一种低成本微米粒子浓缩装置及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种基于微流体惯性效应的分选装置，尤其涉及的是一种低成本 微米粒子浓缩装置及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 浓缩技术是样品前处理过程中的重要方法，现已广泛应用于生物、医药、环境和食 品等行业。样品浓缩在大幅度提高现有分析方法的检测能力起着非常关键的作用。目前主 要的浓缩手段有：气流吹蒸法、减压浓缩法、旋转蒸发器浓缩法、真空离心浓缩法等。
[0003] 气流吹蒸法是将空气或氮气吹入盛有样品的容器中，不断降低液体表面蒸气压， 使溶剂不断蒸发而达到浓缩的目的。此法虽操作简单，但效率低，并且仪器设备成本相对而 目比$父尚昂。
[0004] 有些待测组分对热不稳定，在较高温度下容易分解，采用减压浓缩，降低了溶剂的 沸点，既可迅速浓缩至所需体积，又可避免被测物分解。常用的减压浓缩装置为全玻减压浓 缩器，又称K-D浓缩器，这种仪器是一种常用的减压蒸馏装置，这种仪器浓缩净化液时具有 浓缩温度低、速度快、损失少以及容易控制所需要体积的特点，适合对热不稳定被测物提取 液的浓缩。但其缺点也比较明显，仪器只适合在实验室内进行操作，并且装置结构复杂，制 作成本高，需要借助电气设备才能完成样品的浓缩。
[0005] 旋转蒸发器通过电子控制，使烧瓶在适宜的速度下旋转以增大蒸发面积。浓缩时 可通过真空泵使蒸发烧瓶处于负压状态。盛装在蒸发烧瓶内的提取液，在水浴或油浴中加 热的条件下，因在减压下边旋转、边加热，使蒸发瓶内的溶液黏附于内壁形成一层薄的液 膜，进行扩散，增大了蒸发面积，并且，由于负压作用，溶剂的沸点降低，进一步提高了蒸发 效率，同时，被蒸发的溶剂在冷凝器中被冷凝、回流至接收瓶。该法较一般蒸发装置蒸发效 率成倍提高，并且可防止暴沸、被测组分氧化分解。但是在浓缩过程中复杂的操作步骤对 被浓缩样品破坏比较大，不适用于对细胞等生物组织样品的浓缩，此法浓缩速度慢，操作麻 烦。
[0006] 真空离心浓缩就是采用离心机、真空和加热相结合的方法，在真空状态下离心样 品，并通过超低温的冷阱捕捉溶剂，从而将溶剂快速蒸发达到浓缩或干燥样品的目的。离心 浓缩后的样品可方便地用于各定性和定量分析定性和定量分析。但是其应用于生物微粒浓 缩时，生物微粒机械性损伤较大，活性降低，对后续的分析可能会产生较大的误差。而且仪 器设备复杂，便携性不好，不适合在户外、紧急情况下及时浓缩样品。
[0007]弯流道惯性微流控技术利用粒子惯性迀移效应和弯曲率诱导产生的截面二次流 来实现微粒子的高效操控，为微米粒子浓缩方法的发展提供了新的途径。弯流道中粒子在 惯性升力和Dean拽力的共同作用下迀移至靠近流道内壁处，从而实现样品的浓缩。目前大 多数微流控芯片材料采用聚二甲基硅氧烷（PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、玻璃、硅或 石英等聚合物和硬质材料来制作。不同的材料还需选择对应不同的加工工艺、键合技术。许 多制作芯片步骤只能在专业的实验室内由专业的工作人员完成，从而难以实现微流控芯片 的低成本化和商业化。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种低成本微米粒子浓缩装置 及其制作方法。
[0009] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 一种低成本微米粒子浓缩装置，包括圆棒、橡胶层、螺旋圆管、接合器、Y型转接头、浓缩 液出口微管和废液出口微管；所述螺旋圆管与橡胶层下边缘固连，螺旋圆管和橡胶层均匀 地螺旋缠绕在圆棒外围；所述螺旋圆管顶端为进口端，底端为出口端；进口端与接合器连 接，出口端与Y型转接头连接；所述Y型转接头为一进二出式结构，内部包括进液口、浓缩液 出口、废液出口、第一连体接头、第二连体接头和第三连体接头，浓缩液出口和废液出口分 别与进液口相通；所述进液口通过第一连体接头与出口端相通；浓缩液出口微管通过第二 连体接头与浓缩液出口相通；废液出口微管通过第三连体接头与废液出口相通。
