专利名称：微米级粒子高通量分选的微流控器件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是ー种基于微流体惯性效应的微流控器件，尤其涉及的是ー种微米级粒子高通量分选的微流控器件。
背景技术：
微流控技术作为一种微纳米尺度实现流体样品或微纳米粒子检测分析、操控、合成等功能的新技木，由于体积小、成本低及耗样量少等优点，已被广泛用于临床医学、生化分析、生物学等研究領域的检测与分析应用中。替代昂贵的传统柜式诊断分析设备，实现微纳米材料的高效输运、分选、提取、装配及混合等操控功能已成为微流控研究中ー项重要的使能技木。而如何实现微尺度对象的高效分选对于单细胞分析及临床即时检验仪器(Point-of-care testing, P0CT)的开发具有非常重要的实践运用价值。目前的微尺度分选技术按其机理可简要概括为以下几类第一类是从宏观过滤技术演化而来的微孔膜过滤技术或基于阻隔、错流结构的微筛分选技术，但该类技术存在通用性差、成本高及微结构易堵塞等问题；第二类是基于电、声、磁、光及外部流体的单场或多场复合分选技术，但该类技术一般存在外场耗能、不易集成微型化及损伤微纳米生物材料等缺陷；第三类是基于微柱阵列、壁面V型槽及缩扩阵列等复杂微结构的分选或提取技木，但该类技术仍存在加工エ艺复杂、通用性差等不足。除上述三大类技术存在的问题和局限外，由于多数微流控芯片中较低的流速(雷诺数一般为10_6 IO1)和批量化的低效处理方式，使其通量受到了极大的限制，无法满足血浆提取及稀有细胞分选等大体积样品的处理需求。另外，目前大部分微流控分选芯片仅能实现两种尺寸粒子的分离。为克服该局限，近期的部分研究利用平面多分选单元功能集成来实现多尺寸粒子的顺序分选，但该类技术在较大程度上加大了芯片的尺寸，不利于芯片的集成微型化。
实用新型内容实用新型目的本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了ー种微米级粒子高通量分选的微流控器件，在不增加芯片尺寸前提下，实现多种不同尺寸微米级生物粒子的连续高效分选。技术方案本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型的器件包括功能基片和至少两层分选基片，所述分选基片和功能基片顺序堆垛，每层分选基片上设有样品入口、主分选流道、分岔流道、分选出口和样品出口，样品入口和主分选流道连通，分岔流道的端部分别与分选出口、样品出口和主分选流道连通，每层分选基片的样品出口与下ー层分选基片的样品入ロ堆叠封接。所述主分选流道包括直流道和渐扩流道，样品入口和直流道连通，渐扩流道的小径端和直流道连通，渐扩流道的大径端和分岔流道连通。所述直流道的横截面为高深宽比矩形，使特定尺寸粒子可以平衡聚焦于长边(流道高度)中心附近。、[0007]所述每层分 选基片的直流道的横截面尺寸和该层最大粒子的尺寸关系为ap/Lc彡0. 07，其中，ap为该层最大粒子的直径山。为直流道的特征尺寸。所述每层分选基片上设有对准标记，方便在制作多层分选基片时候的垂直对齐。所述分选基片的材质选自聚ニ甲基硅氧烷、特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酷、SU-8光刻胶、玻璃、硅和石英中的ー种。所述功能基片为载玻片或电极。所述分岔流道和样品出口之间的连接流道为多边形，可以在基片较薄时减少上下层流体压カ对基片微结构的影响。ー种微米级粒子高通量分选的微流控器件的制作方法，包括以下步骤(I)对每层分选基片上的各个微流道通过微加工技术制作，可以通过软光刻或者其它加工手段实现；(2)在每层分选基片的样品入口处打出通孔作为粒子的入口 ；(3)通过对准标记和键合技术实现多层分选基片的堆垛和封装；(4)各层分选基片上的分选出ロ在与上层分选基片或多层分选基片键合封装后打出通孔作为粒子的出口；(5)将功能基片和封装后的多层分选基片键合封装。所述步骤(4)中，最上层分选基片的分选出口在键合封装前打出通孔，最底层分选基片的样品出口在与上面多层分选基片键合后打出通孔作为最终样品的出口。