CN114534809B - 一种截面形状可调的微流控微粒操控器件及微粒操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种截面形状可调的微流控微粒操控器件及微粒操控方法，所述微流控器件自上而下包括顶板、惯性微流控芯片、底板、玻璃片，所述惯性微流控芯片包括惯性流道层和PDMS薄膜。上述芯片将惯性流道层键合到PDMS薄膜上，在薄膜下方通入气压，薄膜受压会向上变形，从而使流道截面形状发生改变。通过调节流量和改变输入气压的大小等方式可以精确调控薄膜变形的程度，从而获得截面形状可调控的微流控芯片。利用上述微流控器件进行微纳米生物颗粒操控能获得更高的操控精度并拓展其应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种截面形状可调的微流控微粒操控器件及微粒操控方法，属于微流控领域，可用于微纳米生物颗粒的精确操控应用，如微纳米生物细胞的精确捕获、聚焦与分离等。
背景技术
捕获并分析微纳米生物颗粒对生命科学研究极为重要，例如捕获并检测血液中的稀有细胞如循环肿瘤细胞（CTCs）有利于恶性肿瘤的早期诊断；分离血液中的红、白细胞和血小板，并对分离获得的高纯度细胞进行分析有利于对一些疾病（如糖尿病、肝硬化、冠心病等）参数的检测，因此有必要研究微纳米生物颗粒的操控技术。
通过构建微米级的流道网络，微流控技术已经发展成为微纳米生物颗粒操控的研究热点和主流技术。鉴于此，国内外学者通过引入电场、声场和磁场等外场作用（主动技术），或利用特殊微结构及其诱导产生的微流体效应（被动技术），开发出了多种不同工作原理的片上微粒操控技术。主动式操控的实时可控性好，但样品处理通量低且操作过程较复杂，而被动式操控的处理通量较高、操作便捷且无需外加物理场，因此在微型化器件中具有更好的集成优势。其中，惯性微流控技术作为一种被动式粒子操控技术，基于粒子在牛顿流体中横向惯性迁移的尺寸依赖性，利用直流道或弯流道中的惯性升力和二次流拖曳力共同作用使不同尺寸的粒子聚焦在流道不同的位置实现精确操控，具有流道结构简单、操作方便、操控精确度高等优势。传统惯性微流控芯片的流道截面主要为矩形和梯形，截面形状一旦设定就无法再改变其尺寸，因此只能用于特定尺寸微粒的操控。然而，惯性微流控芯片在用于生医应用时，由于生物细胞的尺寸多分散性极为复杂，采用传统芯片无法实现多种不同细胞的精准操控。
因此，突破传统惯性微流控技术，使惯性微流控芯片用于多种不同尺寸微粒的精确操控有助于提升微纳米生物颗粒的操控性能，拓展其在生医领域的应用范围，为最终实现其产业转化提供技术支撑。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种截面形状可调的微流控微粒操控器件及其微粒操控方法，该器件体积小、操控精度和通量高，可以实现多种不同尺寸微纳米生物颗粒的精确操控，并拓展其应用范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，自上而下包括顶板、惯性微流控芯片、底板和玻璃片。其中，惯性微流控芯片嵌入底板中，顶板活动连接在底板上，玻璃片位于底板底部。
上述微流控器件中，所述惯性微流控芯片包括惯性流道层和PDMS薄膜；所述惯性流道层和PDMS薄膜互相键合。
上述惯性微流控芯片中，所述惯性流道层设有进液孔、入口蓄液池、惯性流道、出口蓄液池和出液孔，所述惯性流道的结构为阿基米德螺旋形结构，所述进液孔和入口蓄液池的数量均为一个或两个，出液孔和出口蓄液池的数量均为两个，所述进液孔和出液孔均与外界相连通，用于微纳米粒子溶液的导入与导出。
上述惯性微流控芯片中，所述PDMS薄膜根据受压区域的不同，可分为全区域受压薄膜和直流道区域受压薄膜；所述PDMS薄膜的厚度为50µm~500µm。
当PDMS薄膜为直流道区域受压薄膜时，为达到只有出口直流道区域受压的目的，需要在PDMS薄膜下方再键合一层硅胶膜，所述硅胶膜的厚度大于1mm，目的是避免硅胶膜受压发生变形；所述硅胶膜开有微槽，所述微槽的位置在出口直流道区域的正下方。
上述微流控器件中，所述顶板上设有一个凹槽，凹槽内还设有入口观察槽和出口观察槽，用于观察微纳米粒子在流道入口和出口的分布状态；所述底板上方设有方槽一，下方设有方槽二，侧边设有进气孔；所述凹槽与方槽一叠加形成的空间与惯性微流控芯片大小相同，用于放置和固定惯性微流控芯片。
