CN105854967A - 一种微流控芯片装置及其微流道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片装置及其微流道结构，其中，微流道结构包括不对称聚焦弯道、直聚焦流道及鞘液流道，其中，不对称聚焦弯道的第一端与样品液入口连通；直聚焦流道的第一端与不对称聚焦弯道的第二端连通，第二端与混合液出口连通；鞘液流道包括关于直聚焦流道对称的左流道和右流道，左右流道的第一端均与鞘液入口连通，左流道及右流道的第二端分别从两侧与直聚焦流道连通；上述微流道结构，在使用时可以采用鞘液流聚焦和迪恩流聚焦相互配合的方式，不同粒径的颗粒先在不对称聚焦弯道中第一次聚焦各自形成一条直线，然后在直聚焦流道中受两对称鞘液流的第二次聚焦作用，全部聚焦于直聚焦流道的中心线上，从而达到改善聚焦效果的目的。

Description

一种微流控芯片装置及其微流道结构

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种微流控芯片装置及其微流道结构。

背景技术

微流控是一项在非常小的尺度下控制微流流动的技术，能够把化学和生物等学科中所涉及到的一系列流程如样品制备、化学反应、分离、检测集中到一块只有几个平方厘米甚至更小的芯片上完成。由于微流控芯片是利用微尺度下流体的流动性质来进行各项操作，并使用各种主动或者被动的操作技术控制流体在芯片内部的流动，由微通道形成的网络，使得样品在芯片内部流动时处于层流和低雷诺数的情况，以达到精确操控样品的目的。

目前微流控技术中，在微流道上聚焦固体颗粒的方法一般分为主动式聚焦和被动式聚焦两类，其中，主动式聚焦是采用外力(例如磁场、电场、光等)对固体颗粒进行操纵，但外力会对固体颗粒(如生物微粒等)的生理活性和功能状态产生一定的影响，会对检测结构造成不良影响；被动式聚焦有鞘液流聚焦和迪恩流聚焦等方式。鞘液流聚焦效果不理想，难以使固体颗粒聚焦到单一运动轨迹上流动，且不能使得固体颗粒等间距排列。

迪恩流聚焦是利用溶液在不对称聚焦弯道中流动时产生的离心力引发二次涡流对溶液中的颗粒施加迪恩拖曳力，同时溶液中的颗粒还受到惯性流的惯性举力，这样，溶液中的颗粒通过惯性举力和迪恩拖曳力的共同作用在微流道内的固定位置达到平衡，而且同一尺寸的微粒在相同条件下运动的轨迹是一致的，因此利用迪恩流聚焦原理就可以实现同一微粒在通道内按照相同的轨迹运动并排列成行，从而实现微粒的惯性聚焦，请参阅图1，图1为现有技术中不对称聚焦弯道的结构示意图，上述的不对称聚焦弯道100由多个大弯道110和多个小弯道120交替连接构成，大弯道110和小弯道120的弯曲方向相反；但是当固体颗粒粒径不均时，迪恩流聚焦不能够将不同粒径的颗粒聚焦到同一直线上，聚焦效果较差。

因此，如何提供一种微流道结构，使其能够使不同粒径的颗粒处于同一直线上，改善聚焦效果，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微流控芯片装置及其微流道结构，以达到使其能够使不同粒径的颗粒处于同一直线上，改善聚焦效果的目的。

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案：

一种微流道结构，包括：

不对称聚焦弯道，所述不对称聚焦弯道的第一端与样品液入口连通；

直聚焦流道，第一端与所述不对称聚焦弯道的第二端连通，第二端与混合液出口连通；

鞘液流道，包括关于所述直聚焦流道对称的左流道和右流道，所述左流道及所述右流道的第一端均与鞘液入口连通，所述左流道以及所述右流道的第二端分别从两侧与所述直聚焦流道连通。

优选地，所述不对称聚焦弯道的第一端通过入口缓冲流道与所述样品液入口连通。

优选地，所述不对称聚焦流道、所述直聚焦流道、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道的横截面均为矩形，且上述各流道高度一致。

