CN105149019B - 用于二维流体动力聚焦的微流道结构和微流体芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于二维流体动力聚焦的微流道结构和微流体芯片，微流道结构包括：前后连通的第一样本流流道和第二样本流流道、叠设在第一样本流流道顶部和底部的上层纵向聚焦流流道和下层纵向聚焦流流道、设在第二样本流流道左侧和右侧的左侧横向聚焦流道和右侧横向聚焦流道，上层纵向聚焦流流道的后端和下层纵向聚焦流流道的后端均与第一样本流流道连通，左侧横向聚焦流道的后端和右侧横向聚焦流道的后端均与第二样本流流道连通。根据本发明的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，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。

Description

用于二维流体动力聚焦的微流道结构和微流体芯片

技术领域

本发明涉及微流体通道技术领域，尤其是涉及一种用于二维流体动力聚焦的微流道结构和微流体芯片。

背景技术

相关技术中指出，微流道结构是微流体芯片的主体，微流体芯片根据功能需求，还可选择性地包括微执行结构、微光学结构、声学结构、微电极等微结构，相比传统宏观流路系统，微流体芯片可以对流体进行精确控制，这其中就包括了流体动力聚焦。

具体地，流体动力聚焦的研究对象主要包括微流道结构和沿流道流动的液流，液流包括待聚焦的样本流和实现聚焦功能的鞘液流，在流道的约束作用下和鞘液流的挤压作用下，样本流被聚焦在流道截面的特定位置以便检测。例如，当样本流被聚焦在流道截面的中心位置，可用于荧光检测，比如流式细胞术；当样本流被聚焦在流道截面的上边缘或下边缘位置(既靠近流道上管壁或下管壁的位置)，可用于电阻抗检测、显微成像等。

然而，受加工工艺的限制，微流体芯片的微流道在水平面内可以实现复杂的结构，但在纵向多为垂直管壁，这极大地限制了流体动力聚焦的性能。现有的微流道结构能够轻松地实现横向聚焦，并调节样本流的聚焦位置，但一般难以实现纵向聚焦，更加难以实现纵向和横向的二维聚焦。虽然有些微流道结构具备了纵向聚集或二维聚焦的能力，但是液流流速普遍较低，而且对液流流速的范围有明确的限制，且这些微流道结构的聚焦效果单一、无法实现可调控的聚焦效果。

进一步地，相关技术中的用于流体动力聚焦的微流道结构不仅无法实现二维聚焦，而且还缺乏对聚焦位置以及聚焦后尺寸的调节和控制，而且较高的流速范围内无法实现有效地聚焦，由此，降低了这些微流道结构的适应性，使得这些微流道被限定在某一具体用途，在其他用途方面只能对微流道的结构进行重新设计。

此外，相关技术中的微流道结构在设计上常缺乏对液流稳定性的保护，普遍具有流动阻力大、高速时扰动大且难以保持层流等缺点，因而，不但制约了流体动力聚焦的效果，而且限制了使用范围。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于二维流体动力聚焦的微流道结构，所述微流道结构具有二维聚焦功能。

本发明的另一个目的在于提出一种具有上述微流道结构的微流体芯片。

根据本发明第一方面的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，包括：样本流流道，所述样本流流道包括在前后方向上连通的第一样本流流道和第二样本流流道；上层纵向聚焦流流道，所述上层纵向聚焦流流道叠设在所述第一样本流流道的顶部，且所述上层纵向聚焦流流道的后端与所述第一样本流流道连通；下层纵向聚焦流流道，所述下层纵向聚焦流流道叠设在所述第一样本流流道的底部，且所述下层纵向聚焦流流道的后端与所述第一样本流流道连通；左侧横向聚焦流流道，所述左侧横向聚焦流流道设在所述第二样本流流道的左侧，且所述左侧横向聚焦流流道的后端与所述第二样本流流道连通；以及右侧横向聚焦流流道，所述右侧横向聚焦流流道设在所述第二样本流流道的右侧，且所述右侧横向聚焦流流道的后端与所述第二样本流流道连通。

