基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法
【专利说明】基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法 【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物样品处理技术领域，特别涉及一种血浆分离芯片及方法。 【【背景技术】】
[0002] 血液是人体内最重要的流体之一，其成分往往受到人体的生理变化和病理变化的 影响，所以血液成分的检测有重要的临床意义。血液由血细胞和血浆组成。血细胞主要包 括红细胞、白细胞和血小板。血浆大约占血液体积的55%，其组成成分中90%为水，还含有 无机盐、纤维蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素等各种营养物质和代谢产物等。这些物质无 一定的形态，但具有重要的生理功能，因此大约90%的血液检测以血浆为样品。因此从全血 中分离血浆是血液分析过程中的一个必要步骤。
[0003] 目前，传统的血浆分离技术主要有离心法和薄膜过滤法。然而，离心法消耗的血液 样品量大、处理时间长，不适用于现场快速分析，薄膜过滤法存在严重的细胞堵塞问题，大 大降低分离效率。
[0004] 最近二十多年来，微流控技术（也叫芯片实验室技术）得到迅速发展。由于尺寸 缩小到微米级，样品和试剂的消耗量大大降低并且反应时间大大缩短，因此微流控技术广 泛应用在生物、医学等领域。目前为止已经有多个研宄小组致力于微流控血液分离技术及 器件的研宄。这些技术主要包括交叉流动过滤、流体动力学分离等被动式分离技术以及采 用声、光、电等外场力的主动式分离技术。被动式分离技术往往依赖通道中的微结构，需要 对微结构的尺寸进行严格的控制，并且分离过程中的流速需要精确控制，因此分离效率受 到限制。主动式分离中，光学装置比较昂贵并且不适于便携，介电泳等基于电场力的分离方 法中需要在流体中产生不均匀电场，对微通道的几何形状提出很高的要求，制作困难较高。
[0005] 基于声场作用的分离依靠声波与流体的耦合在流体中形成流体压强的周期性分 布，流体中的细胞等悬浮粒子受到周围流体的声辐射力的作用而迀移到驻波场的波节或者 波腹位置。声辐射力的大小与声场强度和粒子的体积有关，方向则取决于流体介质和粒子 的密度及可压缩性的相对大小。水性介质中的固体粒子会受到指向波节的声场力，而其中 的气泡或者油滴等则会受到指向波腹的声场力。声辐射力不仅能够根据声学对比因子符号 的不同对粒子进行二元分离，也能够根据所受声辐射力大小的不同对不同体积的粒子进行 梯度分离。由于声波传感器与流体之间不必直接接触，是一种非入侵式的分离技术，并且从 文献来看，声辐射力对细胞等生物材料没有伤害。因此基于声波的血液分离技术也是研宄 的热点之一。
[0006] 基于声波的微小粒子操控技术中，体声波（bulk acoustic wave, BAW)是最早得到 关注和研宄的，在研宄领域也是相对比较成熟的一种方法。Laurell及其研宄团队所研宄 的基于体声波驻波场的血液清洗技术，根据红细胞和脂肪微粒在声表面驻波场中的声学对 比因子的正负差异，利用声辐射力使红细胞聚集到位于微通道正中央的波节平面内，而脂 肪微粒被拉向微通道侧壁的波腹平面内，这样通过下游的分叉在不同的出口分别收集红细 胞和脂肪微粒，从而实现红细胞的清洗。（详见A. Nilsson, F. Petersson, H. Jonsson and T.Laurell, Acoustic control of suspended particles in micro fluidic chips, Lab on a chip, 2004, 4, 131-135. )Laurell团队的这种声场分离技术已经进行商业开发，用于 红细胞和脂肪粒子的二元分离，其专利W0/2002/072236 Particle Separation (ErySave AB, Henrik Knsson，Thomas Laurell, Mats Allers, Hans Persson)公布了一种利用体声波 在微通道内的驻波效应形成多个声压节点来聚集颗粒进而实现微通道内的颗粒物质分离 (尤其用于血液处理）的装置。该专利中，硅材料的谐振腔背面需要设置压电陶瓷作为超 声换能器，用以将电能转化为声能，造成整个装置体积较大，并且不易实现大规模制造。除 此之外，这类基于体声波驻波场的粒子分离系统对系统的组成材料的声学特性有较高的要 求，因为体声波驻波场的建立依赖于构成流体腔体的材料之间的优良的声学反射特性。因 此从声学谐振腔的角度考虑，硅、玻璃等硬脆材料是流体腔体材料的首选。微流控系统中常 用的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS)虽然具有诸如低成本、容易大规模制 造、透光性好等优点，但是因为具有与水相近的声阻抗而无法在PDMS-水界面上形成有效 的声波反射，所以被普遍认为难以应用到基于体声波的粒子分离系统中。