优选地，所述不对称聚焦流道、所述直聚焦流道、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道的高度均为50μm～100μm。

优选地，所述直聚焦流道、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道的宽度为300μm～500μm。

优选地，所述不对称聚焦弯道的大弯道的宽度为350μm～650μm，曲率半径为780μm～1000μm，所述不对称聚焦弯道的小弯道的宽度为200μm～350μm，曲率半径为150μm～500μm。

优选地，所述左流道或者所述右流道中鞘液流动方向与所述直聚焦流道中样品液流动方向的夹角α满足40°≤α≤90°。

一种微流控芯片装置，包括：

芯片本体；

设置于所述芯片本体内且如上任一项所述的微流道结构，所述样品液入口、所述混合液出口以及所述鞘液入口均开设在所述芯片本体的上表面上。

优选地，还包括输送装置以及提取装置，所述输送装置包括与所述样品液入口连通的第一输送泵以及与所述鞘液入口连通的第二输送泵，所述提取装置与所述混合液出口连通。

优选地，所述芯片本体包括：

基板，其上表面上开设有所述微流道结构；

盖板，覆盖在所述基板的上表面上，且所述样品液入口、所述混合液出口以及所述鞘液入口开设于所述盖板上。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的微流道结构，包括不对称聚焦弯道、直聚焦流道以及鞘液流道，其中，不对称聚焦弯道的第一端与样品液入口连通；直聚焦流道的第一端与不对称聚焦弯道的第二端连通，第二端与混合液出口连通；鞘液流道包括关于直聚焦流道对称的左流道和右流道，左流道及右流道的第一端均与鞘液入口连通，左流道以及右流道的第二端分别从两侧与直聚焦流道连通；

在使用时，向不对称聚焦流道中注入具有颗粒的样品溶液，样品溶液经过不对称聚焦流道后进入直聚焦流道，这时，由于在不对称聚焦流道中受到惯性举力以及迪恩拖曳力的作用，样品溶液中不同粒径的颗粒各自排列成一条直线，并且由于惯性举力以及迪恩拖曳力的平衡位置靠近大弯道的外侧和小弯道的内侧，所以流出不对称聚焦弯道的颗粒队列并不在直聚焦通道中心线上，而是会偏离中心线靠近直聚焦通道的一侧；与此同时，向鞘液流道中注入鞘液，鞘液分成两股，分别从左流道以及右流道汇入直聚焦流道，在左右鞘液流的聚焦作用下，能够将不同粒径的颗粒全部聚焦在直聚焦流道的中心线上；

由此可见，上述的微流道结构，在使用时可以采用鞘液流聚焦和迪恩流聚焦相互配合的方式，不同粒径的颗粒先在不对称聚焦弯道中第一次聚焦各自形成一条直线，然后在直聚焦流道中受两对称鞘液流的第二次聚焦作用，全部聚焦于直聚焦流道的中心线上，从而达到改善聚焦效果的目的，并且通过控制鞘液的流量，能够实现颗粒之间间距的改变，能够进一步的改善聚焦效果，除此之外，上述所使用的鞘液可以与样品溶液的溶剂一致，并且整个操作过程中均是通过流体力学原理对颗粒进行操纵聚焦，不会对颗粒的生理活性和功能状态等产生不利影响，有助于提高检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中不对称聚焦弯道的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微流道结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的微流道结构中左流道及右流道与直聚焦流道连接处的局部放大示意图；

图4为本发明实施例提供的微流控芯片装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种微流道结构，以达到使其能够使不同粒径的颗粒处于同一直线上，改善聚焦效果的目的。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的微流道结构的示意图。

本发明实施例提供的一种微流道结构，包括不对称聚焦弯道1、直聚焦流道4以及鞘液流道。

其中，不对称聚焦弯道1的第一端与样品液入口3连通；直聚焦流道4的第一端与不对称聚焦弯道1的第二端连通，第二端与混合液出口6连通；鞘液流道包括关于直聚焦流道4对称的左流道8和右流道5，左流道8及右流道5的第一端均与鞘液入口7连通，左流道8以及右流道5的第二端分别从两侧与直聚焦流道4连通。