根据本发明的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，具有二维聚焦功能。

具体地，所述第一样本流流道和所述第二样本流流道在前后方向上顺次连通。

具体地，所述样本流流道在前后方向上沿直线延伸，且沿前后方向所述样本流流道在左右方向上的宽度不变。

具体地，所述上层纵向聚焦流流道和所述下层纵向聚焦流流道关于所述第一样本流流道上下对称布置。

具体地，所述第一样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述上层纵向聚焦流流道和/或所述下层纵向聚焦流流道关于所述第一样本流流道的纵向中心线左右对称。

具体地，所述第一样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述上层纵向聚焦流流道和/或所述下层纵向聚焦流流道包括：直线流道部，所述直线流道部与所述第一样本流流道在上下方向上对齐布置；左侧弧线流道部，所述左侧弧线流道部设在所述直线流道部的左前侧，且所述左侧弧线流道部的后端与所述直线流道部相切且连通；右侧弧线流道部，所述右侧弧线流道部设在所述直线流道部的右前侧，且所述右侧弧线流道部的后端与所述直线流道部相切且连通。

具体地，所述第二样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述左侧横向聚焦流流道和所述右侧横向聚焦流流道关于所述第二样本流流道的纵向中心线左右对称。

具体地，所述第二样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述左侧横向聚焦流流道沿弧线延伸且后端与所述第二样本流流道相切且连通，所述右侧横向聚焦流流道沿弧线延伸且后端与所述第二样本流流道相切且连通。

根据本发明第二方面的微流体芯片，包括根据本发明第一方面的用于二维流体动力聚焦的微流道结构。

根据本发明的微流体芯片，通过设置上述第一方面的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，从而提高了微流体芯片的整体性能。

具体地，所述微流体芯片包括：中层片体，所述中层片体上形成有所述样本流流道、所述左侧横向聚焦流流道和所述右侧横向聚焦流流道，上层片体，所述上层片体叠设在所述中层片体的顶部，且所述上层片体上形成有所述上层纵向聚焦流流道；下层片体，所述下层片体叠设在所述中层片体的底部，且所述下层片体上形成有所述下层纵向聚焦流流道；上盖，所述上盖叠设在所述上层片体的顶部；下盖，所述下盖叠设在所述下层片体的底部，其中，所述上盖和所述下盖中的至少一个上形成有与所述样本流流道连通的样本流注入口和输出口、以及与所述上层纵向聚焦流流道、所述下层纵向聚焦流流道、所述左侧横向聚焦流流道、所述右侧横向聚焦流流道分别连通的聚焦流注入口。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是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的结构示意图；

图2A是图1中所示的第一级纵向聚焦结构的结构示意图；

图2B是图2A中所示的第一级纵向聚焦结构的平面示意图；

图3是图2A中所示的第一级纵向聚焦结构的纵向聚焦效果图；

图4A是图1中所示的第二级横向聚焦结构的结构示意图；

图4B是图4A中所示的第二级横向聚焦结构的平面示意图；

图5是图4A中所示的第二级横向聚焦结构的横向聚焦效果图；

图6是图1中所示的微流道结构的横纵二维聚焦效果图；

图7是根据本发明实施例的微流体芯片的爆炸图；

图8是图7中所示的微流体芯片的装配图。

附图标记：

100：微流道结构；

11：第一样本流流道；12：第二样本流流道；

21：上层纵向聚焦流流道；

211：上直线流道部；212：上左侧弧线流道部；213：上右侧弧线流道部；

22：下层纵向聚焦流流道；

221：下直线流道部；222：下左侧弧线流道部；223：下右侧弧线流道部；

31：左侧横向聚焦流流道；

32：右侧横向聚焦流流道；

1000：微流体芯片；

1001：上盖；1002：上层片体；1003：中层片体；1004：下层片体；1005：下盖；

1006：上观察窗口；1007：下观察窗口；

10011：样本流注入口；10016：样本流输出口；

10012：第一聚焦流注入口；10013：第二聚焦流注入口；

10014：第三聚焦流注入口；10015：第四聚焦流注入口；

10021：样本流流道接道；

10022：上层左侧纵向接道；10023：上层右侧纵向接道；

10024：下层左侧纵向接道；10025：下层右侧纵向接道；

10026：左侧横向接道；10027：右侧横向接道。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图6描述根据本发明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。如下文所述，该微流道结构100既可以作为微流体芯片1000中的一个功能模块，也可单独设计为一个微流体芯片1000。下面首先简要介绍该微流道结构100。

