一种微米粒子分选微流控器件的制作方法

本发明涉及微流控装置领域，特别是一种微米粒子分选微流控器件。

背景技术：

样品中微纳米生物粒子的聚焦、分选和捕获等操控，将直接影响生命科学研究结果的有效性和准确性。通过构建微米级的流道网络，微流控技术(microfluidics)已经发展成为微米粒子操控的研究热点和主流技术。研究人通过引入电场、声场和磁场等外场作用(主动技术)，或利用特殊微结构及其诱导产生的微流体效应(被动技术)，开发出多种不同工作原理的片上微粒操控技术。其中，被动式的微粒操控技术因无需引入外场作用而得到广泛关注。如发明专利cn102513169b公开了一种微米级粒子高通量分选的微流控器件及其制作方法。该专利基于粒子在牛顿流体中横向惯性迁移的尺寸依赖性(惯性聚焦技术)，利用直流道和渐扩流道将不同尺寸的粒子进行分选(即大粒子聚焦在流道壁附近，小粒子则聚集在流道中心附近)。为实现多种不同尺寸粒子的分选，该专利还将具有相同功能的两级惯性分选单元(即两个分选基片)利用多层结构进行串联，即通过垂直结构将聚集在渐扩流道中心附近的小粒子引入另一个分选单元进行二次分选。发明专利cn102513169b公开的两层分选基片具有相同的功能和结构，所述直流道的横截面均为高深宽比的矩形结构，并且上分选基片上的上分选出口并不与下分选基片相连，而是作为样品的导出口与样品收集装置相连，即上分选基片和下分选基片实际上是独立的功能单元，上样品出口和下样品入口可以任何形式进行串联。

除上述惯性聚焦技术外，粘弹性聚焦技术(viscoelasticfocusing)巧妙利用微尺度流体(非牛顿流体)的惯性效应和粘弹性效应实现粒子运动状态和平衡位置的精确控制，具有所需流道结构简单、无需借助外场及单一聚焦平衡位置等显著优势。

现阶段对粘弹性聚焦技术的研究仍主要集中在微米粒子的粘弹性聚焦机理和单列排序操控等方面，对粘弹性聚焦技术在不同尺寸粒子的分选应用研究仍相对较少。为此，一些研究者尝试引入鞘液夹流技术，在流道入口处将粒子挤压在靠近流道壁面附近，当粒子随粘弹性溶液在微流道内运动时，大粒子将受到较强的横向惯性升力和弹性力作用而逐渐侧向迁移运动至流道中心附近，而小粒子因受到较小惯性升力和弹性力作用而保持在流道壁面附近，从而实现不同尺寸生物粒子的有效分选(labchip，2012,12:1347；acsnano,2017,11:6968-6976)。然而，鞘液夹流的引入，显著增加了实验操作和微流控器件系统的复杂程度，不利于微流控器件的推广使用。

技术实现要素：

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种微米粒子分选微流控器件。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微米粒子分选微流控器件，包括由下至上依次堆叠设置的基底层、流道层、连接层、导流层和接口层；

所述流道层设有一级聚焦流道，一级聚焦流道末端分为三路，一路直连一级出口流道，另两路分别连通位于一级出口流道两侧的一级分支流道，一级出口流道分别连通两个二级样品流道之后共同连通到二级分选流道；

两个一级分支流道分别对应向上连通到导流层的两个一级分支导流流道后，共同向下连通到流道层的二级鞘液流道，二级鞘液流道连通到二级分选流道；

二级分选流道分为三路，一路直连到二级出口流道，另两路分别连通位于二级出口流道两侧的二级分支流道。

本发明中，所述一级聚焦流道的截面为矩形，一级聚焦流道的深度与宽度之比大于1，使得粒子在流道宽度方向上将受到更强的惯性升力和弹性力作用而聚焦在流道的中心位置，而粒子在流体作用较弱的流道高度方向上则分散在流道中心附近。