与现有技术相比，本发明实施例提供的微流道结构，在使用时，向不对称聚焦流道中注入具有颗粒的样品溶液，样品溶液经过不对称聚焦流道后进入直聚焦流道4，这时，由于在不对称聚焦流道中受到惯性举力以及迪恩拖曳力的作用，样品溶液中不同粒径的颗粒各自排列成一条直线，并且由于惯性举力以及迪恩拖曳力的平衡位置靠近大弯道的外侧和小弯道的内侧，所以流出不对称聚焦弯道1的颗粒队列并不在直聚焦通道中心线上，而是会偏离中心线靠近直聚焦通道的一侧；与此同时，向鞘液流道中注入鞘液，鞘液分成两股，分别从左流道8以及右流道5汇入直聚焦流道4，请参阅图3，图3为本发明实施例提供的微流道结构中左流道8及右流道5与直聚焦流道4连接处的局部放大示意图，在左右鞘液流的聚焦作用下，能够将不同粒径的颗粒全部聚焦在直聚焦流道4的中心线上；

由此可见，上述的微流道结构，在使用时可以采用鞘液流聚焦和迪恩流聚焦相互配合的方式，不同粒径的颗粒先在不对称聚焦弯道1中第一次聚焦各自形成一条直线，然后在直聚焦流道4中受两对称鞘液流的第二次聚焦作用，全部聚焦于直聚焦流道4的中心线上，从而达到改善聚焦效果的目的，并且通过控制鞘液的流量，能够实现颗粒之间间距的改变，能够进一步的改善聚焦效果，除此之外，上述所使用的鞘液可以与样品溶液的溶剂一致，比如当采用50％乙醇溶液和粒径10微米的聚苯乙烯微球的混合溶液作为样品液时，可以用50％乙醇溶液作为鞘液，并且整个操作过程中均是通过流体力学原理对颗粒进行操纵聚焦，不会对颗粒的生理活性和功能状态等产生不利影响，有助于提高检测的准确性。

为了避免样品液进入不对称聚焦流道时存在不均衡压力，改善聚焦效果，在本发明实施例中，不对称聚焦弯道1的第一端通过入口缓冲流道2与样品液入口3连通。

微流道结构各部分的横截面可以采用多种形状，比如矩形、椭圆形、圆形等等，在本发明实施例中，不对称聚焦流道、直聚焦流道4、鞘液流道以及入口缓冲流道2的横截面均为矩形，且上述各流道高度一致。

微流道结构的流道高度可以根据溶液中颗粒粒径的大小进行调整，在本发明实施例中，不对称聚焦流道、直聚焦流道4、鞘液流道以及入口缓冲流道2的高度均为50μm～100μm，进一步地，为了保证聚焦效果，应当保证溶液中的颗粒粒径与流道高度之比不大于1:2.5，且样品液中颗粒粒径分布范围应小于颗粒平均粒径的10％。

除了不对称聚焦弯道1中的大弯道及小弯道外，为了保证样品溶液的压力及流速发生突然变化，其与各组成部分的宽度均应保持一致，因此，在本发明实施例中，直聚焦流道4、鞘液流道以及入口缓冲流道2的宽度为300μm～500μm。

为了进一步优化上述技术方案，不对称聚焦弯道1的大弯道的宽度为350μm～650μm，曲率半径为780μm～1000μm，不对称聚焦弯道1的小弯道的宽度为200μm～350μm，曲率半径为150μm～500μm。为了使大弯道能够与小弯道以及微流道结构的其余各组成部分平滑连接，在本发明实施例中，大弯道采用了中间宽，两端窄的结构。

为了进一步的提升聚焦效果，在本发明实施例中，左流道8或者右流道5中鞘液流动方向与直聚焦流道4中样品液流动方向的夹角α满足40°≤α≤90°，这样，能够使鞘液与样品液顺利混合并输出。