如图1所示，根据本发明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，采用两级分离聚焦的结构，其中，第一级可以为纵向聚焦结构，纵向聚焦结构可以由三层微流道组成，主要包括第一样本流流道11、上层纵向聚焦流流道21、下层纵向聚焦流流道22。第二级可以为横向聚焦结构，横向聚焦结构可以由一层微流道组成，主要包括第二样本流流道12、左侧横向聚焦流流道31以及右侧横向聚焦流流道32。

具体地，第一样本流流道11和第二样本流流道12前后连通以构成样本流流道，也就是说，第一样本流流道11和第二样本流流道12可以前后顺次连通，即第一样本流流道11可以连通在第二样本流流道12的前侧，此时第一样本流流道11的后端与第二样本流流道12的前端连通；第二样本流流道12和第一样本流流道11也可以前后顺次连通，即第一样本流流道11还可以连通在第二样本流流道12的后侧，此时第一样本流流道11的前端与第二样本流流道12的后端连通。

其中，第一样本流流道11和第二样本流流道12均用于流通样本流和聚焦液，上层纵向聚焦流流道21、下层纵向聚焦流流道22、左侧横向聚焦流流道31以及右侧横向聚焦流流道32均用于流通聚焦液如鞘液流。

如图1所示，上层纵向聚焦流流道21叠设在第一样本流流道11的顶部，且上层纵向聚焦流流道21的后端与第一样本流流道11连通，下层纵向聚焦流流道22叠设在第一样本流流道11的底部，且下层纵向聚焦流流道22的后端与第一样本流流道11连通。这样，可以从上层纵向聚焦流流道21的前端注入鞘液，鞘液向后流动并从上层纵向聚焦流流道21的后端与第一样本流流道11内的样本流汇合，同时从下层纵向聚焦流流道22的前端注入鞘液，鞘液向后流动并从下层纵向聚焦流流道22的后端与第一样本流流道11内的样本流汇合，以使第一样本流流道11内的样本流可以实现纵向聚焦。

参照图1，左侧横向聚焦流流道31设在第二样本流流道12的左侧，且左侧横向聚焦流流道31的后端与第二样本流流道12连通，右侧横向聚焦流流道32设在第二样本流流道12的右侧，且右侧横向聚焦流流道32的后端与第二样本流流道12连通。这样，可以从左侧横向聚焦流流道31的前端注入鞘液，鞘液向后流动并从左侧横向聚焦流流道31的后端与第二样本流流道12内的样本流汇合，同时从右侧横向聚焦流流道32的前端注入鞘液，鞘液向后流动并从右侧横向聚焦流流道32的后端与第二样本流流道12内的样本流汇合，以使第二样本流流道12内的样本流可以实现横向聚焦。

这样，当第一样本流流道11和第二样本流流道12前后顺次连通时，从第一样本流流道11前端进入的样本流，可以先通过上层纵向聚焦流流道21、下层纵向聚焦流流道22进行纵向聚焦，接着流入第二样本流流道12，再通过左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32进行横向聚焦，从而实现样本流在纵横两个方向上的二维聚焦。

相类似地，当第二样本流流道12和第一样本流流道11也前后顺次连通时，从第二样本流流道12前端进入的样本流，可以先通过左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32进行横向聚焦，接着流入第一样本流流道11，再通过上层纵向聚焦流流道21、下层纵向聚焦流流道22进行纵向聚焦，从而实现样本流在横纵两个方向上的二维聚焦。

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。

在本发明的一个具体实施例中，第一样本流流道11在前后方向上沿直线延伸，上层纵向聚焦流流道21和/或下层纵向聚焦流流道22包括：直线流道部、左侧弧线流道部、右侧弧线流道部。也就是说，上层纵向聚焦流流道21可以包括直线流道部、左侧弧线流道部、右侧弧线流道部，下层纵向聚焦流流道22也可以包括直线流道部、左侧弧线流道部、右侧弧线流道部，下面仅以上层纵向聚焦流流道21和下层纵向聚焦流流道22均包括：直线流道部、左侧弧线流道部、右侧弧线流道部为例进行说明。

