CN105772123A - 一种基于微流控通道的磁分离方法及装置 - Google Patents

一种基于微流控通道的磁分离方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控通道的磁分离方法和装置，所述方法包括：控制样品液流入微流控通道；对所述微流控通道中的样品液施加垂直于微流控通道方向的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；对所述微流控通道中的样品液施加周期均匀磁场，所述梯度磁场、周期均匀磁场以及静态均匀磁场共同作用产生振荡复合式梯度磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于xy平面内，所述周期均匀磁场垂直于xy平面。本发明中涉及的磁分离方法控制简单、解聚效果良好、经济性高，可大大推动微芯片磁泳分离系统中磁性微粒高精度分离的方法的研究。

Description

一种基于微流控通道的磁分离方法及装置
技术领域
本发明属于微流控芯片领域，更具体地，涉及一种基于微流控通道的磁分离方法及装置。
背景技术
随着微机电系统和微纳米技术的进步，基于微流控芯片系统的生物分离技术得到了快速发展。与传统技术相比，其具有样品需样量低、高检测速度、高精细化和可控化等优势，成为目前进行生物分离技术研究的重要手段，在细胞分离、蛋白质和核酸的分离纯化等领域显示出广阔的应用前景。
微尺度下，利用磁场力诱导磁微/纳米微粒定向移动实现精细分离的磁泳分离技术是近年来发展起来的一种重要的生物分离手段，其优势在于磁场力具有很强的可控性和灵活性，且分离效率不受通道表面电荷、溶液pH值和离子强度等影响，在高纯度磁性颗粒制备及其生物应用中均有着重要的研究和应用价值。
但在现有磁泳分离系统中，磁场类型一般为由永磁体或电磁铁产生的静态梯度磁场，例如非专利综述文献Magnetismandmicrofluidics(N.Pamme,LabChip,2006,6,24–38.)公开了多种用于磁分离的微流控芯片。在梯度磁场的作用下，磁性粒子间会产生相互作用力，从而发生磁团聚行为，从而导致以下3种问题：
(1)磁性微粒间的团聚行为可造成非目标生物被机械地夹杂在团聚体中而影响分离精度；
(2)在微流控芯片分离系统中磁性微粒团聚体因极易被捕获而容易造成微管道堵塞；
(3)不同磁性粒子间的团聚行为导致系统无法根据微粒自身物理特性(如粒径大小、磁化率等物理特性)的差异而实现多目标的有效分离。
上述问题导致系统只能分离浓度低于0.1％的粒子，从而影响了分离的效率，制约了高精度磁泳分离技术的应用和发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微流控通道的磁分离方法及装置，其目的在于对微流控通道施加静态均匀磁场以及周期磁场，由此解决样品液中的粒子团聚的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微流控通道的磁分离方法，所述方法包括：
控制样品液流入微流控通道；
对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；
对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场；
所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；
所述静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
优选地，所述静态均匀磁场的强度为所述梯度磁场最高强度的5倍以上。
作为进一步优选地，所述静态均匀磁场的强度为所述梯度磁场最高强度的10倍以上。
优选地，所述静态均匀磁场的强度与所述周期磁场的最高强度比为1:2～2:1。
优选地，所述周期磁场的频率为1Hz～1000Hz，波形为方波、锯齿波、三角波或者正弦波。
按照本发明的一个方面，还提供了一种基于微流控通道的磁分离装置，所述磁分离装置包括微流控通道、第一磁场装置、第二磁场装置以及第三磁场装置；
所述微流控通道用于引入样品液；
所述第一磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
所述第二磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；
所述第三磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场；
所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；