本实用新型中，每层分选基片之间的关系为待分选或提纯样品通过外部流体驱动设备以特定流速由最上层分选基片的样品入口注入并经过最上层分选基片的主分选流道的处理，借助微流体惯性效应(惯性迁移)的作用将尺寸最大的粒子聚焦分离至分岔流道并由分选出口导出芯片；剩余粒子混合液由最上层分选基片的样品出口导入到第二层分选基片的样品入口 ；导入的剰余粒子混合悬浮液经过第二层分选基片主分选流道的处理后，剰余粒子混合悬浮液中尺寸最大的粒子仍由第二层分选基片的分岔流道通过分选出口导出芯片，经第二层分选基片处理后的剰余粒子混合液仍由第二层分选基片的样品出口继续导入第三层分选基片的样品入口，依次类推直至完成所有分选基片层主分选流道的处理，最后由底层分选基片的样品出口导出最终样品。各层分选基片的样品入口在键合封装前完成打孔，除最上层分选基片的样品入口处插入微管用于连接外部流体驱动设备外，其余各层分选基片的样品入口均与上一层的样品出口堆叠封接，用于导入经上层分选基片主分选流道分选处理的剰余粒子悬浮液。各层分选基片出口是否打通孔需根据其功能进行抉择，如出口的设置目的为向下一分选基片输出样品流则不需打孔，如需直接将样品流导出芯片则需在该层分选基片与上层分选基片或上面多层分选基片键合封装完毕后打孔(最上层基片在键合封装前打孔)，且需保证其它层分选基片在该位置无微结构存在。有益效果本实用新型相比现有技术具有以下优点，本实用新型的微流道结构通过适当提高注入样品的流速，突破传统微流控芯片中低雷诺数的观念，巧妙利用微流体惯性效应来实现微米级生物粒子的高通量、连续流尺寸分选，该技术仅需控制流道的横截面尺寸和流道总体长度，具有结构简单、无需借助外场、通量高、芯片制作成本低等优点；同时，本实用新型通过多层分选单元堆垛实现了多种不同尺寸粒子的同时高效分选；克服了常规分选技术只能分选或提纯两种不同尺寸粒子的局限；与现有平面多分选单元集成技术相比，具有易集成微型化等优点；本实用新型提出的器件可广泛用于临床诊断、生物学研究、生化分析、环境监控等领域的检测对象高通量分选。
图1是本实用新型上分选基片的俯视图；图2是本实用新型下分选基片的俯视图；图3是本实用新型的堆垛结构及通孔分布的立体图；图4是图3中A-A剖面结构示意图；图5是本实用新型上下分选基片堆垛后的俯视图；图6是本实用新型微流道粒子分选原理示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。本实施例的分选基片材料为聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)，也可用特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、SU-8光刻胶、玻璃、硅或石英等聚合物和硬质材料来制作。不同的材料其对应的加工エ艺、键合技术及成品器件的光学、电学特性也不相同，应根据实际加工制作条件及应用需求选择合适的芯片材质。本实施例中PDMS微结构分选基片借助软光刻技术制作，分选基片浇铸所用阳模采用SU-8无掩模光刻加工，该技术具有柔性高、制作成本低及加工周期短等优点。也可借助基于铬掩模/打印胶片掩模的光刻技术、硅的湿法/深反应离子刻蚀、超精密机加工、金属电镀及感光电路板的刻蚀加工等技术来制作阳模，但不同技术其所能达到的加工精度和横截面形状等特性也不相同，应根据分选对象及实际设备条件进行选择。本实施例是双层结构的微米级生物粒子高通量分选器件，使用软光刻技术(PDMS模塑法结合无掩模光刻阳模加工技术)来制作两层含特定微结构的PDMS分选基片，在其他实施例中也可由三层以上的分选基片构成，可在保证所含微结构不变形的情况下缩减单层基片的厚度，从而实现垂直空间上最大层数的堆垛。本实施例所述两层结构的器件可用于分选或提纯三种不同尺寸的微米粒子，可广泛用于检测血样中血细胞的分离和血浆的提取、城市污水中多种微米级杂质的去除及稀有细胞的分离等实际应用。如图I所示，本实施例的器件包括功能基片3和两层分选基片，上分选基片I、下分选基片2和功能基片3在垂直空间上顺序堆垛。