[0007] 基于声表面波（surface acoustic wave, SAW)的微流控粒子操控技术是近年来得 到关注并发展起来的一种技术。声表面波是不同于体声波的一种声波，沿着弹性材料表面 传播。在压电衬底表面的叉指电极上施加正弦电压，可以得到在压电衬底表面传播的声表 面波。声表面波的振幅随着衬底深度迅速衰减，机械能集中在压电衬底的表面一个波长的 深度范围内。因此，与体声波系统相比，声表面波系统具有更高的能量密度。由于声表面波 的激励只需要在压电衬底制作叉指电极，因此可以方便地利用目前成熟的集成电路的加工 工艺进行制作。更重要的是，声表面波的频率和波长取决于叉指换能器的周期以及压电衬 底中的声速，因此能够更精确地驱动粒子到指定位置。另外，通常认为声表面波驻波场的构 建不依赖于通道材料与内部流体界面的反射，而是通常由进入微通道的两相向传播的同频 率的声表面行波（travelling surface acoustic wave, TSAW)干涉形成驻波场，因此可以 在声表面波粒子操控系统中采用PDMS作为微通道的制作材料。凭借上述优势，基于声表面 波技术的微流控粒子操控的研宄近年来得到迅速发展。
[0008] 根据作用原理的不同，声表面波在粒子操控中的应用主要分为两类。一种是利用 声表面波所激发的声流（acoustic streaming)对微通道中的流体施加一个整体的推动。 Franke及其研宄团队在微通道的一侧设置一组叉指换能器，叉指换能器在压电衬底上激发 的声表面波在微通道中产生声流，引起由鞘液包裹的含有细胞的缓冲液的流动发生偏移。 (# JAL T. Franke, S. Braunmilller, L. Schmid, A. ffixforth, D. A. ffeitz, Surface acoustic wave actuated cell sorting(SAWACS), Lab on a chip, 2010, 10, 789-794.)这样通过控制 叉指电极的电源开关就能控制细胞最终的流出路径。声流的优势在于可以驱动连续流体以 及流体中的悬浮粒子，对粒子的可压缩性和密度没有特别要求。虽然这种设计能够实现有 效的细胞分选，但是由于细胞的偏移量非常小，并且仅适合细胞密度极低的情况，难以满足 从血液中分离血浆的要求。
[0009] 声表面波在粒子操控中的另一种应用与体声波的作用原理相似，是利用声表面波 的驻波效应将不同的粒子聚集在微通道内的不同平衡位置（声压波节或者波腹）。目前 已公开发表的基于这一原理的粒子操控方面的研宄中，在器件的设计上具有共同的特点， 在微通道两侧对称布置两组叉指换能器，并且微通道与叉指换能器的对准精度要求很高， 因为叉指换能器的位置决定了声表面驻波的波节波腹分布，流道必须与之匹配才能实现 细胞等粒子聚集后的分选等操作。Huang的研宄团队在声表面波微流控粒子分离研宄中 将微通道与叉指换能器对齐，保证通道宽度刚好包含一个半波长并且声压波节位于流道 的中央，从而使粒子迀移至流道中央。（详见J. Shi, H. Huang, Z. Stratton, Y. Huang and T. J. Huang, Continuous particle separation in a microfluidic channel via standing surface acoustic waves(SSAW), Lab on a chip, 2009, 9, 3354-3359. )Huang 的研宄团队 设计的另外一个声表面波粒子分离芯片中，采用线性调频的叉指换能器，通过调节施加到 叉指换能器上的正弦信号的频率来控制流道中声压波节的位置来控制细胞的平衡位置。 (# JAL X. Ding, S. -C. S. Lin, Μ. I. Lapsley, S. Li, X. Guo, C. Y. Chan, I. K. Chiang, L. Wang, J. P. McCoy and T.J. Huang, Standing surface acoustic wave (SSAff) based multi