如图2和图3所示，上层纵向聚焦流流道21包括：上直线流道部211、上左侧弧线流道部212、上右侧弧线流道部213，上直线流道部211与第一样本流流道11在上下方向上对齐布置，也就是说，上直线流道部211设在第一样本流流道11的正上方，上左侧弧线流道部212设在上直线流道部211的左前侧，且上左侧弧线流道部212的后端与上直线流道部211相切且连通，上右侧弧线流道部213设在上直线流道部211的右前侧，且上右侧弧线流道部213的后端与上直线流道部211相切且连通。

这里，需要说明的是，“上左侧弧线流道部212的后端与上直线流道部211相切”应当作广义理解，即上左侧弧线流道部212的后端可以与上直线流道部211上的与上直线流道部211纵向中心线平行的任意一条直线相切，同理，“上右侧弧线流道部213的后端与上直线流道部211相切”应当作广义理解，即上右侧弧线流道部213的后端可以与上直线流道部211上的与上直线流道部211纵向中心线平行的任意一条直线相切。另外，本文中所述的纵向中心线应当理解为沿前后方向延伸且位于左右方向上的中间。

优选地，如图2和图3所示，当第一样本流流道11在前后方向上沿直线延伸时，上层纵向聚焦流流道21可以关于第一样本流流道11的纵向中心线左右对称，此时，上左侧弧线流道部212、上右侧弧线流道部213可以关于第一样本流流道11的纵向中心线左右对称、或关于上直线流道部211的纵向中心线左右对称。

同理，如图2和图3所示，下层纵向聚焦流流道22包括：下直线流道部221、下左侧弧线流道部222、下右侧弧线流道部223，下直线流道部221与第一样本流流道11在上下方向上对齐布置，也就是说，下直线流道部221设在第一样本流流道11的正下方，下左侧弧线流道部222设在下直线流道部221的左前侧，且下左侧弧线流道部222的后端与下直线流道部221相切且连通，下右侧弧线流道部223设在下直线流道部221的右前侧，且下右侧弧线流道部223的后端与下直线流道部221相切且连通。

这里，需要说明的是，“下左侧弧线流道部222的后端与下直线流道部221相切”应当作广义理解，即下左侧弧线流道部222的后端可以与上直线流道部211上的与下直线流道部221纵向中心线平行的任意一条直线相切，同理，“下右侧弧线流道部223的后端与下直线流道部221相切”应当作广义理解，即下右侧弧线流道部223的后端可以与下直线流道部221上的与下直线流道部221纵向中心线平行的任意一条直线相切。

优选地，如图2和图3所示，当第二样本流流道12在前后方向上沿直线延伸时，下层纵向聚焦流流道22可以关于第二样本流流道12的纵向中心线左右对称，此时，下左侧弧线流道部222、下右侧弧线流道部223可以关于第二样本流流道12的纵向中心线左右对称、或关于下直线流道部221的纵向中心线左右对称。

这样，包含三层微流道的纵向聚焦结构，样本流由中间的第一样本流流道11进入，上下两股纵向聚焦鞘液流同时从上层纵向聚焦流流道21和下层纵向聚焦流流道22进入，之后并入到第一样本流流道11。由此，可以通过调节上层纵向聚焦流流道21内鞘液流、第一样本流流道11内样本流、下层纵向聚焦流流道22内鞘液流三者之间的流量比，可以改变聚焦后样本流的纵向尺寸和在第一样本流流道11内的纵向位置，进而实现了对样本流纵向聚焦效果的调控，包括对样本流在纵向上的聚焦位置和聚焦尺寸的综合调控。

进一步优选地，参照图2，上层纵向聚焦流流道21和下层纵向聚焦流流道22关于第一样本流流道11上下对称布置，也就是说，上层纵向聚焦流流道21和下层纵向聚焦流流道22关于第一样本流流道11的水平中心面在上下方向上对称布置。由此，可以更好地且更加方便地调控样本流纵向聚焦效果。

其中，直线流道部(即上直线流道部211和下直线流道部221)可以保持一定的长度，以有效地稳定合并后的两股鞘液流，两条弧线流道部与直线流道部相切(即上左侧弧线流道部212和上右侧弧线流道部213与上直线流道部：211相切；下左侧弧线流道部222和下右侧弧线流道部223与下直线流道部221相切)，可以确保鞘液流的流向转变自然、稳定，不存在流向转变剧烈的情况，保证了两股鞘液流在合并过程中保持渐变层流的状态，而且，根据具体情况，弧线流道部(即上左侧弧线流道部212、上右侧弧线流道部213、下左侧弧线流道部222以及下右侧弧线流道部223)可设计为圆弧形、椭圆弧形等，从而可以实现低流动阻力、适用于宽流速范围的目标，以尽量抵消或减小聚焦过程中鞘液流产生的横向扰动。