上分选基片I上设有上主分选流道、上分岔流道5和上分选出ロ 6，上样品入口 4和上样品出ロ 7由打孔机打出，本实施例中上主分选流道包括上直流道8和上渐扩流道9，上样品入ロ 4和上直流道8连通，上渐扩流道9的小径端和上直流道8连通，上分岔流道5的端部分别与上分选出口 6、上样品出口 7和上渐扩流道9的大径端连通，上分选基片I上设有实心矩形对准标记10。如图2所示，下分选基片2上设有下主分选流道、下分岔流道12和下分选出口 13，下样品入口 11和下样品出口 14由打孔机打出，本实施例中下主分选流道包括下直流道15和下渐扩流道16，下样品入口 11和下直流道15连通，下渐扩流道16的小径端和下直流道15连通，下分岔流道12的端部分别与下分选出口 13、下样品出口 14和下渐扩流道16的大径端连通，上直流道8和下直流道15的横截面均为高深宽比矩形。下分选基片2上设有条状角形对准标记17，上分选基片I的上样品出ロ 7与下分选基片2的下样品入口 11堆叠封接。本实施例中，下分岔流道12和下样品出口 14之间的连接流道为菱形，为避免单层分选基片较薄时，样品出入口对其他基片上微结构的影响，上样品入口 4可置于菱形结构的中间，而在流体压カ较大时也不会影响下分选基片2的微流道中流体的运动。但当基片层较厚时，仅需打孔引流用样品出入口对应另外基片处无微结构即可，其它样品出入口可任意排布。如图3和图4所示，两层PDMS微结构基片制备完成后，上样品入口 4、上分选出ロ
6、下分选出口 13、下样品入口 11需在键合封装前打出特定孔径的单层通孔18。待打完单层通孔18并将两基片微结构面清洗干净后，本实施例利用紫外光照射氧气产生臭氧，利用臭氧对基片表面进行氧化处理来实现两层分选基片的不可逆键合。其他实施例中也可以用氧 等离子体处理等手段进行表面改性来实现两层分选基片的不可逆键合。其他实施例中，也可以在制作基片时调配两个分选基片的不同组份(预聚体和固化剂)的配比，利用交界面上的分子扩散作用实现不可逆自键合。两层分选基片堆垛时，借助上下分选基片2上的对准标记在体视镜等对准设备的辅助下实现两层分选基片的堆垛。本实施例中上下分选基片2的对准标记配合使用，各自位于基片的边缘并呈对称分布，可通过软光刻技术与分选基片所含的微流道结构一起加工。但本实施例所提出的器件和方法对于对准精度的要求并不是特别高，如本实施例中仅需上分选出口 6与下样品入口 11之间的大致对准。如图5所示，图中除对准标记外，条纹填充为下分选基片2所含的微结构，纯黑填充为上分选基片I所含的微结构。两层分选基片键合封装完毕后，下分选出口 13和下样品出口 14处均打出双层通孔19。然后，用紫外/臭氧表面改性技术实现封装后两层结构的分选基片与功能基片3的键合。本实施例的功能基片3为载玻片。待整体器件封装完毕后，上样品入ロ 4处的单层通孔18插入微管连接注射泵等外部流体驱动设备用于样品的特定流速引入。上分选出口 6处的单层通孔18，下分选出口 13和下样品出ロ 14处的双层通孔19分别插入微管用于分选或提纯后样品液的收集和导出。本实施例以三种具有明显尺寸差别的粒子分选为例阐述该双层复合结构分选器件的工作步骤和原理。如图6所示，以上分选基片I为例，用特定流速往流道内注入粒子悬浮液后，流道入口部分随机分布的粒子按粒径由大到小分为大粒子20、中粒子21和小粒子22,这三种粒子将受到流体拖拽カFl的作用而沿着流动方向运动。在较高流速条件下，由于上直流道8中伯嘯叶流(Poiseuille flow)的抛物线型速度剖面23,这三种粒子将受到指向壁面的剪切诱导惯性升力F2的作用而朝着壁面运动。当粒子靠近壁面吋，由于三种粒子因为自转而旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生ー个指向流道中心线的壁面诱导惯性升力F3。当粒子尺寸和流道尺寸满足ap/L。彡0. 07，其中ap为粒子直径；L。为直流道的特征尺寸，对于高深宽比矩形横截面的直流道可用最短边估算，满足该条件的粒子将在上述剪切诱导惯性升力F2和壁面诱导惯性升力F3的共同作用下，基于管状收缩效应，满足该条件的粒子在流道出口部分聚焦至平衡位置L0，而其它粒子则仍随机分布于流道中，本实施例中按照大粒子20的尺寸制作上主分选流道，使得大粒子20满足上述条件并聚焦至平衡位置L0，而中粒子21和小粒子22不满足该条件仍随机分散于流道中，渐扩流道起到拉开粒子的两个平衡位置距离的作用。