CN105149024A - 一种热泳耦合的亚微粒子分选器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及热泳耦合的亚微粒子分选器。一种热泳耦合的亚微粒子分选器，所述分选器由基片一和基片二键合而成，基片一上开设有用于导入含不同亚微粒子的液体的进口，基片一上还开设有用于导出分选后的亚微粒子的出口；基片二内设有分选通道，该分选通道的一端与基片一的进口相连，另一端连接基片一上的出口；所述分选通道包含上壁面和下壁面，在下壁面上设有可通电的加热芯片，以驱动亚微粒子产生热泳运动。本发明提供了一种根据粒子尺寸分选、利用热泳耦合技术、分选效率高和精度高的亚微粒子分选器，其制作简单、流体阻力小，分选器中不需要运动元件，从而避免了通道的磨损和堵塞，有利于流体的压力平衡。

Description

一种热泳耦合的亚微粒子分选器

技术领域

本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及热泳耦合的亚微粒子分选器。

技术背景

微流控系统是芯片实验室（lab-on-a-chip）的主要研究方向，是集采样、稀释、混合、反应、检测、分离等于一体的系统，它能将复杂的生物化学分析过程微型化和集成化，而其可降低样品液和检测液的消耗量，也可降低能源消耗，它还可提高分析速度和分析精度。因此，微流控系统技术在环境工程、材料工程、医药检测等领域得到广泛的应用。

粒子分选，如生物细胞分选、空气中的微粒分离、水中微粒凝聚和沉降等，在材料工程、医药工程、环境工程中有十分重要的地位。当粒子尺寸在100微米以上时，利用重力沉降即能进行粒子分选；当粒子尺寸在1-100微米时，可以利用粒子的惯性迁移进行分选，通常为提高惯性迁移效应，可以采用弯曲通道、扩张-收缩通道产生Dean流等。然而，当粒子尺寸为0.1-1微米时（即亚微米级），除了粘性曳力外，跟粒子惯性迁移相关的力，如重力、Saffman升力、压力梯度力、Magnus升力、附加质量力等都显得不重要。这时粒子在流体中的跟随性相当好，如果要对粒子进行分选，必须强化粒子的跨流线迁移效应，目前常用的方法是利用电泳、声泳、光泳、磁泳和热泳等。

目前，亚微粒子分选器主要有惯性分选器和耦合分选器两类。惯性分选器是指不利用外部力量的方法，主要依靠微通道几何形状来促使粒子跨流线迁移，其优点是结构简单、加工方便、没有运动部件、易集成等，但缺点是流动阻力大、影响因素多、分选精度低，它只适用于粒子雷诺数较大的跨流线迁移等。

对亚微粒子分选器而言，由于粒子尺寸小，分选器的尺度也小，粒子雷诺数也通常很小，惯性分选对其已经无能为力。由于电泳、磁泳等与粒子的电磁特性相关，光泳、声泳等对生物粒子有损伤，而热泳力对于粒子尺寸在0.1-100微米的粒子都是不可忽略的，即对粒子受力有明显的影响。

由于目前惯性分选器难以适应亚微粒子的分选，也存在分选效率差和分选精度低等缺点，为了强化亚微粒子的跨流线效应，研究耦合粒子的热泳迁移效应对粒子分选很有意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种根据粒子尺寸分选、利用热泳耦合技术、分选效率高和精度高的亚微粒子分选器。为此，本发明采用以下技术方案：

一种热泳耦合的亚微粒子分选器，所述分选器由基片一和基片二键合而成，基片一上开设有用于导入含不同亚微粒子的液体的进口，基片一上还开设有用于导出分选后的亚微粒子的出口；基片二内设有分选通道，该分选通道的一端与基片一的进口相连，另一端连接基片一上的出口；所述分选通道包含上壁面和下壁面，在下壁面上设有可通电的加热芯片，以驱动亚微粒子产生热泳运动。加热芯片能改变下壁面温度，在上下壁面间形成温差，使分选通道中的亚微粒子受到热泳力的作用，将热泳迁移效应耦合到亚微粒子的惯性分选中，从而达到在每个出口会导出一定尺寸范围的亚微粒子。

亚微粒子的分选效率和分选精度跟不同尺寸粒子的聚焦位置有关，粒子聚焦位置即是粒子的力平衡位置，在通道尺寸、流动速度、粒子尺寸等确定的情况下，热泳力的大小可以确定粒子的平衡位置，也即是粒子的聚焦位置。同时，热泳力与其它惯性分选相关的力的匹配，决定着不同粒子尺寸差别的条件下平衡位置的差别，也即是分选精度。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述基片一上的进口个数为一个；基片一的出口个数与分选级数相同，或出口个数为分选级数加一。一般基片一的出口个数不少于两个。