在本发明的一个具体实施例中，参照图1，第二样本流流道12在前后方向上沿直线延伸，左侧横向聚焦流流道31沿弧线延伸且后端与第二样本流流道12相切且连通。相类似地，第二样本流流道12在前后方向上沿直线延伸，右侧横向聚焦流流道32沿弧线延伸且后端与第二样本流流道12相切且连通。

这里，需要说明的是，“左侧横向聚焦流流道31的后端与第二样本流流道12相切且连通”应当作广义理解，即左侧横向聚焦流流道31的后端可以与第二样本流流道12上的与第二样本流流道12纵向中心线平行的任意一条直线相切，同理，“右侧横向聚焦流流道32的后端与第二样本流流道12相切且连通”应当作广义理解，即右侧横向聚焦流流道32的后端可以与第二样本流流道12上的与第二样本流流道12纵向中心线平行的任意一条直线相切。

这样，如图1所示，分别从左侧横向聚焦流流道31前端和右侧横向聚焦流流道32前端通入的左右两股横向聚焦鞘液流，沿着左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32进入至第二样本流流道12中，以在横向上挤压第二样本流流道12中原有的液流(例如从第一样本流流道11流入的样本流和纵向聚焦鞘液流)，从而实现对样本流的横向聚焦。由此，可以通过调整第二样本流流道12中样本流和左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32中两股鞘液流之间的流量比，实现对样本流的横向聚焦效果的调控，从而改变第二样本流流道12中样本流的横向尺寸和在第二样本流流道12横截面中的横向位置。

可选地，参照图4A和图4B，左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32关于第二样本流流道12的纵向中心线左右对称。由此，可以更好地且更加方便地调控样本流横向聚焦效果。具体而言，采用两条对称的弧形流道引入横向聚焦鞘液流，可以尽量抵消或减小聚焦过程中鞘液流产生的横向扰动，两条弧形流道与第二样本流流道12相切后并入第二样本流流道12，确保鞘液流流向转变自然、稳定，不存在流向转变剧烈的情况，保证了两股鞘液流在横向聚焦过程中保持为渐变层流的状态，极大地减小了流动阻力、提高了稳定性。

这本发明的一个优选实施例中，样本流流道在前后方向上沿直线延伸，且优选地，样本流流道在整个长度方向上的横向宽度处处相等，由此，经过预先纵向(或横向)聚焦的样本流可以更好地横向(或纵向)聚焦，从而实现优异的横纵二维聚焦效果。当然，本发明不限于此，样本流流道在整个长度方向上的横向宽度还可以并不处处相等，也就是说，样本流流道可以是变截面流道。

简言之，根据本发明实施例的微流道结构100由纵向聚焦结构和横向聚焦结构串联而成，形成具有二维流体动力聚焦功能的微流道结构100，样本流可以首先受纵向聚焦鞘液的作用完成纵向聚焦，而后再受横向聚焦鞘液的作用完成横向聚焦，从而完成二维聚焦，通过调整样本流、上下两股纵向聚焦鞘液流、上下两股横向聚焦鞘液流的流量比，可以改变二维聚焦后样本流在流道截面的位置以及聚焦后的尺寸，实现对聚焦效果的可控。

下面参照图1-图6简要根据本发明一个具体实施例的用于二维流体动力聚焦的微流道结构100。

图1展示的是微流道结构100整体的结构示意图，其中，微流道结构100采用两级分离聚焦结构，具体包括在前设置的第一级纵向聚焦结构和在后设置的第二级横向聚焦结构，样本流首先在第一级纵向聚焦结构中完成第一级的纵向聚焦后，再在第二级横向聚焦结构中完成第二级的横向聚焦。具体地，第一级纵向聚焦结构为三层微流道结构，具体包括第一样本流流道11、上层纵向聚焦流流道21以及下层纵向聚焦流流道22，第二级横向聚焦结构为一层微流道结构，具体包括，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。