[0010] 上述螺旋圆管是螺旋上升的结构，螺旋方向可以是左旋也可以是右旋；螺旋圆管 可以是透明材料也可以是半透明或者不透明材料；螺旋圆管可以是柔性材料也可以是刚性 材料。
[0011] 工作原理：如图1、图5和图6所示，本发明低成本微米粒子浓缩装置浓缩样品时， 用注射器吸入粒子悬浮液，以特定的流速将粒子悬浮液导入螺旋圆管中；粒子悬浮液中的 微米粒子将受到流体拖曳力的作用而沿着流动方向运动；由于流道中伯啸叶流的抛物线形 速度剖面，微米粒子将受到指向壁面的剪切诱导惯性升力；当微米粒子靠近壁面时，由于微 米粒子因为自转而旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生一个指向圆管中心线的壁面诱 导惯性升力；当流体流经弯流道时在垂直主流动方向上产生了两个旋转方向相反的涡，被 称作为Dean流，由于Dean流的引入而产生了Dean拽力；弯流道中粒子不仅受到惯性迀移 效应影响而迀移，还受到由弯曲率诱导产生的截面二次流引起的Dean拽力影响；因此，可 近似认为微米粒子在Dean拽力和惯性升力的共同耦合作用下迀移至靠近螺旋圆管内壁的 一侧；最终绝大部分微米粒子通过Y型转接头的浓缩液出口从浓缩液出口微管流出并被收 集，而剩余悬浮液则为废液，通过Y型转接头的废液出口从废液出口微管流出，最终收集， 从而实现了粒子悬浮液的浓缩。
[0012] 上述Dean拽力为：当流体流经弯流道时在垂直主流动方向上产生了两个旋转方 向相反的祸，被称作为Dean流，由于Dean流的引入而产生了Dean拽力。
[0013] 所述进口端与接合器为密封连接，能防止悬浮液渗漏。
[0014] 所述第一连体接头、第二连体接头和第三连体接头均为密封连接头，能进一步防 止悬浮液渗漏。
[0015] 优选：所述螺旋圆管螺旋节距与橡胶层的宽度和螺旋直径尺寸关系为：
其中，y为螺旋圆管升角，h为丨豕取：;云H、」见，糸肌管节距，d为螺旋直径。
[0016] 优选：所述螺旋圆管内径尺寸和浓缩粒子的尺寸关系为：
其中，flp为浓缩粒子的最大直径，为螺旋圆管内径尺寸。
[0017] 上述低成本微米粒子浓缩装置的制造方法，包括以下几个步骤： 1) 、制作一个狭窄的橡胶层，放置在水平桌面上； 2) 、将螺旋圆管拉直，通过粘合剂使圆管和橡胶层下边缘固联； 3)、将螺旋圆管和橡胶层的结合体紧密地旋绕在圆棒上； 4)、螺旋圆管顶端的进口端通过接合器与注射器连通，出口端通过第一连体接头与Y 型转接头进液口连接； 5)、Y型转接头的浓缩液出口和废液出口分别通过第二连体接头、第三连体接头连接浓 缩液出口微管和废液出口微管实现粒子浓缩。
[0018] 优选：所述步骤3)中螺旋圆管的螺旋节距与橡胶层的宽度和螺旋直径有关，旋绕 总圈数与橡胶层长度关系为：
其中，n为旋绕圈数，L为橡胶层长度，d为螺旋圆管螺旋直径。
[0019]优选：所述步骤4)中接合器与注射器为密封连接。
[0020] 本发明未提及的技术均为现有技术。
[0021] 有益效果：本发明的螺旋圆管结构通过适当调整样品的流速，突破传统微流控中 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 浓缩；本发明结构简单、通量高；仅需控制螺旋圆管流道的内径以及螺旋直径、螺距和总圈 数，无需借助外场；同时，相比较其他制作微通道复杂的工艺方法，本发明直接使用毛细微 管旋绕成螺旋微通道结构，制作成本大大降低，工作效率显著提高。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明的结构示意图； 图2是Y型转接头结构分解示意图； 图3是螺旋圆管与橡胶层连接示意图； 图4是螺旋圆管旋绕方法示意图； 图5是本发明微流道粒子浓缩原理示意图； 图6是螺旋圆管出口端截面粒子分布示意图； 图中，1为注射器、2为粒子悬浮液、3为圆棒、4为橡胶层、5为螺旋圆管、6为Y型转接 头、7为进口端、8为接合器、9为出口端、10为浓缩液出口微管、11为废液出口微管、12为第 二连体接头、13为第三连体接头、14为浓缩液出口、15为废液出口、16为进液口、17为第一 连体接头、19为废液、20为微米粒子、22为伯啸叶流的抛物线形速度、24为Dean流、26为橡 胶层旋转方向。F1为流体拖曳力、F