CN104971788B - 一种利用撞击流和光学散射力的光流控芯片及用于分拣微纳颗粒的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用撞击流和光学散射力的光流控芯片及用于分拣微纳颗粒的用途，属于光流控芯片领域。包括圆柱形光学分离腔，在光学分离腔一侧通过撞击流沟道与撞击流入口连接，另一侧有辅助流入口与样品流入口，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道的中心线与撞击流沟道的中心线在同一直线上，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道两侧分别通过鞘层流沟道与鞘层流入口连接，然后与光学分离腔连接；在光学分离腔上还有带准直透镜的光纤槽，和大粒子出口、小粒子出口。本发明装置光学分拣腔的中心形成一个速度极小值点，以供光学散射力在此对粒子进行分拣。大大提高了光力分拣操作的平均速度，提高了分拣的精度和效率。

Description

一种利用撞击流和光学散射力的光流控芯片及用于分拣微纳颗粒的用途

技术领域

本发明涉及一种利用撞击流和光学散射力的光流控芯片及用于分拣微纳米颗粒的用途，属于光流控芯片领域。

背景技术

光学分离方法相比于其他纯被动的流体力学分离，主动的电泳、声泳方法等有极高的优越性。被动方法主要基于水力聚焦方法但是受困于结构的复杂性。电泳方法利用了分子（例如：蛋白质、多肽、核酸等）带电荷不同，在外电场下位移不同的原理。但是电泳为了达到高速化验受制于环境的pH值和高电压（例如53kV/cm），这些环境参数会破坏活性生物大分子。声泳和电泳类似，基于粒子大小和声学密度使用声波分离不同的粒子。但是声力却不能分离纳米大小的粒子。目前为止基于光力的方法，研究人员已经使用过：基于激光的垂直分离方法，光学层析法，光子晶体分离法，和贝塞尔光法。绝大多数方法都是对激光的进行操作与创新，而光力分拣速度无法提高的核心障碍是无论哪种光力操纵，都需要足够长的作用时间，所以传统方法用了静水（作用时间无限长）和低速流动水系统（速度均匀且很慢）。这些都不能本质上解决高速分拣的问题。无论哪种方法都很少有对流体场进行操纵的。以上方法都没有能达到简洁、无伤、高速、高效率的分拣的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够高速高效对微纳颗粒进行分拣的光流控芯片。

本发明提供的光流控芯片，包括圆柱形光学分离腔，在光学分离腔一侧通过撞击流沟道与撞击流入口连接，另一侧有辅助流入口与样品流入口，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道的中心线与撞击流沟道的中心线在同一直线上，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道两侧分别通过鞘层流沟道与鞘层流入口连接，然后与光学分离腔连接；在光学分离腔上还有带准直透镜的光纤槽，和大粒子出口、小粒子出口。

所述的带准直透镜的光纤槽与撞击流沟道垂直，且离光学分离腔中心有30-50μm的横向偏移，横向偏移多少可以针对具体问题进行最优化调整。

所述带准直透镜的光纤槽包括一个本体折射率为1.0且环境折射率为1.41的准直凹透镜和宽为125微米的光纤凹槽。

所述光流控芯片的模板由光刻技术制成，芯片由PDMS材料制成。

本发明光流控芯片包含5个入口。使用时，所有入口均通入去离子水，其中样品流入口的去离子水中加入待分拣样品。

鞘层入口通入的流体由于速度极高，对样品流入口和辅助流入口的流体进行水力聚焦，进行挤压操作，使粒子速度迅速提高（实施例中1670μm/s），并在靠近中线偏下有序排列。

光学分拣腔提供了分拣场所，撞击流入口与其他入口的流体在此处进行撞击，形成一个非均匀的流速场。非均匀流速场的中间速度极低，而周围速度很高。在没有光学散射力（无激光）时，粒子均会流入小粒子出口。而在这个上述极值点处引入光学散射力，会在保证高平均速度的前提下大大提升光学散射力的作用时间，提升其作用效果，大大提高了体系的分离速度。

本发明实施例中，样品流沟道与辅助流沟道的宽度均为30μm，鞘层流沟道的宽度为120μm，撞击流沟道的宽度为300μm，光学分拣腔的半径为500μm。

本发明的光流控芯片工作时，通过显微镜，可以观察到一连串的样品粒子流过光学分拣腔，当样品中的大粒子流过来时，在激光散射力的作用下，大粒子会偏转从而进入设定的大粒子出口，小粒子受力不足使之进入小粒子出口，达到对特定的细胞进行分选的目的。

本发明提出了引入对称斯托克斯流的超高速光流控微纳粒子分拣芯片的设计。利用单相撞击流的超高速微纳粒子分拣系统在微流沟道中构建了一个非均匀的流速场，在保证平均流速相对高速度的情况下，构建了一个中心速度极小点。在这一点，利用光学散射力实现了高效有序的粒子分离。单相高速撞击流在撞击区实现了42.8倍的减速，而超高速分拣系统实现了1.13mm/s的速度下95.6%的分拣效率，分拣速度是均匀流速场的传统光学方法的10倍。

相比于现有的粒子分拣技术，它们大多在光学上进行改变，收效甚微，本发明通过光流控芯片将光力与微流控技术结合起来，通过对流体进行操控，提高分离速度与效率。设备简单，过程简易，且大大提高了分离速度与效率。

本发明通过撞击流减速进行分离，其速度极小值点理论上可以无限趋近于0速度，而极低的速度与稳定态是研究纳米颗粒所必要的条件，本发现在未来可以应用到100nm以下粒子的光学分拣技术中。