在第一级纵向聚焦结构中，样本流可以从第一样本流流道11的入口(例如图2中所示的第一样本流流道11的前端11a)进入，纵向聚焦鞘液流可以分别从上层纵向聚焦流流道21的入口(例如图2A中所示的上左侧弧线流道部212的前端212a、上右侧弧线流道部213的前端213a)和下层纵向聚焦流流道22的入口(例如图2A中所示的下左侧弧线流道部222的前端222a、下右侧弧线流道部223的前端223a)进入，横向聚焦鞘液流可以分别从左侧横向聚焦流流道31的入口(例如图4A中所示的左侧横向聚焦流流道31的前端31a)和右侧横向聚焦流流道32的入口(例如图4A中所示的右侧横向聚焦流流道32的前端32a)进入。

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，这两股上层纵向聚焦鞘液流进入后再合并为一股鞘液流；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，这两股下层纵向聚焦鞘液流进入后再合并为一股鞘液流，从而进入第一样本流流道11的样本流在第一级纵向聚焦结构中受上下层鞘液流的挤压作用可以首先完成纵向聚焦。接着，样本流和纵向聚焦鞘液流进入第二级横向聚焦结构中的第二样本流流道12，并受到来自左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32中两股横向聚焦鞘液流的挤压作用，进而完成横向聚焦，最终，所有液流(包括样本流、纵向聚焦鞘液流、横向聚焦鞘液流)从第二样本流流道12的出口(例如图4A中所示的第二样本流流道12的后端12b)流出。

这样，将第一级纵向聚焦结构设置在前，将第二级横向聚焦结构设置在后的布局原因在于：受加工工艺的限制，微流道在水平面内可以实现复杂的曲线结构，但在纵向常见为垂直管壁，这使得液流在水平面内可以平稳地流动、横向聚焦鞘液流和样本流的交汇平稳、能量损失小，但在纵向上仅能通过垂直流道连接、使样液流流向发生90°的剧烈改变，因而纵向聚焦鞘液流和样本流时的能量损失系数更大、不稳定性更高，一般情况下，第一级聚焦后的流速远小于第二级聚焦后的流速，因而将纵向聚焦结构设置在低流速的第一级，可以有效地减小能量损失、降低流动阻力、提高液流稳定性。

图2A和图2B展示的是图1中所示的第一级纵向聚焦结构的示意图。具体地，纵向聚焦结构为三层微流道，具体包括，第一样本流流道11、上层纵向聚焦流流道21以及下层纵向聚焦流流道22，其中，上层纵向聚焦流流道21和下层纵向聚焦流流道22的结构可以相同，样本流由中间的第一样本流流道11前端11a的入口进入，两股上层的纵向聚焦鞘液流同时从上左侧弧线流道部212前端212a的入口和上右侧弧线流道部213前端213a的入口进入，并在上直线流道部211中合并为一股上层纵向聚焦鞘液流，两股下层的纵向聚焦鞘液流同时从下左侧弧线流道部222前端222a的入口和下右侧弧线流道部223前端223a的入口进入，并在下直线流道部221中合并为一股下层的纵向聚焦鞘液流。

由于上直线流道部211和下直线流道部221的长度有限，合并后的上层鞘液流从上直线流道部211的后端211b并入第一样本流流道11中，合并后的下层鞘液流从下直线流道部221的后端221b并入第一样本流流道11中，从而第一样本流流道11中的样本流受上下两股鞘液流的挤压而实现纵向聚焦，进而上下包裹着鞘液流的样本流保持纵向聚焦状态、从第一样本流流道11后端11b的出口流出至第二级横向聚焦结构中。

图3展现了第一级纵向聚焦结构对纵向聚焦效果的调控。具体地，通过调节从上层纵向聚焦流流道21进入的上层纵向聚焦鞘液流、从第一样本流流道11进入的中层样本流、以及从下层纵向聚焦流流道22进入的下层纵向聚焦鞘液流三者之间的流量比，可以实现对纵向聚焦效果的调控，聚焦效果可以通过观察样本流和鞘液流在第一样本流流道11后端11b截面上的分布情况来确定。可选地，第一样本流流道11、上层纵向聚焦流流道21、以及下层纵向聚焦流流道22在上下方向上的厚度均为150μm，其中，第一样本流流道11在左右方向上的宽度为300μm，其他尺寸成比例。

