CN106378213B - 基于介电泳的可变形微颗粒分离芯片 - Google Patents

基于介电泳的可变形微颗粒分离芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，由一级管道和二级管道相连接组成：在一级管道内设有电场，驱使可变形颗粒向着二级管道运动；二级管道分为上下两个管道，作为微颗粒运动后的分离管道。通过设置不同的电场强度和收缩口半径等参数，可以使待分离的微颗粒在通过收缩结构后向着不同方向的二级管道运动。本发明的优点在于：可变形微颗粒可以是生物细胞，在其分离的过程中不会破坏生物性质和活性；同时，通过设置不同参数使半径在一定范围内的颗粒都可以达到较好的分离效果，分离装置简易，实施过程的可操作性强，分离通道短，分离时间少，分离效率高。

Description

基于介电泳的可变形微颗粒分离芯片
技术领域
本发明涉及一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片。
背景技术
微颗粒的分离是一种对产品提纯的重要方法，这种技术不但可以获得纯度相对高的颗粒物质，而且是后续进行各种试验的保证；随着科学技术的发展，微颗粒的分离技术在生物研究、检测分析、环境科学、纳米技术及医学等领域都有着极其广泛的应用。
微尺度下，颗粒物的分离涉及到多种学科交叉的领域，是属于较为前沿的科学研究，其中涉及到流体力学、微加工及微制造等多个学科门类；利用微流控芯片体积小、成本低廉、对流体可控、试剂消耗较少、精度高等特点来对微尺度下的颗粒进行分离研究，从而达到最佳实验效果。
微流控芯片又称微型全分析系统，它以芯片为操作平台，通过精密设计微管道结构变化以及对微流体的有效控制来操控液体样品中微颗粒的移动、富集、捕捉等过程从而实现对样品的采样、反应、分离和检测；目前，微流体工作发展的重点应用领域是生命科学领域，具有广泛的应用前景。
现有几种常见的方法用于微颗粒的分离技术领域中，如化学控制方法、机械式控制方法、激光法、磁学控制方法、电场控制方法等；其中，化学控制方法在实际运用中往往对样品颗粒有着破坏性，同时实验存在不可逆性；磁学控制方法在试验前需要加入一定要求下的磁性材料，同样对颗粒有着破坏性，实验的步骤也较为繁琐，最终得到的实验结果具有一定的局限性。
介电电泳（DEP）技术主要的应用对象是不带电的中性颗粒，此技术和传统的电泳技术相比有着较高的可操作性。被研究的中性颗粒在外加电场的作用下会发生极化，进而在这些颗粒的内部会产生等量且异号的极化电荷，正是这些极化电荷在非均匀的电场下所受电场力无法相互抵消，所以会产生净力从而驱使颗粒运动，即介电电泳。
自从1978年将介电电泳引入到生物和化学领域，该技术就一直受到各国的重视并期与厚望使之发展完善，特别的，在解决细胞分离和操纵难题方面，介电电泳技术克服了传统电泳技术无法高效分离操作的困难。
介电电泳（DEP）分离技术具有许多优点，首先，此技术在研究颗粒运动过程中不需要标记抗体，从而可以避免在分离过程中的细胞因为发生抗体反应使得细胞的生物性质发生转变；其次，在研究过程中针对该技术设置的低强度交变电场对细胞的生物活性是非破坏性的，不会产生不可逆的生物变化，并且不会对细胞的分裂性质和正常生长产生影响；最后，这种介电电泳技术的使用相对灵活，电场强度，频率，相位，分离结构都容易设置和调控，便于自动化的操作，而且可以和其他方法结合，以达到最佳的实验效果。
在DEP力作用下所研究颗粒会改变其运动状态或趋势，通过区分不同颗粒在流体中所受DEP力的差异，进而产生不同的颗粒轨迹来达到颗粒分离的目的；这些颗粒在非均匀电场的作用下所受的DEP力有两种，一种是颗粒从低电场区域被吸引至高电场的区域，称为正介电电泳（pDEP）,另一种是颗粒从高电场区域被吸引至低电场的区域，称为负介电电泳（nDEP）。
发明内容
本发明提供一种在微流控领域中基于介电泳的可用于细胞颗粒分离的微流控芯片，其分离速度快，分离通道短，能够实现对微颗粒分离轨迹的有效控制，达到较好的颗粒分离效果。
本发明采用的技术方案是：
一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，其特征在于：该分离装置由一级管道和二级管道组成；一级管道左端设有颗粒流体入口，同时在一级管道的尾部设置收缩结构；与收缩结构出口相连的二级管道，包含了二级管道上管道和下管道；在一级管道内施加和微流体流动方向一致的水平电场，二级管道的上管道和下管道接地。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明根据介电泳的原理，使得不同切向模量的颗粒在运动过程中发生形变的程度有所差异，因此待分离的颗粒也会受到不同的力；这些颗粒在通过微流控芯片收缩结构时被抛出不同的轨迹进入到二极管道内，从而达到了颗粒分离的目的。
一级管道内收缩结构的半径r1和r2大小设置对颗粒的运动轨迹产生一定的影响，这是由于一级管道尾部结构的变化从而改变了管道的电场强度分布，即可以通过改变r1和r2的数值从而选择具有不同切向模量的颗粒进入到预期的管道中。
