微米粒子高通量富集微流控芯片的制作方法

本发明涉及一种富集芯片，具体涉及一种微米粒子高通量富集微流控芯片。

背景技术：

如今微粒子富集技术几乎无处不在，已成为生物研究、化学分析、环境检测及医疗诊断等众多行业里的重要样品预处理环节。

而目前微粒富集主要方法为离心法和孔隙过滤法。离心法主要通过高速旋转使溶液中的微粒发生沉降，再倒去上清液得到富集液。该方法往往需要借助昂贵的仪器，导致该方法没有办法用于野外或是偏远穷困地区，同时高速离心将对浓度极稀的柔性生物样品造成不可避免的伤害。相比高速离心方法，孔隙过滤的原理则显得更为简单，该方法主要部分是含有特定尺寸微孔结构的薄膜，该薄膜置于过滤口便可以阻隔该样品中固体成分，须大于微孔孔径，滤走空白液体来达到富集的目的。由于微孔膜极易堵塞，在堆积一定量固体成分之后，样品液就很难顺利流出，因此无法满足高浓度或是大体积量样品液的富集需求。此外，对于如何取下粘在膜上微粒的问题，当前的手段仍然很难解决。这两种方法前者主要用于实验室和医院，后者目前大多用于获取清液。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种微米粒子高通量富集微流控芯片，解决现有微粒富集方法浓缩效率低，不能满足极低浓度或大体积样品液的富集需求，应用范围窄，操作不便。

技术方案：本发明所述的微米粒子高通量富集微流控芯片，从上而下依次堆叠设置有富集模块、内出口收集模块、引流模块、外出口收集模块和控流模块，所述富集模块中心设置有样品入口，所述样品入口连通有惯性浓缩流道，所述惯性浓缩流道连通有分叉流道，所述分叉流道连通内出口和外出口，所述内出口收集模块将所述富集模块内出口的空白溶液汇集到中间，所述引流模块将所述内出口收集模块汇集的空白溶液引流至侧边，所述外出口收集模块将所述外出口的浓缩溶液汇集到中间，所述控流模块对空白溶液和浓缩溶液的流阻进行限定后导出。

为了提高单位时间的处理样品液的通量，所述惯性浓缩流道为圆周径向阵列的弯折式正弦流道。

为了合理利用空间，有效缩短芯片的幅面，所述惯性浓流道由若干个弯折的扇形组成。

为了将浓缩溶液和空白溶液分离导出，所述分叉流道为非敞开十字分叉流道，横向两端分别连通内出口，竖向流道连通外出口。

为了将富集模块和内出口收集模块连接，所述富集模块和内出口收集模块之间通过粘结模块连接。

为了将浓缩溶液和空白溶液导出芯片进行收集，还包括出口模块，其连接在控流模块下方。

为了方便将富集模块内出口的空白溶液汇集导出，所述内出口收集模块通过设置的T型流道将内出口空白溶液汇集到中间。所述内出口收集模块的T型流道呈周周径向排布，数量跟排布方式与所述惯性浓缩流道一致。

为了方便将富集模块外出口的浓缩溶液汇集导出，所述外出口收集模块通过设置的外汇集流道将外出口浓缩溶液汇集到中间。所述外出口收集模块的外汇集流道呈周周径向排布，数量跟排布方式与所述惯性浓缩流道一致。

工作原理：本发明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拽力的共同作用对微粒富集精确操控。其中，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。样品液在单体弯折式非对称正弦流道受到惯性升力和Dean拽力的耦合作用，只需保证入口以特定流速导入，无需任何外场作用即可使得微粒在出口区域排列成一排，且位于流道中心位置。又利用十字分叉流道的分流作用，聚焦排列的微粒将会被外出口导出收集，而空白样品从两个内出口导出。

有益效果：本发明浓缩效率高，能满足极低浓度或大体积样品液的富集需求，应用范围广，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，芯片制作简单，成本低廉，使用操作简单。