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。

如图3(a)所示，在控制条件A1下，样本流A11、下层鞘液流A12和上层鞘液流A13的流量比为1:0.6:5.4，样本流被纵向聚焦在靠近第一样本流流道11上壁的位置，样本流外形基本为矩形、且略带弧度。

如图3(b)所示，在控制条件A2下，样本流A21、下层鞘液流A22和上层鞘液流A23的流量比为1:1.2:4.8，样本流的纵向聚焦位置相比条件A1时略有下降，且外形更加平直。

如图3(c)所示，在控制条件A3下，样本流A31、下层鞘液流A32和上层鞘液流A33的流量比为1:1.8:4.2，样本流的纵向聚焦位置相比条件A2时略有下降，外形更加平直。

如图3(d)所示，在控制条件A4下，样本流A41、下层鞘液流A42和上层鞘液流A43的流量比为1:2.4:3.6，样本流的纵向聚焦位置接近第一样本流流道11截面的纵向中心且略微偏上，外形几乎平直。

如图3(e)所示，在控制条件A5下，样本流A51、下层鞘液流A52和上层鞘液流A53的流量比为1:3:3，样本流的纵向聚焦位置位于第一样本流流道11截面的纵向中心，外形平直。

如图3(f)所示，在控制条件A6下，样本流A61、下层鞘液流A62和上层鞘液流A63的流量比为2:3:3，相比控制条件A5，样本流的纵向聚焦位同样置位于第一样本流流道11截面的纵向中心、外形平直，但聚焦后的尺寸更大。

试验可得，在平均流速2m/s以内，均能形成稳定的聚焦效果。可见，纵向聚焦结构能够实现对纵向聚焦效果的调控，通过流量调整，能够改变样本流纵向聚焦后的位置和尺寸。

图4A和图4B展示的是图1中所示的第二级横向聚焦结构的示意图。具体地，横向聚焦结构仅存在一层微流道，包括一条第二样本流流道12以及两条对称的左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32，横向聚焦流流道与第二样本流流道12相切后并入第二样本流流道12中。这样，从第一样本流流道11输出的液流(包括样本流和纵向聚焦鞘液流)，可以从第二样本流流道12前端12a的入口进入第二样本流流道12，左右两股横向聚焦鞘液流分别从弧形的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，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。

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150μm，第二样本流流道12在左右方向上的宽度为300μm，其他尺寸成比例。

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。

如图5(a)所示，在控制条件B1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。

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B1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。

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。

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。

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。

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。

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。

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11a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。

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。

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150μm，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300μm，其他尺寸成比例。

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。

如图6(a)所示，在控制条件C1下，样本流C11、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C11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。

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C1，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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，样本流流道、左侧横向聚焦流流道31和右侧横向聚焦流流道32还可以由上层片体1002、中层片体1003以及下层片体1004共同限定出；上层片体1002上可以形成有上层纵向聚焦流流道21，上层纵向聚焦流流道21还可以由上盖1001、上层片体1002、以及中层片体1003共同限定出；下层片体1004上可以形成有下层纵向聚焦流流道22，下层纵向聚焦流流道22还可以由中层片体1003、下层片体1004以及下盖1005共同限定出。

进一步地，上盖1001和下盖1005中的至少一个上形成有与样本流流道连通的样本流注入口10011和输出口、以及与上层纵向聚焦流流道21、下层纵向聚焦流流道22、左侧横向聚焦流流道31、右侧横向聚焦流流道32分别连通的聚焦流注入口。

例如在图8的示例中，上盖1001上形成有样本流注入口10011、样本流输出口10016、第一聚焦流注入口10012、第二聚焦流注入口10013、第三聚焦流注入口10014以及第四聚焦流注入口10015，其中，样本流注入口10011可以通过样本流流道接道10021与第一样本流流道11前端11a连通，样本流输出口10016可以与第二样本流流道12后端12b连通，第一聚焦流注入口10012可以通过上层左侧纵向接道10022和上左侧弧线流道部212前端212a连通、通过下层左侧纵向接道10024和下左侧弧线流道部222前端222a连通，第二聚焦流注入口10013可以通过上层右侧纵向接道10023与上右侧弧线流道部213前端213a连通、通过下层右侧纵向接道10025与下右侧弧线流道部223前端223a连通，第三聚焦流注入口10014可以通过左侧横向接道10026与左侧横向聚焦流流道31前端31a连通，第四聚焦流注入口10015可以通过右侧横向接道10027与右侧横向聚焦流流道32前端32a连通。