所述静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
优选地，所述装置还包括多个分离出口，所述装置还包括多个分离出口，所述多个分离出口设置于所述微流控通道的出口处，用于收集所述样品液中分离的粒子。
优选地，所述第二磁场装置包括第一亥姆霍兹线圈，所述第一亥姆霍兹线圈的中心轴与所述微流控通道以及所述梯度磁场共平面，且所述微流控通道位于所述第一亥姆霍兹线圈的中心区域；所述第三磁场装置包括第二亥姆霍兹线圈，所述第二亥姆霍兹线圈的中心轴与所述第一亥姆霍兹线圈的中心轴互相垂直平分；所述第一亥姆霍兹线圈用于通入恒定电流，从而对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；所述第二亥姆霍兹线圈用于通入周期变化的电流，从而对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场。
作为进一步优选地，所述第二磁场装置还包括第三亥姆霍兹线圈，所述第三亥姆霍兹线圈的中心轴与所述第一亥姆霍兹线圈的中心轴垂直，且与所述微流控通道以及所述梯度磁场共平面；所述第三亥姆霍兹线圈用于通入恒定电流，从而与所述第一亥姆霍兹线圈共同对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场。
作为更进一步优选地，所述第一亥姆霍兹线圈为三轴亥姆霍兹线圈中的x轴线圈，所述第三亥姆霍兹线圈为三轴亥姆霍兹线圈中的y轴线圈，所述第二亥姆霍兹线圈为三轴亥姆霍兹线圈中的z轴线圈，。
优选地，所述第一磁场装置为与所述微流控通道平行设置的微磁体。
作为进一步优选地，所述微磁体为微型电磁体，所述微型电磁体用于通入恒定电流，从而产生对所述样品液产生垂直于微流控通道方向的梯度磁场。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于将静态均匀磁场以及周期磁场引入了微流控芯片，能够取得下列有益效果：
1、本发明除了对所述微流控通道中的样品液施加垂直于微流控通道方向的梯度磁场，还引入了静态均匀磁场以及周期磁场对样品液中的粒子进行分离，周期磁场与静态均匀磁场能共同作用产生强度和方向周期性变化的磁场，将样品液中的粒子的单一吸力变为交替的吸-斥力状态，避免所述样品液中不同的粒子团聚，使得该系统在样品液的浓度较高时能减少粒子间的团聚现象，从而提高了分离效率；
2、本发明利用的静态均匀磁场同时还有增强梯度磁场的作用，使所述样品液中的不同粒子分离的准确性得到了提高；
3、静态均匀磁场的强度优选为梯度磁场的强度的5～10倍以上，使得静态均匀磁场对磁场强度起到决定作用且梯度磁场对磁场梯度分布起到决定作用，从而可解耦控制以实现梯度磁场方向和分布的优化配置；
4、本发明采用第一磁场装置、第二磁场装置以及第三磁场装置对梯度磁场、静态均匀磁场以及周期均匀磁场进行分别控制，方便根据实际情况对磁场的强度进行调整；
5、本发明中涉及的磁分离方法控制简单、解聚效果良好、经济性高；同时，本发明方法中涉及的磁分离装置构造简单、控制方便、经济性高，能实现磁场方向和磁场梯度力的解耦控制，这使得磁场的产生方式简单，产生的磁场类型十分多样，可大大推动微芯片磁泳分离系统中磁性微粒高精度分离的方法的研究。
附图说明
图1为本发明实施例1的俯视图；
图2为本发明实施例1微流控芯片的俯视图；
图3为本发明实施例1微流控芯片上的微流控通道和微电磁体的俯视图；
图4为本发明实施例1的三轴亥姆霍兹线圈产生的xy平面磁场类型示意图
图5为本发明实施例1的三轴亥姆霍兹线圈产生的z轴磁场类型示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：Hx1、Hx2-x轴线圈；Hy1、Hy2-y轴线圈；Hz1、Hz2-z轴线圈；a-微流控芯片，21a、21b、24a、24b-敷铜区域，23a、23b-电极，12-入口通道，14-出口通道，13-进样口，15-分离区域，17-入口通道，7-绝缘区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于微流控通道的磁分离方法，所述方法包括：
控制样品液流入微流控通道；
对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
对所述微流控通道中的样品液施加均匀度大于90％的静态均匀磁场，所述静态均匀磁场的强度为所述梯度磁场最高强度的5倍～10倍以上，而梯度磁场的梯度大于静态均匀磁场的1000倍以上；
对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场，所述周期磁场的频率为1Hz～1000Hz，波形可以为方波、锯齿波、三角波或者正弦波等任意周期波形；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场，且所述静态均匀磁场的强度与所述周期磁场的最高强度比为1:2～2:1；
