[發明專利]一種利用振蕩流的高集成度微納顆粒匯聚微流控裝置

有效

• 申請號: 202110620228.0
• 申請日: 2021-06-03
• 公開（公告）號: CN113333040B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 薛春東;趙家銘;覃開蓉;孫仲平;李泳江;陳柯潔;王宇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 隋秀文;溫福雪

本發明屬于微流控芯片技術領域，提供一種利用振蕩流的高集成度微納顆粒匯聚微流控裝置，主要由微流控芯片(包括無閥微泵與匯聚通道)、泵膜控制系統(包括電磁鐵與單片機)，儲液池與導管組成。本發明裝置可實現高效、便捷的微納顆粒匯聚。本發明提供的用于匯聚微納顆粒的微流控裝置，集成度高，設計巧妙，操作簡單。本發明利用振蕩流設計在較短通道中實現“無限長通道”流動，利用無閥微泵驅動流體，實現裝置的集成化與小型化；將彈性升力與慣性升力結合，可成功實現微納顆粒的匯聚與富集，用于生物、化學、環境領域的研究。

技術領域

本發明屬于生物微流控芯片技術領域，涉及一種基于振蕩流，利用彈性升力和慣性升力匯聚微納顆粒的微流控裝置，具體為一種利用振蕩流的高集成度微納顆粒匯聚微流控裝置。

背景技術

微納顆粒(指微米級與納米級顆粒，下述簡稱微粒)的研究是生物、醫學、化學和環境領域的重要內容，微粒的匯聚、富集是其中的關鍵環節。微流控技術的誕生為微粒的操控帶來了新的機遇，近年來，出現了多種基于微流控技術的微粒操控方法，操控方法的進步，推動了相關領域研究的進展。然而，受到操控方法，芯片體積與系統結構的限制，現有的方法大多無法富集亞微米級微粒且難以推廣，這制約了微流控技術及相關領域的發展。因此，亟需建便于集成，便捷高效的微粒富集方法。

目前，基于微流控技術的微粒匯聚方法主要分為兩類，一種稱為主動方法，利用流體的動力學效應實現操控微粒，如慣性匯聚，粘彈性匯聚等，例如以下三個發明：一種雙螺旋形微流控芯片(專利號：2018102363277)、一種基于流體動力學的免標記分離癌細胞的生物芯片(專利號：2019014651131)、一種適用于循環腫瘤細胞捕獲的微流控芯片(專利號：2019106662395)以及基于變截面微通道和粘彈性流體耦合的微納米顆粒富集裝置(專利號：2019112336482)；另一種稱為被動方法，利用外場的作用實現顆粒操控，如電泳，聲泳，光鑷，磁泳等，例如以下發明：一種微流控細胞磁捕獲與檢測系統及其捕獲與檢測方法(專利號：2020106391343)、一種分選血漿中外泌體的微流控器件及其使用方法(專利號：2020106422252)?，F有的方法在一定條件下可以實現微粒的匯聚，也成功應用于一些場合，然而，當用于匯聚亞微米級的顆粒時，就顯得捉襟見肘了。一方面，對于被動方法，匯聚更小的微粒需要更長的作用時間或更大的作用力，這就意味著需要更長的通道和更大的驅動力，造成芯片體積過大，高壓強條件也可能破壞芯片結構。另一方面，對于主動方法，增加作用時間或外場強度是實現更小微粒匯聚的主要策略，同樣會導致芯片體積過大，并且用于生物微粒匯聚時，過大的外場產生的熱效應還可能破壞微粒的活性。

將振蕩流應用于微粒匯聚是近年來提出的新方法，基于“時間換空間”的策略，通過流體帶動微粒在通道內往復運動，實現通道的“無限長”。該方法的出現，為亞微米級顆粒的匯聚提供了新的思路。已有的研究中，振蕩流用于微粒匯聚多基于水基，且振蕩流發生裝置復雜，布朗運動的影響導致這類方法無法匯聚亞微米級微粒，且復雜的系統結構難以推廣。粘彈性流體應用于微粒匯聚具有獨特的優勢，一方面，相比于慣性匯聚，粘彈性匯聚能在相同的流動條件下產生更大的升力，另一方面，流體的彈性能有效降低布朗運動對微粒的影響。

無閥微泵在微流控領域應用廣泛，利用泵腔容積的變化及擴張管與收縮管的壓差實現流體驅動，結構簡單便于集成，且出口流速振蕩變化，在合適的條件下是理想的振蕩流發生器。已有的設計中，微泵泵膜多采用壓電陶瓷或形狀記憶合金，在電流作用下發生形變實現泵腔容積的變化，泵膜的形變量小且難以控制，導致輸出流場的可調范圍小，限制了微泵的發展與應用。磁流變彈性材料是近年來發展出的新型材料，通過將鐵磁性顆粒加入高分子聚合物基體中，使該材料兼具彈性與磁性。優越的磁致形變能力使該材料能夠在交變磁場的作用下振動，且振幅可調范圍廣，是替代傳統泵膜的理想材料。

發明內容

本發明旨在提供一種高集成度，便捷高效匯聚微納顆粒的微流控裝置。通過粘彈性流體產生的振蕩流動帶動微粒往復運動，利用振蕩流實現通道的“無限長”，利用粘彈性流體的彈性升力與慣性升力，實現微粒的高效匯聚。同時，將無閥微泵集成在芯片上，泵膜驅動信號由單片機產生，使系統高度集成化，便于推廣。