一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置及其制作方法与流程

文档序号:11575438阅读:306来源:国知局

本发明涉及一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置及其制作方法,属于微流控芯片领域。



背景技术:

如今微粒分选以及浓缩技术几乎无处不在,而且往往是包括生物研究、化学分析、环境检测及医疗诊断在内很多行业里的重要环节。由于微流控芯片集体积小、高通量、低成本和易集成等优点于一身,从而可以使它可以适用于各种各样的商业以及工业目的,也因此得到诸多研究者的关注。目前微粒分选以及浓缩方法有离心法、流式细胞法、色谱分析法、荧光筛选法等。

离心法利用不同的粒子在离心力场中沉降的差别,在同一离心条件下,沉降速度不同,通过不断增加相对离心力,使一个非均匀混合液内的大小、形状不同的粒子分部沉淀。此法分辨率不高,沉淀系数在同一个数量级内的各种粒子不容易分开,常用于其他分离手段之前的粗制品提取,并且在离心过程中可能破坏细胞样品。

流式细胞法是经荧光染色或标记的单细胞悬液以高压压入充满鞘液流动室内。在鞘液的包裹和推动下,细胞被排成单列,以一定速度从流动室喷口喷出。喷出的液流在超高频的压电晶体作用下断裂为均匀的液滴,将这些液滴充以正、负不同的电荷,当液滴流经过带有几千伏的偏转板时,在高压电场的作用下偏转,落入各自的收集容器中,没有充电的液滴落入中间的废液容器,从而实现细胞的分离。此法虽有着不错的分选率,但缺点也比较明显,只能在实验室完成操作,并且装置结构复杂,需要借助电气设备才能完成样品的分选。

色谱分析法是利用微粒在作相对运动的两相中,被较强吸引在固定相上的溶质相对滞后于较强地吸引在流动相中的溶质,随着移动的反复进行与多次分配,使混合物中的各组分得到分离。此法有着分离效率高、分离速度快等优点,但其定性研究能力差,并且仪器设备昂贵。

荧光筛选法是根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理,具有吸收光子能力的物质在特定波长光(如紫外光)照射下可在瞬间发射出比激发光波长更长的光的原理完成微粒分选。此法有着分析灵敏度高、选择性强和使用简便等优点,但本身能发荧光的物质相对较少,且干扰因素较多对于实验环境要求极其严格。

惯性微流控技术利用微粒微尺度下的惯性迁移效应受到的惯性升力以及在弯流道中产生的二次流而受到dean拽力(当流体经过弯流道时在垂直主流动方向上产生两个旋转方向相反的涡流,被称为dean流,由于dean流的引入而产生dean拽力)共同作用实现对微粒的精确控制,成为微粒分选浓缩的新手段。微流控芯片有着所需样本溶液小,分析效率高,易于封装从而能够实现高通量检测、系统集成化、微型化、自动化和便携式等显而易见的优点。但目前的技术主要使用单层普通螺旋流道芯片,在低流量下微粒不稳定,且其所需分选流量较高对芯片键合要求也相应提高,分析所用时间无法完成即时检测。而为了提高流量减少处理时间而制作的多层微流控芯片目前多采用至上而下的打孔方式,有着每一层芯片流量不均匀的问题。



技术实现要素:

技术问题:本发明的目的是提供一种循环高通量微米粒子分选与浓缩装置及其制作方法。该微流控装置结构和制作工艺简单、成本低廉、分选浓缩效率高,不仅适用于实验室科学研究,亦可应用于生物医学诊断、环境即时检测等商业目的。

技术方案:本发明提供了一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置,该装置包括蠕动泵、流量配给接头、多层叠加微流控芯片、外出口溶液收集瓶、内出口溶液收集瓶和单向阀和连接软管,其中:

所述内出口溶液收集瓶同时也是微米粒子循环分选与浓缩过程开始时初始样本液的放置瓶;

所述单向阀一端通过连接软管连接内出口溶液收集瓶,另一端通过连接软管连接蠕动泵的进口,液体只能由内出口溶液收集瓶流向蠕动泵;

所述流量配给接头的一端具有大孔,另一端具有小孔,且所述小孔通过连接软管与蠕动泵的出口相连,所述大孔与多层叠加微流控芯片的侧面进液孔直接相连;

所述多层叠加微流控芯片自上而下由顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片键合组成,其中中间层芯片至少有一层,所述顶层芯片和中间层芯片的接触面部位、相邻中间层芯片的接触面部位以及中间层芯片和基底层芯片的接触面部位的相应位置均含有螺旋嵌套正弦流道和侧面进液孔,其中螺旋嵌套正弦流道的进液端位于螺旋结构的最外圈,且与侧面进液孔相通,螺旋嵌套正弦流道出液端位于螺旋结构的最内圈,在螺旋嵌套正弦流道出液端的内侧方向开有内出液孔,所述内出液孔与螺旋嵌套正弦流道的出液端相通,并通过连接软管与内出口溶液收集瓶相连,在螺旋嵌套正弦流道出液端的外侧方向开有外出液孔,所述外出液孔与螺旋嵌套正弦流道的出液端相通,并通过连接软管与外出口溶液收集瓶相连。