上述微流控器件中，方槽二用于放置玻璃片；所述进气孔位于玻璃片和惯性微流控芯片之间，将气针插入进气孔并连接到压缩机，用于提供薄膜变形所需的压力。
一种使用截面形状可调的微流控微粒操控器件的微粒操控方法，其原理为：
利用PDMS薄膜受压易变形的特点使原本为矩形的流道截面形状发生改变，通过调节流量和改变输入气压的大小等方式控制薄膜变形的程度，从而获得截面形状可调控的惯性微流控芯片。
本发明所产生的有益效果如下：
本发明的微流控器件通过将惯性流道层键合在PDMS薄膜上，并采取对薄膜底部加气压的方式，使流道截面可动态变化，克服了传统惯性微流控芯片的流道截面固定的限制。相较传统微流控器件，本设计可以通过调节流量和改变输入气压大小等方式控制薄膜变形的程度，从而获得截面形状可调控的惯性微流控芯片，利用所述微流控器件进行微纳米生物颗粒操控，可以提高芯片操控微纳米生物颗粒的能力，并拓展微粒操控的应用范围。同时，本发明的微流控器件还具有体积小、操控精度和通量高制作简便等优势。
附图说明
图1是微流控器件的3D结构爆炸图；
图2是全区域薄膜受压惯性微流控芯片的3D结构示意图；
图3是直流道区域薄膜受压惯性微流控芯片的3D结构示意图；
图4是直流道区域薄膜受压惯性微流控芯片的俯视图；
图5是惯性流道层的3D结构示意图；
图6是顶板3D结构示意图；
图7是底板3D结构示意图；
图8是单入口双出口螺旋流道示意图；
图9是双入口双出口螺旋流道示意图；
图10是微纳米生物颗粒分离实验平台示意图；
图11是薄膜变形引起的下凹型截面流道中非对称二次流场的仿真模型图；
图12是10µm粒子在传统矩形截面微流控芯片中的聚焦实验结果；
图13是10µm粒子在截面可调的微流控芯片中的聚焦实验结果；
其中，1为顶板、2为惯性微流控芯片、3为底板、4为玻璃片、11为惯性流道层、12为PDMS薄膜、13为硅胶膜、21为硅胶膜开设的微槽、31为进液孔、32为入口蓄液池、33为惯性流道、34为出口蓄液池、35为出液孔、41为凹槽、42为入口观察槽、43为出口观察槽、51为方槽一、52为方槽二、53为进气孔。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。这里应当指出，实施例1为具体详细的说明；实施例2~4为简单说明，仅指出其与实施例1不同的地方。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种截面形状可调的微流控微粒操控器件
如图1和图2所示，本发明的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，操控器件自上而下包括顶板1、惯性微流控芯片2、底板3和玻璃片4。所述惯性微流控芯片2嵌入底板3中，顶板1活动连接在底板3上，玻璃片4位于底板3底部。惯性微流控芯片2包括惯性流道层11和PDMS薄膜12。惯性流道层11和PDMS薄膜12互相键合。
如图5所示，惯性流道层11设有依次连通的进液孔31、入口蓄液池32、惯性流道33、出口蓄液池34和出液孔35，且进液孔31和出液孔35均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液的导入和导出。
PDMS薄膜12为全区域受压薄膜（图2），厚度为300µm。
如图8所示，惯性流道33为阿基米德螺旋形结构，截面为矩形。进液孔31和入口蓄液池32的数量均为一个，出液孔35和出口蓄液池34的数量均为两个。流道高度为160μm，宽度为500μm。流道入口处和出口处圆弧的直径分别为8.9mm和21.8mm，相邻圆弧间隔1mm，流道总长度为120mm。
惯性流道层11的材料为PDMS，顶板1和底板3的材料为塑料。
如图6、图7所示，顶板1下方设有凹槽41，底板3上方设有方槽一51，凹槽41与方槽一51叠加形成的空间大小与惯性微流控芯片2大小相同，用于放置和固定惯性微流控芯片2。此外，顶板1上方凹槽41内设有入口观察槽43和出口观察槽44，用于观察微纳米粒子在流道入口和出口的分布状态。底板3下方设有方槽二52，侧边设有进气孔53。方槽二52用于放置玻璃片4，侧边的进气孔53用于插入气针并连接到压缩机，为PDMS薄膜12发生变形提供压力。