本发明中，所述二级分选流道的截面为矩形，深度与宽度之比小于1，粒子在流道高度方向上将受到更强的惯性升力和弹性力作用而聚焦在流道的中心位置。

本发明中，所述一级聚焦流道和二级分选流道的截面尺寸与微粒尺寸的关系为：a/d<0.25，其中，a为微粒的直径，d为一级聚焦流道和二级分选流道的截面水力直径。

本发明中，所述接口层上设有样品入口、样品出口和两个分支出口；

样品入口向下贯穿连通导流层、连接层后连通到流道层的一级样品入口，一级样品入口为一级聚焦流道的端口；

样品出口向下贯穿连通导流层、连接层后连通到流道层的二级样品出口，二级样品出口为二级出口流道的端口；

两个分支出口分别向下贯穿连通导流层、连接层后对应连通到流道层的两个二级分支出口，两个二级分支出口分别是二级分支流道的端口。

本发明中，包括作为微米粒子悬浮介质的粘弹性溶液，粘弹性溶液通过向生理盐水或磷酸盐缓冲液中添加聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷或透明质酸配制而成。

本发明中，所述基底层、流道层、连接层、导流层和接口层的材质为聚二甲基硅氧烷或硅胶或塑料或玻璃中的一种，性能稳定。

发明专利cn102513169b的两层流道的功能是相同的(均为分选)，本发明流道两层流道的功能是不同的，本发明上层聚焦、下层分选，体现在流道深宽比方面，即对比文件采用流道均为高深宽比的矩形，而本发明一级聚焦流道的截面为深宽比大于1的矩形，二级分选流道的截面为深宽比小于1的矩形；此外，发明专利cn102513169b的上层流道仅一个出口与下层流道连通，其实是两个相同功能单元的串联，垂直堆叠和水平串联都可以，而本发明的上层流道分支出口和样品出口均与下层流道相连，作为下层流道的鞘液夹流入口和样品入口，必须采用垂直堆叠的方式。

有益效果：本微米粒子分选微流控器件通过集成粘弹性聚焦、分选二级功能单元，能够在无需鞘液流作用的情况下，实现不同尺寸微米粒子的有效分选，具有操作简单和高精度等优点，可广泛用于生物粒子的分选和富集等预处理功能应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明微流控器件的组成示意图；

图2为本发明流道层的组成和结构示意图；

图3为本发明连接层的组成和结构示意图；

图4为本发明导流层的组成和结构示意图；

图5为本发明接口层的组成和结构示意图；

图6为本发明微流控器件的俯视图；

图7为本发明一级聚焦流道内微粒粘弹性聚焦的原理示意图；

图8为本发明二级分选流道内微粒粘弹性分选的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

图中：1、基底层，2、流道层，21、一级样品入口，22、一级分支出口，23、二级鞘液入口，24、二级样品出口，25、二级分支出口，211、一级聚焦流道，212、一级分支流道，213、一级出口流道，214、二级样品流道，215、二级鞘液流道，216、二级分选流道，217、二级分支流道，218、二级出口流道，3、连接层，31、一级样品连接入口，32、一级分支连接出口，33、二级鞘液连接入口，34、二级样品连接出口，35、二级分支连接出口，4、导流层，41、一级样品导流入口，42、一级分支导流出口，43、二级鞘液导流入口，44、二级样品导流出口，45、二级分支导流出口，46、一级分支导流流道，5、接口层，51、样品入口，54、样品出口，55、分支出口，61、小粒子(2微米粒子)，62、大粒子(5微米粒子)。

一种微米粒子分选微流控器件，如图1所示，包括自下而上依次堆叠的基底层1、流道层2、连接层3、导流层4和接口层5。

如图2所示，所述流道层2包括一级样品入口21、一级分支出口22、二级鞘液入口23、二级样品出口24、二级分支出口25、一级聚焦流道211、一级分支流道212、一级出口流道213、二级样品流道214、二级鞘液流道215、二级分选流道216、二级分支流道217和二级出口流道218。一级聚焦流道211入口为一级样品入口21，一级聚焦流道211出口通过分叉结构与一级分支流道212和一级出口流道213连通。一级分支流道212出口为一级分支出口22，一级出口流道213出口通过分叉结构与二级样品流道214连通。二级鞘液流道215入口为二级鞘液入口23，二级鞘液流道215和二级样品流道214通过分叉结构交汇后与二级分选流道216连通。二级分选流道216出口通过分叉结构与二级分支流道217和二级出口流道218连通。二级分支流道217出口为二级分支出口25，二级出口流道218出口为二级样品出口24。

一级聚焦流道211的截面为矩形，其深宽比大于1。由于粘弹性微粒聚焦沿长边分散，沿短边集中，一级聚焦流道采用深宽比大于1的矩形流道，有助于将微粒水平聚焦在流道中心附近。

