用于二维流体动力聚焦的微流道结构和微流体芯片的制作方法_4

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2a的入口进入,而后流入第二样本流流道12,以在横向方向挤压第二样本流流道12中原有的液流,实现对原有液流的横向聚焦,横向聚焦完成后,原有液流左右包裹着横向聚焦鞘液流保持横向聚焦状态,从液流第二样本流流道12后端12b的出口流出,例如可以流入下一微流道结构中。
[0094]图5展现了第二级横向聚焦结构对横向聚焦效果的调控。具体地,通过调节由第二样本流流道12进入的原有液流、以及由左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32进入的两股横向聚焦鞘液流之间的流量比,能够实现对横向聚焦效果的调控、改变聚焦后原有液流的横向尺寸和在流道截面中的横向位置,聚焦效果可以通过观察原有液流和横向聚焦鞘液流在第二样本流流道12后端12b截面上的分布情况来确定。可选地,第二样本流流道12、左侧横向聚焦流流道31、以及右侧横向聚焦流流道32在上下方向上的厚度均为150 μ m,第二样本流流道12在左右方向上的宽度为300 μ m,其他尺寸成比例。
[0095]下面,选取六个流量比例控制条件为例进行说明,但是,不仅限于这六种条件。
[0096]如图5 (a)所示,在控制条件BI下,原有液流B11、右侧鞘液流B12和左侧鞘液流B13的流量比为1:12.6:1.4,原有液流被横向聚焦在靠近第二样本流流道12左侧壁的位置,样本流外形为弧形。
[0097]如图5 (b)所示,在控制条件B2下,原有液流B21、右侧鞘液流B22和左侧鞘液流B23的流量比为1:11.2:2.8,原有液流的横向聚焦位置相比条件BI时向第二样本流流道12截面的横向中心偏移,且外形更加平直。
[0098]如图5 (C)所示,在控制条件B3下,原有液流B31、右侧鞘液流B32和左侧鞘液流B33的流量比为1:9.8:4.2,原有液流的横向聚焦位置相比条件B2时进一步向第二样本流流道12截面的横向中心偏移,且外形更加平直。
[0099]如图5 (d)所示,在控制条件B4下,原有液流B41、右侧鞘液流B42和左侧鞘液流B43的流量比为1:8.4:5.6,原有液流的横向聚焦位置基本位于第二样本流流道12截面的横向中心,外形基本平直。
[0100]如图5 (e)所示,在控制条件B5下,原有液流B51、右侧鞘液流B52和左侧鞘液流B53的流量比为1:7:7,原有液流的横向聚焦位置位于第二样本流流道12截面的横向中心,外形平直。
[0101]如图5 (f)所示,在控制条件B6下,原有液流B61、右侧鞘液流B62和左侧鞘液流B63的流量比为2:7:7,相比控制条件B5,原有液流的横向聚焦位同样置位于第二样本流流道12截面的横向中心、外形平直,但聚焦后的尺寸更大。在平均流速10m/S以内,均能形成稳定的聚焦效果。
[0102]可见,横向聚焦结构能够实现对横向聚焦效果的调控,通过流量调整,能够改变样本流横向聚焦后的位置和尺寸。
[0103]图6展现了微流道结构100对二维聚焦效果的调控。具体地,结合图2,样本流从第一样本流流道11前端Ila的入口进入,纵向聚焦鞘液流分别从上左侧弧线流道部212前端212a的入口、上右侧弧线流道部213前端213a的入口、下左侧弧线流道部222前端222a的入口、下右侧弧线流道部223前端223a的入口进入,左右两股横向聚焦鞘液流分别从左侧横向聚焦流流道31前端31a的入口和右侧横向聚焦流流道32前端32a的入口进入。
[0104]从上左侧弧线流道部212和上右侧弧线流道部213进入的两股纵向聚焦鞘液的流量相同,两股纵向聚焦鞘液流进入后在合并为一股上层鞘液流;从下左侧弧线流道部222和下右侧弧线流道部223进入的两股纵向聚焦鞘液的流量相同,两股纵向聚焦鞘液流进入后在合并为一股下层鞘液流。样本流在第一级纵向聚焦结构中完成纵向聚焦,再在第二级横向聚焦结构中完成横向聚焦。
[0105]通过调整样本流、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比,能够实现对二维聚焦效果的调控,聚焦效果可以通过观察样本流和鞘液流在第二样本流流道12后端12b的出口截面上的分布情况来确定。可选地,每个流道在上下方向上的厚度均为150 μ m,第一样本流流道11和第二样本流流道12在左右方向上的宽度为300 μ m,其他尺寸成比例。
[0106]下面,选取六个流量比例控制条件为例进行说明,但是,不仅限于这六种条件。
[0107]如图6 (a)所示,在控制条件Cl下,样本流Cl 1、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为1: 0.6:5.4:12.6:1.4,样本流Cl I被鞘液流C12包裹、被聚焦在第二样本流流道12截面的右上角处,样本流外形为顺时针偏转的类椭圆形。