如图10所示，本实施例中的微流控器件可用于微纳米颗粒的精确聚焦应用。具体操作如下：利用精密注射泵将含有10µm聚苯乙烯颗粒的粒子溶液以1.2ml/min的流速注入到微流控芯片中（图10实验平台），微纳米颗粒溶液经进液孔31由入口蓄液池32进入惯性流道33中。受入口蓄液池32中微流体的扰流影响，溶液中的微纳米颗粒在入口处流道中呈随机分布状态。开启压缩机，将输入压力调至25kPa，压力会通过进气孔53输送到玻璃片4和惯性微流控芯片2之间的空腔中，并作用在PDMS薄膜12的底部使其向上发生变形，流道截面因此会由原先的矩形逐渐变为下凹型。这种截面的变化破坏了矩形截面内垂直于主流动方向上对称的二次流，使得二次流在流道截面横向方向上呈非对称分布（图11仿真结果）。在下凹型截面内，二次流分布呈中间弱、两边强的态势，因此流道中的微粒将在二次流和惯性升力作用下向流道壁面处迁移。如图13所示，10µm聚苯乙烯颗粒在上述实验条件下聚焦到了流道内壁面处，对比传统的矩形截面微流控芯片的实验结果（图12），可以很明显的看到在本发明提出的微流控器件中，10µm聚苯乙烯颗粒的聚焦带宽度更窄，聚焦效果更好。
实施例2：一种截面形状可调的微流控微粒操控器件
如图1和图2所示，本发明的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，操控器件自上而下包括顶板1、惯性微流控芯片2、底板3和玻璃片4。所述惯性微流控芯片2嵌入底板3中，顶板1活动连接在底板3上，玻璃片4位于底板3底部。惯性微流控芯片2包括惯性流道层11和PDMS薄膜12。惯性流道层11和PDMS薄膜12互相键合。
如图5所示，惯性流道层11设有依次连通的进液孔31、入口蓄液池32、惯性流道33、出口蓄液池34和出液孔35，且进液孔31和出液孔35均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液的导入和导出。
PDMS薄膜12为全区域受压薄膜（图2），厚度为100µm。
如图9所示，惯性流道33为阿基米德螺旋形结构，截面为矩形。进液孔31和入口蓄液池32的数量均为两个，出液孔35和出口蓄液池34的数量均为两个。流道高度为160μm，宽度为500μm。流道入口处和出口处圆弧的直径分别为8.9mm和21.8mm，相邻圆弧间隔1mm，流道总长度为120mm。
惯性流道层11的材料为PDMS，顶板1和底板3的材料为塑料。
实施例3：一种截面形状可调的微流控微粒操控器件
如图1和图2所示，本发明的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，操控器件自上而下包括顶板1、惯性微流控芯片2、底板3和玻璃片4。所述惯性微流控芯片2嵌入底板3中，顶板1活动连接在底板3上，玻璃片4位于底板3底部。惯性微流控芯片2包括惯性流道层11和PDMS薄膜12。惯性流道层11和PDMS薄膜12互相键合。
如图5所示，惯性流道层11设有依次连通的进液孔31、入口蓄液池32、惯性流道33、出口蓄液池34和出液孔35，且进液孔31和出液孔35均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液的导入和导出。
PDMS薄膜12为直流道区域受压薄膜（图3、图4），厚度为200µm。
如图8所示，惯性流道33为阿基米德螺旋形结构，截面为矩形。进液孔31和入口蓄液池32的数量均为一个，出液孔35和出口蓄液池34的数量均为两个。流道高度为160μm，宽度为500μm。流道入口处和出口处圆弧的直径分别为8.9mm和21.8mm，相邻圆弧间隔1mm，流道总长度为120mm。
惯性流道层11的材料为PDMS，顶板1和底板3的材料为塑料。
实施例4：一种截面形状可调的微流控微粒操控器件
如图1和图2所示，本发明的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，操控器件自上而下包括顶板1、惯性微流控芯片2、底板3和玻璃片4。所述惯性微流控芯片2嵌入底板3中，顶板1活动连接在底板3上，玻璃片4位于底板3底部。惯性微流控芯片2包括惯性流道层11和PDMS薄膜12。惯性流道层11和PDMS薄膜12互相键合。