由于静态均匀磁场与梯度磁场的方向位于同一平面内，所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；由于所述周期磁场与静态均匀磁场的方向垂直，静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
本发明还公开了一种基于微流控通道的磁分离装置，所述磁分离装置包括微流控通道、第一磁场装置、第二磁场装置以及第三磁场装置；
所述微流控通道用于引入样品液；
所述第一磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
所述第二磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；
所述第三磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场；
所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；
所述静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
所述装置还可以包括多个分离出口，所述多个分离出口与微流控通道的出口连接，用于收集所述样品液中分离的粒子。
通常而言，微流控通道设置于一微流控芯片上，同时在该微流控芯片中还设置有与微流控通道平行设置的微电磁体以作为第一磁场装置，所述微电磁体用于通入恒定电流，从而产生对所述样品液产生垂直于微流控通道方向的梯度磁场。
而所述第二磁场装置以及第三磁场装置可采用三轴亥姆霍兹线圈，其中x轴线圈与微流控芯片垂直设置，作为第二磁场装置，用于通入恒定电流，从而对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场，而z轴线圈与微流控芯片平行设置，用于通入周期变化的电流，从而对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场；为了保证有效的作用空间和均匀度，亥姆霍兹线圈的半径应大于微流控芯片有效作用区域的5倍以上，所述微流控芯片则通过固定装置设置于所述三轴亥姆霍兹线圈的中心区域；而y轴线圈既可以通入恒定电流，与x轴线圈共同产生静态均匀磁场，也可通入和z轴线圈相同周期的周期变化的电流，从而与z轴线圈共同对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场。
以x轴线圈和y轴线圈产生静态均匀磁场说明该装置的工作原理：三轴亥姆霍兹线圈中的x轴线圈和y轴线圈以及微电磁体均通入直流电源；x轴线圈和y轴线圈产生静态均匀磁场，其磁场强度大于微电磁体产生的梯度磁场的最高强度的5～10倍，而梯度磁场的的磁场梯度大于静态均匀磁场的1000倍以上；由于磁场力与磁场强度和梯度均成正比关系，故亥姆霍兹线圈和微电磁体共同作用后样品液中的粒子所受的梯度磁场强度提升了5倍～10倍。同时，三轴亥姆霍兹线圈中的z轴线圈产生z方向的周期磁场，该周期磁场与静态均匀磁场进行耦合，获得一个强度和方向周期性变化的磁场，从而使得粒子间的磁作用力方向也随之发生周期性变化，从而起到抑制粒子团聚和团聚粒子解聚的作用。
在具体操作中，可以根据微流控芯片尺寸、微通道尺寸、磁纳米粒子粒径、磁纳米粒子溶液浓度、流速、微芯片工作时间(温度)、实验温度等因素对磁场的大小、方向和频率进行设置。
实施例1
本实施例的磁分离装置包括三轴亥姆霍兹线圈以及微流控芯片a，三轴亥姆霍兹线圈主体通过螺杆进行支撑，微流控芯片放置在微型升降台上，使得微流控芯片位于所述三轴亥姆霍兹线圈的中心区域且与z轴线圈平行。该装置在微流控芯片处的截面示意图如图1所示，可看到y轴线圈Hy1和Hy2设置于后前方，x轴线圈Hx1和Hx2设置于左右方，z轴线圈平行设置于微流控芯片的上下方。
其中，微流控芯片a的结构如图2所示，包括实心敷铜区域。敷铜区域24a可通过电极23a外接电信号，敷铜区域24b可通过电极23b外接电信号，敷铜区域21a和21b包裹在T型微流通道的外壁，该T型通道包括进样口13、入口通道12、分离区域15以及液体出口11。磁纳米粒子悬浊液和缓冲液分别通过两个进样口13以及入口通道12，经分离区域15分散后从液体出口11收集。绝缘区域7和敷铜区域等厚，用以形成一部分管道外壁和绝缘电极的作用。分离区域15中的敷铜线构成微电磁体，其产生梯度磁场的大小和方向可通过电极所接入的电流信号予以控制。敷铜区域21a和21b构成微电磁体的散热铜片单元。
