一种基于介电泳阻塞现象的不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置的制作方法

本发明涉及一种不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置，其分选方法基于收缩扩张结构中介电泳阻塞现象。

背景技术：

微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被成为芯片实验室。微流控芯片为人类提供一种微小但又能操控全局的工具，微流控芯片能承载多种单元技术，并使之灵活组合和规模集成，在诸多领域已经成为系统研究的重要平台。

对微颗粒运动的精确控制是微流控芯片的研究热点之一，已经在基础原理研究方面取得诸多成果，并且在化学和生物研究领域得到了广泛应用。目前对微颗粒操控的主要方法包括介电泳，流体动力分选富集，磁泳以及惯性方法等。

介电泳颗粒操控方法由于其精确性和对生物颗粒的适应性受到广泛关注。微流体在流经收缩扩张微通道时其中颗粒产生介电泳阻塞现象，弹性模量较小的颗粒变形成近椭圆形，以此克服介电泳力，顺利通过收缩扩张结构的喉部位置；反之，弹性模量较大的颗粒不会产生变形，因此在喉部产生阻塞现象，基于此，不同弹性模量的颗粒被分选出来。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于介电泳阻塞现象的不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置，用于分选不同弹性模量的颗粒，进一步简化装置结构，降低成本，提高颗粒分选精度与效率。

本发明的技术方案是：一种基于介电泳阻塞现象的不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置，包括入口结构，收缩扩张结构以及出口结构；两个电极布置在分离装置两端；收缩扩张结构由两个相同三角形对接而成，最窄处形成喉部结构，收缩扩张结构与入口结构和出口结构无缝对接；整个颗粒分离装置为中心对称结构，其总长为1650μm；所述收缩扩张结构长度lb与lc长度为固定值400μm，最窄处喉部宽度2b为固定值55μm。分离装置中微流体为牛顿流体，其密度为1000kg/m³，动力粘度为0.001pa·s；颗粒密度与流体密度相同；相对介电常数为7.08×10^-10f/m；通道壁的zeta电势为固定值-80mv,通道壁的zeta电势与颗粒zeta电势之比定义为zeta电势比γ，其数值根据所分选颗粒弹性模量不同具体设定；所有颗粒初始位置随机分布于入口结构内部空间，所分选出的弹性模量较小颗粒通过收缩扩张结构喉部进入出口结构内部空间，弹性模量较大颗粒不能通过喉部，汇集在入口结构空间内。

本发明的收益在于：相对于其他微颗粒分选装置，本发明实现颗粒分选的方法为介电泳颗粒操纵技术，能够实现对微颗粒运动的精确控制，且与生物细胞有很好的适应性，对颗粒损伤较小。本发明工作全过程仅通过施加电场实现，除此外不需要其他形式能量输入。此外，本发明整体几何结构简单且为单层结构，通过一次光刻就可以制造模具，加工工艺性好，成本低，便于大规模集成制造。

附图说明

图1是所述颗粒分选装置整体结构二维图。

图2是不同弹性模量颗粒顺流位置仿真图；其中a图颗粒弹性模量为200pa，b图颗粒弹性模量为10pa。

图3是不同弹性模量颗粒运动过程长轴与短轴之比变化图；图中方块线代表颗粒弹性模量为200pa，圆圈线代表颗粒弹性模量为10pa。

图4是不同弹性模量颗粒无量纲速度图；图中方块线代表颗粒弹性模量为200pa，三角形线代表颗粒弹性模量为20pa，圆圈线代表颗粒弹性模量为10pa。

图5是入口结构半宽无量纲值w*与颗粒弹性模量关系图。

图6是电场强度无量纲值e*与颗粒弹性模量关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明，但本发明的具体实施方式不限于此。

一种基于介电泳阻塞现象的不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置，采用pdms为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得su8模具，然后将与固化剂混合过的pdms材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得pdms阴模，再将与固化剂混合过的pdms材料涂于pc片上，再加热固化后脱模制得pdms平板，pdms阴模与平板配合所得的微结构即为所述颗粒分选装置结构。

具体的，如图1所示，一种基于介电泳阻塞现象的不同弹性模量颗粒分选收缩-扩张微结构装置，包括入口结构，收缩扩张结构和出口结构。收缩扩张结构由两个相同三角形对接而成，最窄处形成喉部结构，收缩扩张结构左右两端分别与入口结构和出口结构无缝对接。两个电极分别位于分选装置两端，其中第一电极为线段aj全段，第二电极为线段ef全段，两个电极施加不同电势在分选装置内部空间产生电场。

具体的，如图2所示，颗粒弹性模量决定了其是否能通过分选装置喉部，其中a图颗粒弹性模量为200pa，b图颗粒弹性模量为10pa。颗粒在初始位置为圆球形，在逐渐靠近喉部位置时受到介电泳力的作用，弹性模量较小的颗粒为克服介电泳力的作用变为椭圆球形且能够通过喉部；弹性模量较大的颗粒，无论其半径是否小于喉部宽度，几乎不发生变形且最终汇集在入口结构内部空间。

具体的，如图3所示，表示不同弹性模量颗粒在运动过程中长轴与短轴之比变化图。图中方块线代表颗粒弹性模量为200pa，圆圈线代表颗粒弹性模量为10pa。分选装置喉部位于图中横轴为零处，从图中可以看出，弹性模量较小的颗粒在靠近喉部位置时发生明显的变形，在通过喉部位置之后又逐渐恢复原来形状；而弹性模量较大颗粒在靠近喉部位置时变形较小且不能通过喉部。

具体的，如图4所示，表示不同弹性模量颗粒在运动过程中速度无量纲图。为实现上述运动情况，选取无量纲参数如下，长度无量纲参数为半喉宽b，电势无量纲参数为通道壁zeta电势值，速度无量纲参数为(εf·ξw/μ)/(ξw/b)，其中εf为流体相对介电常数，ξw为通道壁zeta电势，μ为流体动力粘度，b为半喉宽，以下图例采用相同的无量纲参数；其他参数无量纲值定义为，电场强度e*=17.19，zeta电势比γ=0.4，入口半宽w*=3.38，颗粒半径a*=0.5。喉部位于图中横轴为零处，从图中可以看出，弹性模量较大的颗粒在靠近喉部位置时速度逐渐减小为零；弹性模量较小颗粒顺利通过喉部位置且过喉之后有一段明显加速运动过程，证明所述颗粒分选装置能够实现不同弹性模量颗粒的分选。

具体的，如图5所示，表示入口结构半宽无量纲值w*与颗粒弹性模量关系图。从图中可以看出，不同弹性模量的颗粒是否能通过喉部位置与分选装置入口结构宽度相关，因喉部宽度为定值，进而得出颗粒是否能通过喉部位置与喉部收缩率（入口结构宽度2w与喉部宽度2b数值比）有关。因此可以设计不同喉部收缩率的分选装置用于分选不同弹性模量的颗粒。

具体的，如图6所示，表示电场强度无量纲值e*与颗粒弹性模量关系图。从图中可以看出，弹性模量较小的颗粒需要较大的电场强度实现介电泳阻塞现象，因此可以通过调节两个电极所施加的电势用于分选不同弹性模量的颗粒。

上述并不能对本发明进行全面限定，其他任何未背离本发明技术方案做的改变或等效置换方式，都在本发明的保护范围之内。