本发明实施例还提供了一种微流控芯片装置，请参阅图4，图4为本发明实施例提供的微流控芯片装置的结构示意图，微流控芯片装置包括芯片本体以及微流道结构，其中，如上任一项所述的微流道结构设置于芯片本体内，样品液入口3、混合液出口6以及鞘液入口7均开设在芯片本体的上表面上。

为了保证上述微流控芯片装置的各入口及出口压力的连贯及一致，从而获得稳定的聚焦效果，在本发明实施例中，微流控芯片装置还包括输送装置以及提取装置13，输送装置包括与样品液入口3连通的第一输送泵11以及与鞘液入口7连通的第二输送泵12，提取装置13与混合液出口6连通，通过上述的输送装置以及提取装置13能够以恒定的速度输入或提取微流控芯片装置中的溶液，从而使微流控芯片装置中的溶液的压力及流速保持恒定，提高聚焦效果，进一步地，为了使微流控芯片装置的入口压力大于出口压力，以保证样品溶液的流动及混合液的顺利提取，第一输送泵11输出的样品液流量与第二输送泵12输出的鞘液流量之比应不小于1:1。

进一步优化上述技术方案，芯片本体包括基板9以及盖板10，其中，基板9的上表面上开设有微流道结构；盖板10覆盖在基板9的上表面上，且样品液入口3、混合液出口6以及鞘液入口7开设于盖板10上。

上述的芯片本体仅是本发明实施例提供的一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种微流道结构，其特征在于，包括：

不对称聚焦弯道(1)，所述不对称聚焦弯道(1)的第一端与样品液入口(3)连通；

直聚焦流道(4)，第一端与所述不对称聚焦弯道(1)的第二端连通，第二端与混合液出口(6)连通；

鞘液流道，包括关于所述直聚焦流道(4)对称的左流道(8)和右流道(5)，所述左流道(8)及所述右流道(5)的第一端均与鞘液入口(7)连通，所述左流道(8)以及所述右流道(5)的第二端分别从两侧与所述直聚焦流道(4)连通。

2.根据权利要求1所述的微流道结构，其特征在于，所述不对称聚焦弯道(1)的第一端通过入口缓冲流道(2)与所述样品液入口(3)连通。

3.根据权利要求2所述的微流道结构，其特征在于，所述不对称聚焦流道、所述直聚焦流道(4)、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道(2)的横截面均为矩形，且上述各流道高度一致。

4.根据权利要求3所述的微流道结构，其特征在于，所述不对称聚焦流道、所述直聚焦流道(4)、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道(2)的高度均为50μm～100μm。

5.根据权利要求4所述的微流道结构，其特征在于，所述直聚焦流道(4)、所述鞘液流道以及所述入口缓冲流道(2)的宽度为300μm～500μm。

6.根据权利要求4所述的微流道结构，其特征在于，所述不对称聚焦弯道(1)的大弯道的宽度为350μm～650μm，曲率半径为780μm～1000μm，所述不对称聚焦弯道(1)的小弯道的宽度为200μm～350μm，曲率半径为150μm～500μm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的微流道结构，其特征在于，所述左流道(8)或者所述右流道(5)中鞘液流动方向与所述直聚焦流道(4)中样品液流动方向的夹角α满足40°≤α≤90°。

8.一种微流控芯片装置，其特征在于，包括：

芯片本体；

设置于所述芯片本体内且如权利要求1-7任一项所述的微流道结构，所述样品液入口(3)、所述混合液出口(6)以及所述鞘液入口(7)均开设在所述芯片本体的上表面上。

9.根据权利要求8所述的微流道结构，其特征在于，还包括输送装置以及提取装置(13)，所述输送装置包括与所述样品液入口(3)连通的第一输送泵(11)以及与所述鞘液入口(7)连通的第二输送泵(12)，所述提取装置(13)与所述混合液出口(6)连通。

10.根据权利要求8所述的微流道结构，其特征在于，所述芯片本体包括：

基板(9)，其上表面上开设有所述微流道结构；

盖板(10)，覆盖在所述基板(9)的上表面上，且所述样品液入口(3)、所述混合液出口(6)以及所述鞘液入口(7)开设于所述盖板(10)上。