[0108]如图6 (b)所示,在控制条件C2下,样本流C21、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为1: 1.5:4.5:10.5:3.5,样本流C21被鞘液流C22包裹,相比控制条件Cl,样本流C21聚焦后的位置更靠近第二样本流流道12截面的中心,外形同样为顺时针偏转的类椭圆形、但更加圆润。
[0109]如图6 (C)所示,在控制条件C3下,样本流C31、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为1:3:3:7: 7,样本流被鞘液流C32包裹,样本流C31聚焦后的位置位于第二样本流流道12截面的中心,外形为更近似于圆的椭圆形。
[0110]如图6 (d)所示,在控制条件C4下,样本流C41、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为1:5.4:0.6:7: 7,样本流被鞘液流C42包裹,样本流C41聚焦后的位置位于第二样本流流道12截面的横向中线上且接近于第二样本流流道12的底面,外形为椭圆形。
[0111]如图6(e)所示,在控制条件C5下,样本流C51、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为13:3:1.4:12.6,样本流C51被鞘液流C52包裹,样本流C51聚焦后的位置位于第二样本流流道12截面的纵向中线上且接近于第二样本流流道12的左侧壁,外形为近似为半个椭圆形。
[0112]如图6 (f)所示,在控制条件C6下,样本流C61、上层鞘液流、下层鞘液流、左侧鞘液流和右侧鞘液流之间的流量比为2:3:3:7: 7,样本流C61被鞘液流C62包裹,相比控制条件C3,样本流C61聚焦后的位置位同样于第二样本流流道12截面的中心、且外形为近似于圆的椭圆形,但尺寸更大。
[0113]试验可得,在平均流速10m/S以内,均能形成稳定的聚焦效果。可见,流体动力聚焦微流道结构100能够调控样本流在横向和纵向两个维度上的聚焦效果,通过流量调整,能够改变样本流二维聚焦后的位置和尺寸。
[0114]综上所述,根据本发明实施例的用于二维流体动力聚焦的微流道结构100,具有二维聚焦功能,对聚焦效果可控,兼具流动阻力低、适用于宽流速范围等优点。
[0115]根据本发明第二方面实施例的微流体芯片1000,包括根据本发明上述第一方面实施例的用于二维流体动力聚焦的微流道结构100。
[0116]具体而言,微流道结构100既可以作为微流体芯片1000中的一个功能模块,也可以配合其他微流道结构以及微执行结构、微光学结构、声学结构、微电极等微结构,共同构建更为复杂的微流体芯片1000系统。而且,微流道结构100中的纵向聚焦结构和横向聚焦结构也可以分别作为独立的功能模块用于微流体芯片1000中。另外,微流道结构100也可被单独设计为微流体芯片1000。同时,基于该微流道结构100的微流体芯片1000作为一种功能器件,既可以配合其他设备组成一套开放的系统平台,也可以基于此开发出便携式的仪器或设备,或替代传统仪器或设备中的流体动力聚焦部件。
[0117]这种微流体芯片1000可用于生物微粒的荧光检测、电阻抗检测、显微成像等领域,例如流式细胞术,将生物微粒聚焦在流道的中心位置,通过荧光和散射光检测生物颗粒,又如生物微粒的电阻抗检测,将生物微粒聚焦在流道的边缘位置,通过电极通电实现阻抗等电信号的检测;生物微粒可以是细胞、胚胎、RNA、DNA、蛋白质颗粒、微生物、病毒等。
[0118]根据本发明实施例的微流体芯片1000,通过设置上述第一方面实施例的用于二维流体动力聚焦的微流道结构100,从而提高了微流体芯片1000的整体性能。
[0119]这本发明的一个具体实施例中,参照图7和图8,微流体芯片1000可以采用五层设计,中间三层为包括微流道结构100的片体,上下两层为盖板,可以在盖板或者片体的侧壁上添加液流的出入接口。可选地,微流体芯片1000可采用玻璃、石英、高分子聚合物(PMMA、PDMS、PC等)、陶瓷等不同材质加工而成,且可以通过热压键合、胶合、螺栓紧固、激光键合、原子键合等不同工艺实现组装。
[0120]具体而言,参照图7,微流体芯片1000可以包括:上盖1001,下盖1005,上层片体1002,中层片体1003以及下层片体1004,上层片体1002叠设在中层片体1003的顶部,下层片体1004叠设在中层片体1003的底部,上盖1001叠设在上层片体1002的顶部,下盖1005叠设在下层片体1004的底部。
[0121]其中,中层片体1003上可以形成有样本流流道、左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32,样本流流
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