一种高通量的血浆分离器件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微机电系统领域，具体涉及一种用于生物样品分离、检测、分析的高通 量血浆分离器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 二十一世纪是交叉学科发展的时代，特别是生物芯片的研制和基于微流控技术的 生化检测技术。利用生化传感技术获取微量生物样品之间生化反应的信息是生物检测技术 发展的一个重要内容。
[0003] 结合生物技术和微机电系统（MEMS)技术的BioMEMS(生物微机电系统）技术可以 将生命科学研究中的不连续分析过程（如样品制备、化学反应和分析检测）实现连续化、集 成化、微型化，从而获得所谓的微全分析系统。该系统包括进样、分离、反应和检测，广义的 系统还涉及到输运，其最终目标是在微芯片上实现化学全分析，以之取代常规分析实验室 的所有功能。与传统仪器相比，微全分析系统具有体积小、重量轻、成本低、便携带、防污染、 分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等诸多优点，对生物学、分析化学、医学等 相关领域产生了革命性的影响，成为MEMS技术研究中的重要领域。
[0004] 在微全分析系统的早期研究中，检测技术一直被研究得较多，获得了较快的发展。 然而，样品分离等前处理技术作为该系统中不可或缺的组成部分，却发展相对缓慢，已经成 为整个微全分析过程中的瓶颈，它制约着微量生化样品传感检测的发展。现有的样品前处 理技术往往在片外实现，其主要缺点有费时、劳动强度大、难以实现自动化、精密度差、样品 以及其他生化试剂消耗量大等，而且经常是测定误差的主要原因，进而影响微全分析系统 的精度和应用的推广。传统的样品前处理技术已不能满足yTAS(Micrototalanalysis system)发展的需要，有必要开发一种新的微量样品前处理技术。利用微加工技术制造的微 型化生物样品预处理器，具有分析效率高、样品与试剂消耗少（微升级）、能耗低、集成度高 等许多优点。这种微量样品前处理芯片在生物检测、毒物鉴定、DNA分析、细胞分离与富集、 药物准备和药物输送等方面都会得到很广泛的应用，特别是在重大疾病检测方面，有时，需 要2-3分钟内处理100-150mL的全血样品，直接分离出血清或血细胞，再进行相应的传感检 测，并且保证细胞不破裂，因此，需要在片上分离芯片上实现高通量分离，同时，这也是当前 样品片上高通量前处理技术在临床上应用的一个重大需求。
[0005] 综上所述，高通量样品前处理技术是发展微全分析系统的关键技之一，其在临床 重大疾病传感检测方面有广泛应用前景。因此，设计一种结构简单、体积小、便于集成的高 通理全血样品前处理芯片，并开发这种高通量全血样品分离芯片的加工工艺，这种高通量 分离技术具有广泛的应用前景和潜在社会经济效益。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种高通量的片上血浆分离器件，可利用MEMS体硅工艺 和表面微机械加工技术制备。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0008] -种高通量的血浆分离器件，包括芯片和与其键合的封盖，所述芯片上设有血液 进样口、细胞出样口、血浆出样口、若干半圆形微流道以及布置于微流道中的微立柱栅栏； 所述若干半圆形微流道中两两并联构成圆形结构，并联的两个半圆形微流道共用一个血液 进样口和一个细胞出样口，所有半圆形微流道共用一个血浆出样口；所述微立柱栅栏将微 流道分成内外两个流道，其中内流道的末端与细胞出样口相连，外流道的末端与血浆出样 口相连，外流道的宽度从入口到出口逐渐增大；所述芯片上的微流道被所述封盖封闭。
[0009] 进一步地，所述血浆分离器件还包括一外壳，所述芯片和所述封盖置于所述外壳 内，所述外壳在顶部设有血液总进样口，在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞 出样口以及与所述芯片的血浆出样口连通的血浆出样口。
[0010] 进一步地，所述若干半圆形微流道至少为两个。为两个时只能形成一个圆形结构， 为提高分离效率，可以采用更多个半圆形微流道，即并联构成多个圆形结构，这些圆形结构 呈中心对称分布，将共用的血浆出样口设置在中心。比如，芯片上设有8个半圆形流道、4个 血液进样口、4个细胞出样口和1个血浆出样口；8个半圆形流道两两连接同一血液进样口 和同一细胞出样口，并共同连接同一个血浆出样口。
[0011] 进一步地，所述微立柱栅栏包含多个微立柱，微立柱之间的间隔小于2ym(优选 略小于2ym)。
[0012] 进一步地，所述微立柱的横截面为圆形，其直径为6-30ym;或者所述微立柱的横 截面为正方形，其边长为6-30ym。
[0013] 进一步地，所述半圆形微流道的半径为1000-1200ym，流道的宽度为 400-500ym;所述血液进样口、细胞出样口、血浆出样口的直径为400-800ym。
[0014] 进一步地，所述封盖为圆形或多边形，大小满足露出芯片出口即可；所述外壳为圆 形或正方形，大小能够适合核心芯片尺寸即可。
[0015] 进一步地，所述芯片的微流体通道、微立柱栅栏可以加工在硅片上，也可以利用模 具复制的方式加工在聚合物材料上；封盖和外壳可以是聚合物材料或玻璃材料。