附图说明

图1是本发明功能模块爆炸图；

图2是富集模块的俯视图；

图3是粘接模块的俯视图；

图4是内出口收集模块的俯视图；

图5是引流模块的俯视图；

图6是外出口收集模块的俯视图；

图7是控流模块的俯视图；

图8是出口模块的俯视图；

图9是本发明的俯视图；

图10是不同流速下微藻细胞入口和内外出口的浓度变化曲线；

图11是不同流速下微藻细胞富集效率的变化柱状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种微米粒子高通量富集微流控芯片，从上而下依次堆叠设置有富集模块1、粘接模块2、内出口收集模块3、引流模块4、外出口收集模块5、控流模块6和出口模块7。如图2所示，富集模块1上设置有样品入口11、外出口12、内出口13、惯性浓缩流道14、直流道15、十字分叉流道16；惯性浓缩流道14一端通过一段直流道15连通样品入口11，另一端通过十字分叉流道16分别连通内出口13和外出口12；惯性浓缩流道14为弯折式非对称正弦流道，并通过圆周径向阵列来提高单位时间的处理通量。为合理利用空间，有效缩短芯片的幅面，惯性浓缩流道14呈现弯折扇形分布。惯性浓缩流道14、直流道15、十字分叉流道16为非敞开通道形式，截面为矩形结构。样品入口11向上开孔，外出口12和内出口13向下开孔。如图3所示，粘接模块2上设置有内入口21、外入口22；内入口21、外入口22互不连通，分别为穿层通孔形式。粘接模块2将富集模块1与内出口收集模块3粘接；如图4所示，内出口收集模块3上设置有内入口31、外入口32、内汇集流道33、内汇集出口34；内汇集流道33一端连接内汇集出口34，另一端通过T形结构流道35连通两个内入口31；内汇集流道33呈圆周径向排布，数量和排布方式与高通量惯性富集模块1上的惯性浓缩流道14相同；外入口32与内入口31、内导流通道33、T形结构流道35、内汇集出口34均不相通；内入口31为向上开孔，内汇集出口34为向下开孔，外入口32为穿层通孔。如图5所示，引流模块4上设置外入口41、引流流道42、内汇集入口43、内汇集出口44，所述引流模块4将内出口收集模块3与外出口收集模块5粘接；所述外入口41、引流流道42、内汇集入口43、内汇集出口44均为穿层通孔结构。如图6所示，外出口收集模块5上设置有外入口51、外汇集流道52、内汇集出口53、外汇集出口54；外入口51、外汇集流道52、外汇集出口54依次连通；内汇集出口53与外入口51、外汇集流道52、外汇集出口54均不互通。外汇集流道52呈圆周径向排布，数量和排布方式与高通量惯性富集模块1上的惯性浓缩流道14相同；外入口51向上开孔，内汇集出口53为穿层通孔，外汇集出口54向下开孔，外汇集流道52，为非敞开通道形式，截面为矩形结构。如图7所示，控流模块6上设置有内引流流道61、内汇集入口63、内汇集出口64、外引流流道62、外汇集入口65、内汇集出口66，控流模块6同时将外出口收集模块5与出口模块7粘接，内引流流道61、内汇集入口63、内汇集出口64、外引流流道62、外汇集入口65、内汇集出口66均为穿层结构。如图8所示，出口模块7上设置有内出口71、外出口72；内出口71、外出口72均为穿层通孔结构。

制备上述芯片时，高通量惯性富集模块1上的外出口12、内出口13分别与粘接模块2上的外出口22、内出口21对准，同时粘接模块2起到粘接高通量惯性富集模块1和内出口收集模块3的目的。粘接模块2上的内出口21、外出口22分别与内出口收集模块3的内入口31、外入口32对准；内出口收集模块3的外入口32与引流模块4的外入口41对准；内出口收集模块3的内汇集出口34与引流模块4的引流流道42靠近中心端入口43对准，引流模块4能够粘接内出口收集模块3和外出口收集模块5；引流模块4的外入口41与外出口收集模块5的外入口51分别对准，引流模块4的引流流道42非中心端出口44与外出口收集模块5的内入口53对准；外出口收集模块5的内入口53与控流模块6的内流量控制通道61入口63对准；外出口收集模块5的外汇集出口54与控流模块6的外流量控制通道62入口65对准，控流模块6起到外出口收集模块5和出口模块7的粘接作用，控流模块6内流量控制通道61出口64与出口模块7的内出口71对准，控流模块6外流量控制通道62出口66与出口模块7的外出口72对准。