附图说明

图1分选细胞的光流控芯片的结构组成。1-样品流入口，2-样品沟道，3-辅助流入口，4-辅助流沟道，5-鞘层流入口，6-鞘层沟道，7-光学分拣腔，8-小粒子出口，9-大粒子出口，10-撞击流入口，11-撞击流沟道，12-准直透镜，13-光纤槽，14-激光光路。

图2光流控芯片分拣状态图，其中(a)-无激光时，粒子轨迹图；(b)-激光功率为分离最优功率时，粒子轨迹图；(c)-激光功率过剩时，粒子轨迹图。

具体实施方式

本发明的光流控芯片，是通过标准的光刻方法制作的。首先，按照之前设计的芯片结构用L-Edit把模板图画出来。然后在硅片上镀一层SU-8光刻胶获得PDMS模具。在获得了PDMS层并且不可逆地把它用氧等离子体绑定到附有PDMS的载玻片后，把光流控芯片放在75℃下烤1小时来增强疏水性和消除残余水。

本发明的光流控芯片的一个应用实例，其中辅助流入口和样品流入口的流速为0.06μL/min，鞘层入口流速为0.96μL/min，撞击流入口流速为2.04μL/min。激光最优化分离功率为560mW(考虑约40%的耗散，即实际功率为约340mW)。

本发明的光流控芯片，总体上是利用撞击流与样品流和辅助流形成的合并流体相撞减速，形成速度极小值点，为光学散射力提供足够长的作用时间。由于整个系统中，其他部分流速很高，仅仅中间点流速极低，所以在保证足够长的作用时间的同时，大大提高了系统的分拣速度。传统的均一流速场的分拣系统，为了保证中间分离点所需的足够长的分离时间（作为样品载体的流体的低流速），而牺牲了整个系统的分拣速度。我们分拣速度可以达到他们的十倍以上。

本发明的光流控芯片，在入口处利用了两股鞘层流体的挤压，形成水力聚焦，将所有样品粒子挤压在中线偏下处，使其有序地排列成一条线，以供在光学分离腔中的有序分离。

本发明的光流控芯片，在入口处利用了两股鞘层流体的挤压，形成水力聚焦，在挤压的同时会极大的对粒子进行加速，本例中速度达到1670μm/s为初速度333.3μm/s的5倍，比起传统的均一流速分离系统（系统流速基本一致）相比，实现了高速分离。

本发明的光流控芯片，是一个对称系统。样品流和辅助流分别在中线（图中虚线）的两侧，所以在没有任何人为扰动的情况下，在关闭激光时，样品全部流入小粒子出口。

本发明的光流控芯片，可以分拣的样品可以是胶体颗粒，也可以是各种生物样品。

本发明的光流控芯片，可以分拣的样品尺寸与光力分拣极限一致，可以从几十个纳米到几十个微米不等。本发明的光流控芯片的一个应用实例，是分拣了5μm和2μm的PS球。在具体情况中，可以对芯片尺寸进行调整，而总体上只要保证有撞击流和水力聚焦的存在，进行最优化设计即可。

本发明的光流控芯片，光纤槽为固定光纤所用，宽为125μm（标准光纤尺寸），而光纤作用范围就是平行于光纤槽延伸的部分，即为图中光学分拣腔中标注“14”的黑色矩形部分。而光纤槽的位置是由粒子速度最低点确定的，一般会偏离中心点数微米，可以进行最优化设计最终确定。

如图2(a)所述，本发明的光流控芯片的一个应用实例，当激光关闭时，粒子均有序的随轨迹向下流如小粒子出口8。

如图2(b)所述，本发明的光流控芯片的一个应用实例，当激光为560mW时，大小粒子成功分离，大粒子流入大粒子出口9，小粒子流入小粒子出口8。

如图2(c)所述，本发明的光流控芯片的一个应用实例，当激光功率过剩时，大小粒子均被推入大粒子出口9中。

Claims (10)

1.一种光流控芯片，其特征在于，包括圆柱形光学分离腔，在光学分离腔一侧通过撞击流沟道与撞击流入口连接，另一侧有辅助流入口与样品流入口，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道的中心线与撞击流沟道的中心线在同一直线上，辅助流沟道与样品流沟道合并后的沟道两侧分别通过鞘层流沟道与鞘层流入口连接，然后与光学分离腔连接；在光学分离腔上还有带准直透镜的光纤槽，和大粒子出口、小粒子出口。

2.根据权利要求1所述的光流控芯片，其特征在于，所述的带准直透镜的光纤槽与撞击流沟道垂直，且离光学分离腔中心有30-50μm的横向偏移。

3.根据权利要求1所述的光流控芯片，其特征在于，所述带准直透镜的光纤槽包括一个本体折射率为1.0且环境折射率为1.41的准直凹透镜和宽为125微米的光纤凹槽。

4.根据权利要求1所述的光流控芯片，其特征在于，所述光流控芯片的模板由光刻技术制成，芯片由PDMS材料制成。

5.根据权利要求1所述的光流控芯片，其特征在于，所有入口均通入去离子水，其中样品流入口的去离子水中加入待分拣样品。

6.根据权利要求5所述的光流控芯片，其特征在于，所述待分拣样品为胶体颗粒或生物样品。

7.根据权利要求1所述的光流控芯片，其特征在于，样品流沟道与辅助流沟道的宽度均为30μm，鞘层流沟道的宽度为120μm，撞击流沟道的宽度为300μm，光学分拣腔的半径为500μm。

8.权利要求1~7任一项所述的光流控芯片在分拣微纳颗粒上的用途。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，辅助流入口和样品流入口的流速为0.06μL/min，鞘层入口流速为0.96μL/min，撞击流入口流速为2.04μL/min。

10.根据权利要求8或9所述的用途，其特征在于，激光为560mW。