如图5所示，惯性流道层11设有依次连通的进液孔31、入口蓄液池32、惯性流道33、出口蓄液池34和出液孔35，且进液孔31和出液孔35均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液的导入和导出。
PDMS薄膜12为直流道区域受压薄膜（图3、图4），厚度为400µm。
如图9所示，惯性流道33为阿基米德螺旋形结构，截面为矩形。进液孔31和入口蓄液池32的数量均为两个，出液孔35和出口蓄液池34的数量均为两个。流道高度为160μm，宽度为500μm。流道入口处和出口处圆弧的直径分别为8.9mm和21.8mm，相邻圆弧间隔1mm，流道总长度为120mm。
惯性流道层11的材料为PDMS，顶板1和底板3的材料为塑料。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述操控器件自上而下包括顶板（1）、惯性微流控芯片（2）、底板（3）和玻璃片（4）；所述惯性微流控芯片（2）嵌入底板（3）中，顶板（1）活动连接在底板（3）上，所述玻璃片（4）位于底板（3）底部；所述惯性微流控芯片（2）包括惯性流道层（11）和PDMS薄膜（12）；所述惯性流道层（11）设有进液孔（31）、入口蓄液池（32）、惯性流道（33）、出口蓄液池（34）和出液孔（35）；所述惯性流道（33）为柔性结构流道，即流道的截面形状和尺寸可通过对PDMS薄膜（12）施压变形进行实时调节；
利用PDMS薄膜（12）受压易变形的特点使原本为矩形的流道截面形状发生改变，通过调节流量和改变输入气压的大小等方式控制薄膜变形的程度，从而获得截面形状可调控的惯性微流控芯片（2）。
2.根据权利要求1所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述惯性流道层（11）和PDMS薄膜（12）互相键合。
3.根据权利要求2所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述惯性流道（33）的结构为阿基米德螺旋形结构，所述进液孔（31）和入口蓄液池（32）的数量均为一个或两个，出液孔（35）和出口蓄液池（34）的数量均为两个，所述进液孔（31）和出液孔（35）均与外界相连通，用于微纳米粒子溶液的导入与导出。
4.根据权利要求2所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述PDMS薄膜（12）根据受压区域的不同，可分为全区域受压薄膜和直流道区域受压薄膜；所述PDMS薄膜（12）的厚度为50µm~500µm。
5.根据权利要求4所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述PDMS薄膜（12）为直流道区域受压薄膜时，其下方能再键合一层硅胶膜（13），用于达到只有出口直流道区域受压的目的。
6.根据权利要求5所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述硅胶膜（13）的厚度大于1mm，目的是避免硅胶膜（13）受压发生变形；所述硅胶膜（13）开有微槽（21），所述微槽（21）的位置在出口直流道区域的正下方。
7.根据权利要求1所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述顶板（1）上设有一个凹槽（41），所述凹槽（41）内还设有入口观察槽（42）和出口观察槽（43），用于观察微纳米粒子在流道入口和出口的分布状态；所述底板上方设有方槽一（51），下方设有方槽二（52），侧边设有进气孔（53）；所述凹槽（41）与方槽一（51）叠加形成的空间与惯性微流控芯片（2）大小相同，用于放置和固定惯性微流控芯片（2）。
8.根据权利要求7所述的一种截面形状可调的微流控微粒操控器件，其特征在于，所述方槽二（52）用于放置玻璃片（4）；所述进气孔（53）位于玻璃片（4）和惯性微流控芯片（2）之间，将气针插入进气孔（53）并连接到压缩机，用于提供薄膜变形所需的压力。
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