各层垂直堆叠之后的俯视图如图9所示，使用该芯片时，微粒子样品液由样品入口11流入，经过直流道15流入各支惯性浓缩流道14，在各支惯性浓缩流道14中微粒子将被聚焦至流道宽度中间区域，从而经十字分叉流道16分流后由外出口12导出高通量惯性富集模块1，而不含微粒子的空白溶液由内出口13导出。空白溶液去除，即可在一次使用中提高样品液的浓度。由高通量惯性富集模块1内出口13导出的空白溶液流经粘接模块2上内入口21，向下流入内收集模块3上内入口31、内汇集流道33、内汇集出口34，汇集后向下流入引流模块4上引流流道42靠近中心端入口43，并由引流流道42出口44向下流入外出口收集模块5上内汇集出口53，向下流入控流模块6内流量控制通道61入口63，由内流量控制通道61出口64向下流入出口模块7上内出口71导出整个芯片收集。同样，由高通量惯性富集模块1外出口12导出的浓缩后微粒子液流经粘接模块2上外入口22，向下流入内收集模块3上外入口32，向下流入引流模块4上外入口41，向下流入外出口收集模块5上外入口51，经外汇集流道52收集后再外汇集出口54向下汇集流入控流模块6外流量控制通道62入口65，由出口66向下流入口模块7上外出口72导出整个芯片收集。

其中，第一层富集模块1为核心层，其中包含径向分布的单体弯折式非对称正弦流道，细胞样品液由中心入口导入，在单体弯折式非对称正弦流道受到惯性升力和Dean拽力的耦合作用，只需保证入口以特定流速导入，无需任何外场作用即可将微粒在出口区域排列成一排，且位于流道中心位置。利用十字分叉流道的分流作用，聚焦排列的微粒束将会被外出口导出收集，而空白样品从两个内出口导出。由于不含微粒空白样品液的导出将使得外出口收集的样品液浓度得到显著提升。第三层内出口收集模块3为内出口空白样品的汇集层，用于将内出口收集的空白样品液收集汇聚至中间。第四层引流模块4是粘合加引流作用，用于将第三层中汇集的空白样品层引流至侧边，空出中间区域，以便后续安排出口结构。第五层外出口收集模块5为外出口导出的富集浓缩后的样品液，汇集引流至中间。第六层控流模块6，主要用于匹配出口的流阻，这样最终从第七层出口模块7导出的样品流的体积是固定的，浓缩效率也不会因为我们2-6层的复杂管路而受到影响，这层通过控制上面引流通道的宽度来调节两个的流阻。

使用本发明的芯片来富集青岛大扁藻细胞过程为：首先制作一块上述芯片，富集模块1，内出口收集模块3，外出口收集模块5和出口模块7的材质选用PVC塑料；粘接模块2，引流模块4，控流量比例模块6的材质为双面胶。富集模块1，粘接模块2，内出口收集模块3，引流模块4，外出口收集模块5，控流量比例模块6和出口模块7均采用激光加工来切割出所需的结构。富集模块1、内出口收集模块3、外出口收集模块5制作时在选取的PVC基底和塑封膜上分别用激光器切割出所需流道结构，再使用塑封机完成封装，本技术加工时间短，加工时间<1min/片，加工精度高，偏差约5μm，制作成本低，灵活性极强。然后将芯片置于夹具之中；取待富集青岛大扁藻藻种，将青岛大扁藻藻种样品液30ml吸取至注射器中，并将注射器头部与夹具入口连接，两侧出口与两个容器相连，将注射器置于注射泵至上，设置好合适的流速，直至注射器内液体全部推完；收取两个容器的溶液即可获得浓缩液。其中，设定操作流速在1-8ml/min，其中每次选取一个流速，测量获得样品入口11的初始样品、内出口71还有外出口72收集的浓缩液中细胞浓度的变化曲线如图10所示，计算浓缩效率，计算公式如下：

计算的浓缩效率结果如图11所示，结果表明，在样品驱动流量为6毫升/分钟时，该集成芯片具有最好的浓缩效果，样品入口11细胞浓度为1.98*10⁵个/ml，内出口71收集的浓缩液中细胞浓度为0.351*10⁵个/ml，而外出口72收集的浓缩液中细胞浓度为4.52*10⁵个/ml，浓缩倍数达到2.28倍。