二级分选流道216的截面为矩形，其深宽比小于1。二级分选流道采用深宽比小于1的矩形流道，有助于不同尺寸微粒水平横向位置的分离，提高不同尺寸微粒的分选效率。

一级聚焦流道211和二级分选流道216的截面尺寸与微粒的尺寸关系为：a/d<0.25，其中，a为微粒的直径，d为一级聚焦流道211和二级分选流道216的截面水力直径。有助于尺寸较小微粒的有效分选。

如图3所示，所述连接层3包括一级样品连接入口31、一级分支连接出口32、二级鞘液连接入口33、二级样品连接出口34、二级分支连接出口35。

如图4所示，所述导流层4包括一级样品导流入口41、一级分支导流出口42、二级鞘液导流入口43、二级样品导流出口44、二级分支导流出口45和一级分支导流流道46。一级分支导流流道46一端与一级分支导流出口42连通，一级分支导流流道46另一端与二级鞘液导流入口43连通。

如图5所示，所述接口层5包括样品入口51、样品出口54和分支出口55。

如图6所示，所述一级样品入口21、一级样品连接入口31、一级样品导流入口41和样品入口51垂直对准连通，一级分支出口22、一级分支连接出口32和一级分支导流出口42垂直对准连通，二级鞘液入口23、二级鞘液连接入口33和二级鞘液导流入口43垂直对准连通，二级样品出口24、二级样品连接出口34、二级样品导流出口44和样品出口54垂直对准连通，二级分支出口25、二级分支连接出口35、二级分支导流出口45和分支出口55垂直对准连通。

一级聚焦流道211末端分为三路，一路直连一级出口流道213，另两路分别连通位于一级出口流道213两侧的一级分支流道212，一级出口流道213分别连通两个二级样品流道214之后共同连通到二级分选流道216；两个一级分支流道212分别对应向上连通到导流层4的两个一级分支导流流道46后，共同向下连通到流道层2的二级鞘液流道215，二级鞘液流道215连通到二级分选流道216；二级分选流道216分为三路，一路直连到二级出口流道218，另两路分别连通位于二级出口流道218两侧的二级分支流道217。

通过该设计，将流经一级分支流道的纯peo溶液引入到二级分选流道的中心，在二级分选流道的入口处将微粒挤压在靠近流道壁面附近，随后大粒子受到更强惯性升力和弹性力的作用而迅速向流道中心迁移，而小粒子保持在靠近流道壁面附近，有助于提高不同尺寸微粒分选的精度。

接口层5上设有样品入口51、样品出口54和两个分支出口55；

样品入口51向下贯穿连通导流层、连接层后连通到流道层的一级样品入口21，一级样品入口21为一级聚焦流道211的端口；

样品出口54向下贯穿连通导流层、连接层后连通到流道层的二级样品出口24，二级样品出口24为二级出口流道218的端口；

两个分支出口55分别向下贯穿连通导流层、连接层后对应连通到流道层的两个二级分支出口25，两个二级分支出口25分别是二级分支流道217的端口。

由于流道层、连接层、导流层和接口层上均设有样品入口、样品出口和分支出口，这些出入口可作为多层芯片的对准定位标记，有助于芯片的可靠加工。

微米粒子的悬浮介质为粘弹性溶液，所述粘弹性溶液通过向生理盐水或磷酸盐缓冲液中添加聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷或透明质酸配制而成。采用这种方法配置粘弹性溶液，具有较好的生物相容性，并且可根据需要调整粘弹性溶液的浓度，便于调控微粒的粘弹性聚焦和分选行为。

所述基底层1、流道层2、连接层3、导流层4和接口层5的材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、塑料、玻璃中的一种。透明材料有助于利用显微镜等观察微粒在微流控器件内的运动情况。

下面结合具体实施例来阐述微米粒子分选微流控器件的工作步骤和原理。

实施例1：

本实施例中采用激光器切割出所需的基底层1、流道层2、连接层3、导流层4和接口层5，再使用塑封机进行对准封装来加工微流控器件，也可借助多层软光刻技术或3d打印技术来制作所需的微流控器件。

将聚环氧乙烷peo粉末溶于磷酸盐缓冲液pbs中，配置质量分数为0.1％的peo粘弹性溶液。将直径为2微米、5微米的聚苯乙烯粒子悬浮于配置的peo溶液中，作为测试样品。一级聚焦流道211的高度为50微米、宽度为25微米，二级分选流道216的高度为50微米、宽度为75微米。一级聚焦流道211和二级分选流道216的截面尺寸与微粒的尺寸满足a/d<0.25，即粒子在流道内的阻塞比小于0.25。