图3为本实例的微流控芯片和微电磁体的简化结构示意图。进样口13分别为磁纳米粒子入口和缓冲液入口，区域15为解聚分离区域，出口11为液体出口。其中敷铜线24a、24b是微电磁体的简化示意图，敷铜线34电流大小方向为I1，敷铜线35电流大小方向为I2，复合梯度磁场大小和分布可通过调节I1&I2的大小和方向予以控制。
本发明的三轴亥姆霍兹线圈和微电磁体构成空间高梯度复合震荡磁场发生单元，其产生的磁场主要作用区域为图2和3中的分离区域15，即微流控芯片所在区域。为了保证有效的作用空间和磁场的均匀度，亥姆霍兹线圈的半径一般应大于微流控芯片有效作用区域的5倍以上。具体工作方式：
(1)x轴线圈Hx1&Hx2和y轴线圈Hy1&Hy2中通入恒定的直流共同在xy平面产生静态均匀磁场，如图4所示；而微电磁体在分离区域15周围产生梯度磁场，其中，静态均匀磁场的强度要大于梯度磁场的5～10倍以上；而微电磁体产生的磁场梯度要明显大于静态均匀磁场产生的磁场梯度(1000倍以上)。由于磁场力与磁场强度和梯度均成正比关系，故x轴线圈、y轴线圈和微电磁体共同作用后磁纳米粒子所受的梯度磁场力显著得了5～10倍的提升，可以驱动微流体中的磁纳米粒子发生偏转而分离。
(2)z轴线圈Hz1&Hz2产生z方向的周期方波脉冲磁场，如图5所示，该磁场与x轴线圈Hx1&Hx2和y轴线圈Hy1&Hy2产生xy平面的静态均匀磁场进行耦合，产生一个强度和方向周期性变化的磁场，从而使得微流体中的磁纳米粒子间磁作用力方向也随之发生周期性变化，从而起到抑制粒子团聚和团聚粒子解聚的作用。
(3)本发明实施过程中(1)和(2)同时进行的，所以粒子解聚、抑制团聚和粒子的分离是同时发生的。流体中的磁纳米粒子在梯度磁场力作用下会发生偏转，偏转角度与磁性粒子大小及磁化率成正比，因此不同类型的粒子会由于偏转角度不同而流入不同的出口通道11，从而实现分离。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微流控通道的磁分离方法，其特征在于，所述方法包括：
控制样品液流入微流控通道；
对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；
对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场；
所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；
所述静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
2.如权利要求1所述的磁分离方法，其特征在于，所述静态均匀磁场的强度为所述梯度磁场最高强度的5倍以上。
3.如权利要求2所述的磁分离方法，其特征在于，所述静态均匀磁场的强度为所述梯度磁场最高强度的10倍以上。
4.如权利要求1所述的磁分离方法，其特征在于，所述周期磁场的频率为1Hz～1000Hz。
5.如权利要求1所述的磁分离方法，其特征在于，所述静态均匀磁场的强度与所述周期磁场的最高强度比为1:2～2:1。
6.一种基于微流控通道的磁分离装置，其特征在于，所述磁分离装置包括微流控通道、第一磁场装置、第二磁场装置以及第三磁场装置；
所述微流控通道用于引入样品液；
所述第一磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁场；
所述第二磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加静态均匀磁场；
所述第三磁场装置用于对所述微流控通道中的样品液施加周期磁场，所述周期磁场为强度周期变化的均匀磁场；其中，所述微流控通道、所述梯度磁场以及所述静态均匀磁场位于同一平面内，所述周期磁场垂直于静态均匀磁场；
所述静态均匀磁场与所述梯度磁场共同作用，获得增强的梯度磁场，使所述样品液中的不同粒子分离；
所述静态均匀磁场与所述周期磁场共同作用，获得强度和方向周期性变化的磁场，避免所述样品液中不同的粒子团聚。
7.如权利要求6所述的磁分离装置，其特征在于，所述装置还包括多个分离出口，所述多个分离出口设置于所述微流控通道的出口处，用于收集所述样品液中分离的粒子。
8.如权利要求6所述的磁分离装置，其特征在于，所述第二磁场装置为三轴亥姆霍兹线圈中的x轴线圈，所述第三磁场装置为三轴亥姆霍兹线圈中的z轴线圈，所述微流控通道位于所述三轴亥姆霍兹线圈的中心区域。
9.如权利要求8所述的磁分离装置，其特征在于，所述第二磁场装置为三轴亥姆霍兹线圈中的x轴线圈和y轴线圈。
10.如权利要求6所述的磁分离装置，其特征在于，所述第一磁场装置为与所述微流控通道平行设置的微磁体。
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