[0016] -种制备上述高通量的血浆分离器件的方法，包括如下步骤：
[0017]1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；
[0018] 2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；
[0019] 3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属错，然后去胶；
[0020] 4)在硅片正面深刻蚀娃，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆 出样口，并去掉铝掩膜；
[0021] 5)将背面的硅结构层减薄，在硅片背面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；
[0022] 6)深刻蚀形成细胞出样口、血浆出样口的通孔；
[0023] 7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。
[0024] 进一步地，上述方法还包括封装外壳的步骤，所述外壳在顶部设有血液总进样口， 在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连 通的血浆出样口。
[0025] -种制备上述高通量的血浆分离器件的方法，包括如下步骤：
[0026] 1)在硅片正面淀积一层金属铝薄膜；
[0027] 2)在硅片正面甩光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘；
[0028] 3)以光刻胶为掩膜腐蚀金属铝，然后去胶；
[0029] 4)在硅片正面深刻蚀娃，形成微流道、微立柱栅栏、血液进样口、细胞出样口、血浆 出样口的模具，并去掉铝掩膜；
[0030] 5)在步骤4)形成的模具上浇注聚合物材料并固化成型，然后脱模；
[0031] 6)在细胞出样口和血浆出样口的位置打出通孔；
[0032] 7)将封盖与芯片键合，露出血液进样口。
[0033] 进一步地，上述方法还包括封装外壳的步骤，所述外壳在顶部设有血液总进样口， 在底部设有与所述芯片的细胞出样口连通的细胞出样口以及与所述芯片的血浆出样口连 通的血浆出样口。
[0034] 本发明的血浆分离器件在使用时，利用微型栗或注射栗将血液样品从器件外壳的 血液样品总入口注入，通过压力血液将分别从各个血液进样口进入核心芯片。微立柱栅栏 将微流体通道由内至外依次分成内流道和外流道，内流道与细胞出样口相连，外流道与血 浆出样口相连。本发明利用离心效应和微立柱栅栏的立柱间隙大小进行分离，具体是：当血 液样品注入微流道后，由于内流道的宽度将逐渐减小，依靠运动惯性和弯曲微流道造成的 涡流，能够通过微立柱间隙的血浆在微流道中运动过程中被分离到外流道，从芯片上的血 浆出样口流出外壳上的血浆出样口，而大于微立柱间隙的血液细胞等在微流道中运动过程 仍在内流道，将分别从芯片上的各个细胞出样口流出外壳上的细胞出样口。
[0035] 本发明充分利用血液中的细胞特征尺寸，结合离心分离技术的优点以及MEMS工 艺技术特点，提出了一种高通量的血浆分离器件，采用半圆状微流道、渐变型过滤柱过滤相 结合，利用注射栗将血液品注入血浆分离器件，结合血液在流道中运动的惯性，通过一排间 距小于2ym的过滤柱将血浆和血细胞分离。该血浆分离器件可以用于血浆和血细胞的分 离，还可以用于其他功能微粒的分离。通过微流体系统集成，为形成包括采样、进样、分离、 反应、检测功能的真正芯片提供加工技术、微封装技术和微生化芯片检测生化反应的微机 理，可带来新的科学突破。
[0036] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0037] (1)器件结构设计简单，易于操作，具有通量高和可重复性高的特点；
[0038] (2)器件工作效率对流道中的液体流速依赖小，易于与外部灌注系统匹配；
[0039] (3)半圆形流道结构引入惯性力增强分离效率，且多个半圆形微流道并联结构能 够有效实现很尚的通量；
[0040] (4)通过微流体通道的设计，本发明血浆分离器件的结构紧凑，器件的总体积减 小，分离效率提高，分离过程耗时短；
[0041] (5)器件样品入口仅有一个，血浆出样口仅有一个，易于灌注血液样品和收集经器 件分离后的血浆样品。
【附图说明】
[0042] 图1(a)和图1(b)是依照本发明实施例的血浆分离器件芯片的结构示意图，其中 图1(b)是图1(a)的局部放大图；
[0043] 图2(a)和图2(b)是依照本发明实施例的血浆分离器件的结构示意图，其中图 2(a)是组装前各部分的示意图，图2(b)是组装后的示意图；
[0044] 图3是依照本发明实施例的血浆分离器件制备工艺流程图；
[0045] 图4是依照本发明另一实施例的血浆分离器件制备工艺流程图；
[0046] 其中，1 :芯片；2 :芯片进样口；3 :细胞出样口；4 :血浆出样口；5 :微流体通道； 51 :内流道；52 :外流道；6 :微立柱栅栏；7 :封盖；8 :外壳；9 :总进样口；10 :外壳细胞出样 口；11 :外壳血浆出样口；12 :娃片；13 :金属铝；14 :光刻胶；15:PDMS;16 :