将两种聚苯乙烯粒子加入到peo粘弹性溶液中形成混合悬浮液，当以每分钟7微升将混合悬浮液注入微流控器件的样品入口51时，样品先后流经一级样品导流入口41、一级样品连接入口31和一级样品入口21，进入一级聚焦流道211。如图7所示，两种粒子在一级聚焦流道211的入口处随机分布于流道内。在阻塞比(即a/d)小于0.25的情况下，粒子在一级聚焦流道211内运动时，将因受到惯性升力和弹性力的共同作用而最终稳定在流道的中心附近。由于一级聚焦流道211的深宽比为2，粒子在流道宽度方向上将受到更强的惯性升力和弹性力作用而聚焦在流道的中心位置，而粒子在流体作用较弱的流道高度方向上则分散在流道中心附近。

由于粒子聚焦在一级聚焦流道的中心，因此在一级聚焦流道的分叉口处，粒子进入一级出口流道213，粒子聚焦束两侧的纯peo溶液进入一级分支流道212。纯peo溶液依次流经一级分支流道212、一级分支出口22、一级分支连接出口32、一级分支导流出口42、一级分支导流流道46、二级鞘液导流入口43、二级鞘液连接入口33、二级鞘液入口23，进入二级鞘液流道215。聚焦粒子随着peo溶液流经一级出口流道213，进入二级样品流道214。

如图8所示，粒子流经二级样品流道214、纯peo溶液流经二级鞘液流道215后，通过分叉结构交汇于二级分选流道216。在二级分选流道216的入口处，粒子在peo鞘液流(纯peo溶液)的作用下，沿流道壁面向前运动。在阻塞比小于0.25的情况下，粒子在二级分选流道216内运动时，将受到横向惯性升力和弹性力的共同作用而发生侧向迁移运动。由于二级分选流道216的深宽比为0.67，粒子在流道高度方向上将受到更强的惯性升力和弹性力作用而聚焦在流道的中心位置。由于惯性升力与粒子直径的4次方成正比、弹性力与粒子直径的3次方成正比，在流道水平方向上，大粒子(5微米)62因受到更强的惯性升力和弹性力作用而迁移运动至流道中心，而小粒子(2微米)61则保持在流道壁面附近。随后，聚焦在二级分选流道216中心处的大粒子62，依次流经二级出口流道218、二级样品出口24、二级样品连接出口34、二级样品导流出口44和样品出口54。聚集在二级分选流道216壁面处的小粒子61，依次流经二级分支流道217、二级分支出口25、二级分支连接出口35、二级分支导流出口45和分支出口55，最终实现不同尺寸粒子的分选。本发明采用基于粘弹性粒子操控原理的上层聚焦、下层分选二级功能单元，通过将上层流道分支出口、样品出口分别与下层流道的鞘液夹流入口、样品入口相连，在分选流道的入口处将粒子挤压在靠近流道壁面附近，有效提高了不同尺寸粒子分选的准确性，本实施例中5微米粒子和2微米粒子的分选效率均可达到99％以上。

发明专利cn102513169b的粒子分选微流控器件要求分选粒子直径与流道特征尺寸的比值大于等于0.07(具体原理参见文献：procnatlacadsciusa,2007,104:18892-18897)，而本发明公开的分选微流控器件要求分选粒子直径与流道特征尺寸的比值小于0.25(具体原理参见文献：rscadv,2017,7:3461-3469)。假设流道的特征尺寸为50微米，则发明专利cn102513169b能够有效分选的粒子直径需大于3.5微米，而本发明能够有效分选的粒子直径需小于12.5微米。也就是说，发明专利cn102513169b的公开的微流控器件更加适合大尺寸粒子的分选，而本发明公开的微流控器件则更加适用于小尺寸粒子的分选。如若采用发明专利cn102513169b公开的微流控器件，将无法实现本实施例中2微米粒子和5微米粒子的有效分选。本微米粒子分选微流控器件通过集成粘弹性聚焦、分选二级功能单元，能够在无需外部鞘液流作用的情况下，实现不同尺寸微米粒子的有效分选，具有操作简单和高精度等优点，可广泛用于生物粒子的分选和富集等预处理功能应用。

本发明提供了一种微米粒子分选微流控器件，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。