当大粒子20运动至上分岔流道5附近吋，由于壁面诱导惯性升力F3被撤销，大粒子20将在剪切诱导惯性升力F2的単独作用下从上分岔流道5向上分选出口 6导出，而中粒子21和小粒子22则从上分岔流道5向上样品出口 7导出，从而实现粒子的分离和纯化。中粒子21和小粒子22进入下分选基片2，下分选基片2所含下主分选流道设计为使剰余两种粒子中较大粒子惯性聚焦，而较小粒子仍随机分布于流道中。因此，当剰余两种粒子悬浮液经过下主分选流道的作用后，较大粒子由下分选出口 13导出芯片，剩下最小粒子由下样品出口 14导出芯片，从完成三种不同尺寸粒子的整个高纯度分离过程。上下分选基片中主分选流道所含 的矩形横截面的直流道仅需矩形横截面符合特定粒子平衡聚焦而其它粒子不聚焦的条件，流道长度满足使得所有符合上述要求的粒子均能迁移至平衡位置LO即可。如果有更多不同尺寸的粒子，可以相应的设置对应的多层分选基片进行分离和纯化。本实施例中提出的多层结构分选器件不需要复杂结构和耗能外场辅助，具有结构简单、成本低、效率高等优点，可广泛用于环境监控、临床诊断治疗、生物学及生化分析等研究应用中。
权利要求1.ー种微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在干，所述器件包括功能基片和至少两层分选基片，所述分选基片和功能基片顺序堆垛，每层分选基片上设有样品入口、主分选流道、分岔流道、分选出口和样品出口，样品入口和主分选流道连通，分岔流道的端部分别与分选出口、样品出口和主分选流道连通，每层分选基片的样品出口与下一层分选基片的样品入口堆叠封接。
2.根据权利要求I所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述主分选流道包括直流道和渐扩流道，样品入口和直流道连通，渐扩流道的小径端和直流道连通，渐扩流道的大径端和分岔流道连通。
3.根据权利要求2所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述直流道的横截面为高深宽比矩形。
4.根据权利要求2所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述每层分选基片的直流道的横截面尺寸和该层最大粒子的尺寸关系为 a/L。≥0. 07，其中，ap为该层最大粒子的直径山。为直流道的特征尺寸。
5.根据权利要求I所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述每层分选基片上设有对准标记。
6.根据权利要求I所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述分选基片材质选自聚ニ甲基硅氧烷、特氟龙、聚甲基丙烯酸甲酷、SU-8光刻胶、玻璃、硅和石英中的ー种。
7.根据权利要求I所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述功能基片为载玻片或电极。
8.根据权利要求I所述的微米级粒子高通量分选的微流控器件，其特征在于所述分岔流道和样品出ロ之间的连接流道为多边形。
专利摘要本实用新型公开了一种微米级粒子高通量分选的微流控器件，器件上分选基片和功能基片顺序堆垛，样品入口和主分选流道连通，分岔流道的端部分别与分选出口、样品出口和主分选流道连通，每层分选基片的样品出口与下一层分选基片的样品入口堆叠封接。本实用新型的微流道结构通过提高注入样品的流速，突破传统微流控芯片中低雷诺数的观念，利用微流体惯性效应来实现微米级生物粒子的高通量、连续流尺寸分选。
文档编号B01L3/00GK202356108SQ20112051099
公开日2012年8月1日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者倪中华, 孙东科, 易红, 陈云飞, 陈科, 项楠 申请人:东南大学