其中:

所述的蠕动泵、流量配给接头、多层叠加微流控芯片、外出口溶液收集瓶、内出口溶液收集瓶、单向阀和连接软管之间的连接均为密封连接。

所述外出口溶液收集瓶为废液收集瓶。

所述的所述中间层芯片的下表面具有凹型螺旋嵌套正弦流道结构和凹型侧面进液孔结构,上表面为平整面;所述顶层芯片的结构和中间层芯片的结构相同,且其厚度大于中间层芯片的厚度;所述基底层芯片的上下两个表面均为平整面。

所述的螺旋嵌套正弦流道的形状为螺旋曲线上叠加正弦曲线,其由所述凹型螺旋嵌套正弦流道结构与相邻芯片层的平整面结合构成,所述螺旋嵌套正弦流道的截面为矩形,流道宽度为500-700μm,流道高度为50μm-200μm。

所述的顶层芯片和中间层芯片相应的非螺旋嵌套正弦流道和非侧面进液孔位置处设置有定位孔,且所述的定位孔的数量为2个或者4个;所述的顶层芯片高5-10mm,中间层芯片高2-5mm。

所述基底层芯片材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种,顶层芯片材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种,中间层芯片材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

所述单向阀一端通过连接软管连接内出口溶液收集瓶中连接软管伸入内出口溶液收集瓶的深度与微米粒子浓缩比之间存在如下关系式:

其中n为微米粒子浓缩比,v为浓缩后样本液的体积,u为初始样本液的体积。

本发明还提供了一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置的制作方法,该方法包括以下步骤:

1)制作多层叠加微流控芯片:

①制备顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片;

②通过定位孔准确键合顶层芯片、中间层芯片,使得每一层的螺旋嵌套正弦流道上下重叠对齐,之后从上至下在每一层的螺旋嵌套正弦流道出液端的内侧开内出液孔、外侧开外出液孔,得到键合结构;

③最后将键合结构键合于基底层芯片上表面,之后放入烘箱加热,得到多层叠加微流控芯片;

2)在多层叠加微流控芯片侧面开侧面进液孔,使其与螺旋嵌套正弦流道的进液端相通,并与流量配给接头的大孔密封连接。

3)使用连接软管依次连接各部件,构成所述的高通量微米粒子循环分选与浓缩装置。

其中:

所述步骤①所述的制备顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片的具体步骤如下:首先,在经清洗烘干处理的硅圆晶表面旋涂负性光刻胶,并利用打印胶片掩膜的光刻技术制作顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片的阳模;其次,将制备顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片的材料倾倒在制备好的阳膜上,放入烘箱加热;最后,脱膜得到顶层芯片、中间层芯片和基底层芯片。

有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:

1、本发明的微流控装置结构和制作工艺简单、成本低廉;

2、本发明的螺旋嵌套正弦流道结构降低芯片分选聚焦所需的流量,增加芯片在有限键合强度下的安全性与稳定性;且相较于传统普通螺旋流道更加节省空间有利于叠加芯片的微型化;侧面开孔的流量配给接头有助于提高叠加芯片的分选浓缩的通量;

3、借助电磁单向阀完成分选浓缩的循环运行大大提高了分选浓缩的效率,为分选浓缩工作节省了大量时间,对技术可以由实验室检测走向即时检测有着重大意义,不仅适用于实验室科学研究,亦可应用于生物医学诊断、环境即时检测等商业目的。

附图说明

图1为本发明的高通量微米粒子循环分选与浓缩装置结构示意图;

图2为螺旋嵌套正弦流道结构示意图;

图3为流量配给接头与多层叠加芯片装配示意图;

图4为芯片入口处和出口处粒子分布示意图;

图5为微流道粒子分选浓缩原理示意图;

图6为利用装置分选青岛大扁藻细胞实验效果图;

图中有:蠕动泵1、流量配给接头2、多层叠加微流控芯片3、顶层芯片4、中间层芯片5、基底层芯片6、外出口溶液收集瓶7、内出口溶液收集瓶8、单向阀9、连接软管10~14、螺旋嵌套正弦流道15、外出液孔16、内出液孔17、侧面进液口18、定位孔19、小孔20、大孔21、微粒22、伯啸叶流的抛物线形速度剖面23、dean流24、流体拖拽力f1、剪切诱导惯性升力f2、壁面诱导惯性升力f3、dean拽力f4。