所述基片二的分选通道为直通道。

所述基片二的分选通道开设有与出口个数相同的支路，该支路与出口连通。在经过分选后的不同粒子会进入不同支路，随后从相应出口导出。

所述加热芯片可以根据要求调节电流的大小得到需要的壁面温度，以获得需要的上下壁面温差，从而使之产生的热泳效应与惯性效应匹配，该温差范围为0~50℃。

本发明的优点是：将亚微粒子的热泳迁移效应耦合到惯性迁移效应中，使亚微粒子的平衡位置（即粒子的聚焦位置）可控，并使不同尺寸的亚微粒子产生明显不同的聚焦位置，从而提高了亚微粒子的分选效率和分选精度；同时，避免了如生物亚微粒子在光泳和声泳作用下的损伤，又避免电泳、磁泳等作用下因亚微粒子磁电性能不同而影响分选效果。本发明热泳耦合的亚微粒子分选器制作简单、流体阻力小，分选器中不需要运动元件，从而避免了通道的磨损和堵塞，有利于流体的压力平衡。

附图说明：

图1为本发明一种热泳耦合的亚微粒子分选器的原理图。

图2为本发明一种热泳耦合的亚微粒子分选器的结构图。

图3为本发明一种热泳耦合的亚微粒子分选器的实施例一亚微粒子的平衡位置。

图4为本发明一种热泳耦合的亚微粒子分选器的实施例二亚微粒子的平衡位置。

其中，进口1，出口2、3、4、5，亚微粒子6，分选通道7，加热芯片8，上壁面9，下壁面10，基片一11，基片二12。

具体实施方式

结合附图，对本发明提供的一种热泳耦合的亚微粒子分选器作进一步说明。

参照图1~图2，一种热泳耦合的亚微粒子分选器，由基片一（顶基片）11和基片二（底基片）12键合而成。基片一11上开设有进口1和多个出口，进口1用于导入含不同亚微粒子的液体；出口不少于二个，用于导出分选后不同尺寸的亚微粒子，出口个数与分选级数有关，出口个数与分选级数相同，或出口个数为分选级数加一。基片二12内设有分选通道7，其一端与基片一11的进口1相连，该分选通道7为直通道，并开设有与出口2、3、4、5个数相同数量的支路，该支路起始端与分选通道7连通，终止端与出口2、3、4、5连通。

其中，分选通道7包含上壁面9和下壁面10，在下壁面10上设有可通电的加热芯片8。通过控制下壁面10上的加热芯片8的电流，在上壁面9和下壁面10之间形成所需的温差，以驱动亚微粒子产生热泳运动，该温差可以不限最大值，依据通道尺寸、分选颗粒大小和分级情况等条件的参数进行计算确定，但一般在0~50℃。在50℃时，因为通道尺寸太小，此时的温度梯度已经较大。

分选通道9中的亚微粒子6由于其尺寸不同，所受的热泳力也不同。其中，尺寸小的就会在相对离上壁面9比较近的位置达到平衡，从而聚焦在离上壁面9较近的位置，而相对尺寸比较大的粒子，则会聚焦在离上壁面9较远的位置，甚至会处于中心线以下位置。最后，较小的粒子会从最前面的出口2导出，而较大的粒子则会从靠后的出口4甚至出口5导出，达到粒子分选的目的。

实施例一，分选级数三级，假设在进口1导入含0.1、0.5、1.0微米的粒子水溶液，粒子密度为1050kg/m³，入口速度为10mm/s，进入高度为200微米的分选通道后进行分选，上下壁面温差控制在10度，在分选通道下游2~3毫米处开始，0.1、0.5、1.0微米的粒子分别聚焦在分选通道中心线以上82、63、30微米处，分别在出口2、出口3和出口4导出。

实施例二，分选级数三级，假设在进口1导入含0.1、0.5、1.0微米的粒子水溶液，粒子密度为1050kg/m³，入口速度为10mm/s，进入高度为200微米的分选通道后进行分选，当上下壁面温差控制在2度时，0.1、0.5、1.0微米的粒子分别聚焦在分选通道中心线以上62、36、-30微米处，分别在出口2、出口3和出口5导出。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (5)

1.一种热泳耦合的亚微粒子分选器，由基片一和基片二键合而成，其特征在于所述基片一上开设有用于导入含不同亚微粒子的液体进口，基片一上还开设有多个用于导出分选后的亚微粒子的出口；基片二内设有分选通道，该分选通道的一端与基片一的进口相连，另一端连接基片一上的出口；所述分选通道包含上壁面和下壁面，在下壁面上设有电加热芯片，以驱动亚微粒子产生热泳运动。

2.根据权利要求1所述的一种热泳耦合的亚微粒子分选器，其特征在于所述基片一上的进口个数为一个；基片一的出口个数与分选级数相同，或出口个数为分选级数加一。

3.根据权利要求1所述的一种热泳耦合的亚微粒子分选器，其特征在于所述基片二的分选通道为直通道。

4.根据权利要求1或3所述的一种热泳耦合的亚微粒子分选器，其特征在于所述基片二的分选通道开设有与出口个数相同的支路，该支路与基片一上的出口连通。

5.根据权利要求1所述的一种热泳耦合的亚微粒子分选器，其特征在于所述因下壁面的电加热芯片所产生的上、下壁面温差范围为0~50℃。