[發(fā)明專利]一種無鞘液式粒子三維聚焦微流體芯片及其聚焦的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710293445.7
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN106902906B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐飛;張巖;王曉浩
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種無鞘液式粒子三維聚焦微流體芯片及其聚焦的方法，屬于慣性微流控芯片領(lǐng)域。該微流控芯片由流道層、基底層鍵合封裝而成，流道層中包含由高深寬比矩形截面直流道和彎流道的周期性交替串聯(lián)而成的流道結(jié)構(gòu)。每一個(gè)聚焦周期中的彎道內(nèi)，慣性升力和迪恩曳力共同把粒子向流道截面中央推擠，并同時(shí)把粒子向流道外側(cè)聚集；再利用相鄰的下一聚焦周期中的直流道中的慣性升力將粒子在上一周期獲得的截面分布差異進(jìn)行歸納整理，使得直流道兩側(cè)的分布密度差異進(jìn)一步增大，從而經(jīng)過多周期聚焦累積效應(yīng)后逐漸實(shí)現(xiàn)無鞘液式粒子單束三維聚焦排列。該流道結(jié)構(gòu)可以對流速范圍50μl/min?2000μl/min、粒徑范圍1μm?30μm的粒子群實(shí)現(xiàn)三維單束聚焦排列。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于無鞘液式粒子三維聚焦排列的微流控芯片設(shè)計(jì)及其制作方法,屬于慣性微流控芯片領(lǐng)域。

背景技術(shù)

粒子樣品的高通量排序和聚焦是許多生物樣品臨床處理中的必備步驟。微流控技術(shù)由于具有體積輕巧、使用樣品/試劑量少、速度快、大量平行處理及強(qiáng)大的流場控制能力等優(yōu)點(diǎn)，為粒子位置的精確控制提供了極佳的技術(shù)平臺。目前，微流體粒子聚焦技術(shù)可以分為兩大類：鞘液式聚焦和無鞘液聚焦。鞘液式聚焦采用一股或多股鞘液流來把粒子樣品夾擠為二維或三維流體束中。盡管這一機(jī)制被廣泛應(yīng)用，但是由于需要額外引入鞘液并控制其流速，不可避免的增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度與成本，同時(shí)也大大稀釋了生物樣品。無鞘液式聚焦相對于鞘液式更具優(yōu)勢，通過對粒子直接施加側(cè)向作用力而使粒子進(jìn)行排列。根據(jù)力源的不同，無鞘液式聚焦又可分為主動式聚焦和被動式聚焦。主動式聚焦借助流場之外的輔助物理場來對粒子施加作用力，其操控精度高，但是外圍控制裝置復(fù)雜且通量受限，這對于稀少靶粒子的快速便捷富集不利；被動式聚焦則是基于流場自身的流體動力來產(chǎn)生力場，進(jìn)而操控粒子的運(yùn)動，從而大大簡化了裝置的復(fù)雜度。前人提出了很多基于低雷諾數(shù)下流場自身的非慣性動力的方案，比如確定性側(cè)向位移技術(shù)(McGrath,Jimenez et al.(2014).Deterministic lateral displacement for particle separation:areview.Lab on a Chip,The Royal Society of Chemistry.14:4139-4158.)。這些方法盡管可以實(shí)現(xiàn)粒子聚焦，但是其通量低、流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大限制了其應(yīng)用前景。

近年來，慣性微流控技術(shù)的誕生為粒子高通量操控提供了新的平臺。這項(xiàng)技術(shù)利用高雷諾數(shù)下流體和粒子自身的慣性效應(yīng)以及特定的流道結(jié)構(gòu)，對粒子施加慣性力，從而控制流場中粒子的側(cè)向遷移。慣性微流體技術(shù)集成了被動式聚焦的無需引入輔助鞘液或物理場的優(yōu)勢，并且大大提高了樣品的處理通量以及粒子位置操控的精確性，因此吸引了大量的研究。在慣性微流體中，粒子的側(cè)向遷移運(yùn)動主要受到兩種力的影響：慣性升力以及二次流施加的曳力。這兩項(xiàng)力的結(jié)合衍生出了很多聚焦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：Dino等人設(shè)計(jì)了直線型流道模型(Zhou,Giridhar et al.(2013).Modulation of aspect ratio for completeseparation in an inertial microfluidic channel.Lab on a Chip.13:1919-1929.)，單純利用慣性升力的平衡來實(shí)現(xiàn)粒子流聚焦，雖然結(jié)構(gòu)簡單，然而其對應(yīng)的粒子平衡位置多于一個(gè)，因此不能實(shí)現(xiàn)粒子的單束排列。Ian Papautsky等人進(jìn)一步提出了two stagefocusing模型(Wang,Zandi et al.(2015).Single stream inertial focusing in astraight microchannel.Lab on a Chip.15:1812-1821.)，可以實(shí)現(xiàn)單束聚焦，然而中間涉及到了流場的非對稱分割，這對分叉口的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，需要對下游的兩路分支流道的流阻進(jìn)行匹配，另外，由于下游流道中粒子基于自旋效應(yīng)的慣性遷移速度很小，因此該方案對小粒子聚焦時(shí)，流道要設(shè)計(jì)的很長，這將增大流阻和液壓，增大了微流控芯片崩裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。