具体实施方式

为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐述本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

工作原理:

本发明循环高通量微米粒子分选与浓缩装置分选浓缩样品时,放在内出口溶液收集瓶8中的粒子悬浮液通过蠕动泵1以特定的流速导入到流量配给接头2中;样品经流量配给接头2以相同的流速进入每一层多层叠加微流控芯片3;粒子悬浮液中的微米粒子22在芯片中将受到流体拖拽力f1的作用而沿着流动方向运动;由于流道中伯啸叶流的抛物线形速度剖面23,微米粒子将受到指向壁面的剪切诱导惯性升力f2;当微米粒子靠近壁面时,由于微米粒子因为自转旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生壁面诱导惯性升力f3;当流体经过弯流道时在垂直主流动方向上产生两个旋转方向相反的涡流,被称为dean流24,由于dean流的引入而产生dean拽力f4;弯流道中粒子不仅受到惯性迁移效应产生的净惯性升力影响而迁移,还受到二次流引起的dean拽力f4影响;因此,可以近似认为微米粒子在dean拽力和惯性升力的共同耦合作用下迁移至靠近螺旋流道内壁的一侧;绝大多数微粒粒子流入内出口溶液收集瓶8,随后经过单向阀9再次进入蠕动泵1进行分选浓缩的下一个循环;通过软管伸入内出口溶液收集瓶8的深度控制装置处理样本溶液的浓缩比,伸入内出口溶液收集瓶8的深度与浓缩比之间存在如下关系式:

其中n为微米粒子浓缩比,v为浓缩后样本液的体积,u为初始样本液的体积。

上述净惯性升力为:壁面诱导惯性升力f3和剪切诱导惯性升力f2的合力,该作用力存在如下关系式:

式中,ρ为流体密度,um为最大流速,ap为微粒直径,cl为无量纲数升力系数,dh为流道水利直径。

上述dean拽力f4为:当流体经过弯流道时在垂直主流动方向上产生两个旋转方向相反的涡流,被称为dean流24,由于dean流24的引入而产生dean拽力f4。研究中一般假设为stokes阻力估算其大小。该作用力存在如下关系式:

fd=5.4×10-4πμde1.63ap

式中μ为流速,ap为微粒直径,de为dean数,其关系式如下:

式中re为无量纲数雷诺数,r为流道曲率半径。

所述的蠕动泵1、流量配给接头2、多层叠加微流控芯片3、外出口溶液收集瓶7、内出口溶液收集瓶8、单向阀9和连接软管10~14之间的连接均为密封连接,防止悬浮液渗漏。

如图1-6所示,本发明提供了一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置,该装置包括蠕动泵1、流量配给接头2、多层叠加微流控芯片3、外出口溶液收集瓶7、内出口溶液收集瓶8和单向阀9和连接软管10~14,其中:

所述内出口溶液收集瓶8同时也是微米粒子循环分选与浓缩过程开始时初始样本液的放置瓶;

所述单向阀9一端通过连接软管13连接内出口溶液收集瓶8,另一端通过连接软管14连接蠕动泵1的进口,液体只能由内出口溶液收集瓶8流向蠕动泵1;

所述流量配给接头2的一端具有大孔21,另一端具有小孔20,且所述小孔20通过连接软管10与蠕动泵1的出口相连,所述大孔21与多层叠加微流控芯片3的侧面进液孔18直接相连;

所述多层叠加微流控芯片3自上而下由顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6键合组成,其中中间层芯片5至少有一层,所述顶层芯片4和中间层芯片5的接触面部位、相邻中间层芯片5的接触面部位以及中间层芯片5和基底层芯片6的接触面部位的相应位置均含有螺旋嵌套正弦流道15和侧面进液孔18,其中螺旋嵌套正弦流道15的进液端位于螺旋结构的最外圈,且与侧面进液孔18相通,螺旋嵌套正弦流道15出液端位于螺旋结构的最内圈,在螺旋嵌套正弦流道15出液端的内侧方向开有内出液孔17,所述内出液孔17与螺旋嵌套正弦流道15的出液端相通,并通过连接软管12与内出口溶液收集瓶8相连,在螺旋嵌套正弦流道15出液端的外侧方向开有外出液孔16,所述外出液孔16与螺旋嵌套正弦流道15的出液端相通,并通过连接软管11与外出口溶液收集瓶7相连。

所述多层叠加微流控芯片3自上而下由顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6键合组成,其中中间层芯片5至少有一层,所述顶层芯片4和中间层芯片5的接触面部位、相邻中间层芯片5的接触面部位以及中间层芯片5和基底层芯片6的接触面部位的相应位置均含有螺旋嵌套正弦流道15,螺旋嵌套正弦流道15的进液端与侧面进液孔18相通,在螺旋嵌套正弦流道15出液端的内侧开有内出液孔17并通过连接软管12与内出口溶液收集瓶8相连,在螺旋嵌套正弦流道15出液端的外侧开有外出液孔16并通过连接软管11与外出口溶液收集瓶7相连;