另外，上盖1001、上层片体1002、中层片体1003、下层片体1004以及下盖1005的四个角上可以分别形成有一个安装孔，例如图7中所示的下盖1005上形成有四个安装孔10051，以实现微流体芯片1000的定位或固定。进一步地，上盖1001和下盖1005上还可以选择性地添加观察窗口，例如上盖1001上可以添加上观察窗口1006、下盖1005上可以添加下观察窗口1007，以便于光学检测。此外，还可在流体动力聚焦微流道结构100的聚焦后第二样本流流道12中添加电极，以便于电学检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (9)

1.一种用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，包括：

样本流流道，所述样本流流道包括在前后方向上连通的第一样本流流道和第二样本流流道；

上层纵向聚焦流流道，所述上层纵向聚焦流流道叠设在所述第一样本流流道的顶部，且所述上层纵向聚焦流流道的后端与所述第一样本流流道连通；

下层纵向聚焦流流道，所述下层纵向聚焦流流道叠设在所述第一样本流流道的底部，且所述下层纵向聚焦流流道的后端与所述第一样本流流道连通；

左侧横向聚焦流流道，所述左侧横向聚焦流流道设在所述第二样本流流道的左侧，且所述左侧横向聚焦流流道的后端与所述第二样本流流道连通；以及

右侧横向聚焦流流道，所述右侧横向聚焦流流道设在所述第二样本流流道的右侧，且所述右侧横向聚焦流流道的后端与所述第二样本流流道连通，

所述第一样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述上层纵向聚焦流流道和/或所述下层纵向聚焦流流道包括：

直线流道部，所述直线流道部与所述第一样本流流道在上下方向上对齐布置；

左侧弧线流道部，所述左侧弧线流道部设在所述直线流道部的左前侧，且所述左侧弧线流道部的后端与所述直线流道部相切且连通；

右侧弧线流道部，所述右侧弧线流道部设在所述直线流道部的右前侧，且所述右侧弧线流道部的后端与所述直线流道部相切且连通。

2.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述第一样本流流道和所述第二样本流流道在前后方向上顺次连通。

3.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述样本流流道在前后方向上沿直线延伸，且沿前后方向所述样本流流道在左右方向上的宽度不变。

4.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述上层纵向聚焦流流道和所述下层纵向聚焦流流道关于所述第一样本流流道上下对称布置。

5.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述第一样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述上层纵向聚焦流流道和/或所述下层纵向聚焦流流道关于所述第一样本流流道的纵向中心线左右对称。

6.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述第二样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述左侧横向聚焦流流道和所述右侧横向聚焦流流道关于所述第二样本流流道的纵向中心线左右对称。

7.根据权利要求1所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构，其特征在于，所述第二样本流流道在前后方向上沿直线延伸，所述左侧横向聚焦流流道沿弧线延伸且后端与所述第二样本流流道相切且连通，所述右侧横向聚焦流流道沿弧线延伸且后端与所述第二样本流流道相切且连通。

8.一种微流体芯片，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的用于二维流体动力聚焦的微流道结构。

9.根据权利要求8所述的微流体芯片，其特征在于，包括：

中层片体，所述中层片体上形成有所述样本流流道、所述左侧横向聚焦流流道和所述右侧横向聚焦流流道，

上层片体，所述上层片体叠设在所述中层片体的顶部，且所述上层片体上形成有所述上层纵向聚焦流流道；

下层片体，所述下层片体叠设在所述中层片体的底部，且所述下层片体上形成有所述下层纵向聚焦流流道；

上盖，所述上盖叠设在所述上层片体的顶部；

下盖，所述下盖叠设在所述下层片体的底部，其中，所述上盖和所述下盖中的至少一个上形成有与所述样本流流道连通的样本流注入口和输出口、以及与所述上层纵向聚焦流流道、所述下层纵向聚焦流流道、所述左侧横向聚焦流流道、所述右侧横向聚焦流流道分别连通的聚焦流注入口。