠近流道内壁面；
（3）、当微纳米粒子运动经过突扩流道（6）和扰流障碍（7）时，大尺寸粒子受惯性升力主导作用绕过扰流障碍（7）时迅速聚焦至流道近内壁面处，而小尺寸粒子受扰流拖曳力主导作用绕过扰流障碍（7）时向外壁面迁移，从而使得大尺寸粒子和小尺寸粒子的平衡位置加大；
（4）、最终，大尺寸粒子进入内出口流道（8）并经内出口蓄液池（9）从内出液孔（10）流出；小尺寸粒子进入外出口流道（11），并经外出口蓄液池（12）从外出液孔（13）流出，实现两种不同尺寸粒子的精确分选。
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