其中:

所述的蠕动泵1、流量配给接头2、多层叠加微流控芯片3、外出口溶液收集瓶7、内出口溶液收集瓶8、单向阀9和连接软管(10~14)均为密封连接。

所述的所述中间层芯片5的下表面具有凹型螺旋嵌套正弦流道15结构和凹型侧面进液孔18结构,上表面为平整面;所述顶层芯片4的结构和中间层芯片5的结构相同,且其厚度大于中间层芯片5的厚度;所述基底层芯片6的上下两个表面均为平整面。

所述的螺旋嵌套正弦流道15的形状为螺旋曲线上叠加正弦曲线,其由所述凹型螺旋嵌套正弦流道15结构与相邻芯片层的平整面结合构成,螺旋嵌套正弦流道15的流道截面为矩形,流道宽度为500-700μm,流道高度为50μm-200μm。

所述的顶层芯片4和中间层芯片5相应的非螺旋嵌套正弦流道15和非侧面进液孔18位置处设置有定位孔19,且所述的定位孔19的数量为2个或者4个;所述的顶层芯片4高5-10mm,中间层芯片5高2-5mm。

所述基底层芯片6材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种,顶层芯片4材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种,中间层芯片5材质为聚二甲基硅氧烷、玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。

一种高通量微米粒子循环分选与浓缩装置的制作方法,该方法包括以下步骤:

1)制作多层叠加微流控芯片3:

①制备顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6;

②通过定位孔19准确键合顶层芯片4、中间层芯片5,使得每一层的螺旋嵌套正弦流道15上下重叠对齐,之后从上至下在每一层的螺旋嵌套正弦流道15出液端的内侧开内出液孔17、外侧开外出液孔16,得到键合结构;

③最后将键合结构键合于基底层芯片6上表面,之后放入烘箱加热,得到多层叠加微流控芯片3;

2)在多层叠加微流控芯片3侧面开侧面进液孔18,使其与螺旋嵌套正弦流道15的进液端相通,并与流量配给接头2的大孔21密封连接。

3)使用连接软管10~14依次连接各部件,构成所述的高通量微米粒子循环分选与浓缩装置。

所述步骤①所述的制备顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6的具体步骤如下:首先,在经清洗烘干处理的硅圆晶表面旋涂负性光刻胶,并利用打印胶片掩膜的光刻技术制作顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6的阳模;其次,将制备顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6的材料倾倒在制备好的阳膜上,放入烘箱加热;最后,脱膜得到顶层芯片4、中间层芯片5和基底层芯片6。

青岛大扁藻细胞分选浓缩过程如下:

培育青岛大扁藻藻种,并将青岛大扁藻细胞按一定的浓度与去离子水进行配比,以满足实验要求。将含有100ml青岛大扁藻的样品放入内出口溶液收集瓶8,连接单向阀的连接软管13伸进收集瓶的刻度为25ml,通过蠕动泵1以特定的流量导入到流量配给接头2中,流量设置范围为(500-3500)μl/min;样品经流量配给接头2进入多层叠加微流控芯片3;样品中的青岛大扁藻将受到流体拖拽力f1的作用而沿着流动方向运动;由于流道中伯啸叶流的抛物线形速度剖面23,微藻将受到指向壁面的剪切诱导惯性升力f2;当微藻靠近壁面时,因为自转旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生壁面诱导惯性升力f3;当流体经过弯流道时在垂直主流动方向上产生两个旋转方向相反的涡流,被称为dean流24,由于dean流24的引入而产生dean拽力f4;弯流道中微藻不仅受到惯性迁移效应产生的净惯性升力影响而迁移,还受到二次流引起的dean拽力f4影响;因此,可以近似认为微藻在dean拽力f4和惯性升力的共同耦合作用下迁移至靠近螺旋流道内壁的一侧;绝大多数微藻流入内出口溶液收集瓶8,随后经过单向阀9再次进入蠕动泵1进行分选浓缩的下一个循环。当内出口溶液收集瓶8只剩25ml溶液时,蠕动泵1无法继续进样即为完成分选浓缩。

本实施例中循环高通青岛大扁藻分选与浓缩装置结构合制造工艺简单,过程可控,使用新型流道结构较于传统的流道更加稳定安全,可以在3min之内分选出5ml样品,且具有近乎100%的分选率。为分选浓缩工作节省了大量时间,对此技术可以由实验室检测走向即时检测有着重大意义。

以上仅是本发明的优选实施方案,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,还可以对各设施位置进行调整,这些调整也应视为本发明的保护范围。

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