电场强度采用较小的数值，使得颗粒在运动过程中不破坏其生物活性的同时达到较好的分离效果。
本发明的目的是通过充分利用微流控芯片和介电泳技术带来的优势，改变微流控芯片的结构，以相对简单的步骤和实际装置，缩短颗粒分离长度，减少颗粒分离时间，达到较高的颗粒分离效率，同时减小分离体积、缩减成本，为微流控芯片领域的后续研究提供了宝贵的经验。
附图说明
图1为本发明新型的结构示意图；
图中：流体从左端流入，微颗粒设置在一级管道靠近下管道壁的位置，流体分别从二级管道上管道a和下管道b流出；w为一级管道的宽度，r1和r2 是收缩结构内两个四分之一圆的半径；一级管道和二级管道相连，二级管道设有上管道出口a和下管道出口b。
图2为颗粒起始位置的单元结构示意图；
图中：待分离的颗粒圆心为Op ,颗粒半径为rp，颗粒圆心距下管壁的距离为dp。
图3为不同切向模量的颗粒在通过收缩结构时Y方向上的受力仿真图；
图中：Y方向上幅值波动较大的是颗粒变形后的受力曲线；波动较小的是未变形颗粒的受力曲线；r1和r2设定的数值分别为60µm和120µm；圆形颗粒的半径为5µm,变形后椭圆形短半径为4µm，长半径为6.25µm。
图4为三种具有不同切向模量颗粒的运动轨迹；
图中：三条颗粒轨迹运动曲线,其中颗粒所具有的切向模量由上至下分别为G=200Pa, G=60Pa, G=20Pa。r1和r2设定的数值分别为60µm和120µm，电场强度的大小为30V/m。
图5为切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa颗粒的运动轨迹；
图中：图5a为切向模量G=20Pa的颗粒轨迹，图5b为切向模量G=200Pa的颗粒轨迹；r1和r2设定的数值分别为60µm和120µm，电场强度的大小为30V/m。
图6为切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa颗粒运动时的速度分量图；
图中：图6a为与流体流动方向一致的颗粒速度曲线；图6b为垂直于流体流动方向的颗粒速度曲线；r1和r2设定的数值分别为60µm和120µm，电场强度的大小为30V/m。
图7为具有不同切向模量的颗粒在不同电场强度下的运动轨迹；
图中：颗粒运动轨迹由上至下依次是切向模量G=200Pa电场强度为30V/m的颗粒轨迹、切向模量G=200Pa电场强度为20V/m的颗粒轨迹、切向模量G=20Pa电场强度为30V/m的颗粒轨迹、切向模量G=20Pa电场强度为20V/m的颗粒轨迹、切向模量G=200Pa电场强度为10V/m的颗粒轨迹、切向模量G=20Pa电场强度为10V/m的颗粒轨迹；r1和r2设定的数值分别为60µm和120µm。
图8为在r1和r2不同数值设定下的颗粒轨迹；
图中：图8a中r1和r2设定的数值分别为90µm和90µm；图8b中r1和r2设定的数值分别为80µm和100µm; 图8c中r1和r2设定的数值分别为40µm和140µm；图8d中r1和r2设定的数值分别为30µm和150µm；电场强度的大小为30V/m。
具体实施方式
一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，采用PDMS为材料，经过光刻、显影等工艺步骤制得SU8模具；然后将与固化剂混合过的PDMS材料涂于模具上，经过加热固化后脱模制得PDMS阴模；再将与固化剂混合过的PDMS材料涂于PC片上，再加热固化后脱模制得PDMS平板；PDMS阴模与平板键合所得微结构即为所述微流控芯片结构。
为了更好的分离出颗粒，在本发明中使用切向模量作为不同颗粒的区分标志。切向模量G是材料特性，与受力环境等均无关。
在外加电场下，分别计算圆形和椭圆形的DEP力，这时发现这两种不同形状的颗粒所受的DEP力相同。为了更好的比较DEP力的差异，本发明将不同颗粒处于静止的稳定状态，并且设置颗粒中心离通道壁面的距离相同。
在图1中，两种颗粒的切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa,在运动过程中随着通道逐渐收缩，电场强度也不断增加，使得施加在不同颗粒上的电应力也逐渐增加，正是这一变化引起了具有较小切向模量的颗粒产生微小形变。
在图3中，研究发现在y方向上，未形变的圆形颗粒所受的DEP力要大于颗粒变形为椭圆形后所受的DEP力，从而使得在通过收缩结构时圆形颗粒将会比椭圆形颗粒运动的更远，圆形颗粒也会更加容易地运动到二级管道的上管道中。
从图4中可以看出，在相同的流体和外加电场下不同切向模量的颗粒的运动轨迹是不同的，其中：不同颗粒在运动过程中发生形变的同时，也会受到不同的驱动力和麦克斯韦应力，然后在其通过收缩结构时被抛出不同的轨迹，达到了分离的目的；起初，在两种颗粒运动到一级管道的收缩结构前，它们每刻的速度大小是相同的，因此这一部分的运动轨迹也基本一致；然后在运动到收缩结构时不同颗粒的速度开始发生了变化，从而改变了运动轨迹。
图5是切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa颗粒的运动轨迹，其中：电场引起了切向模量G=20Pa的颗粒的变形，但是对切向模量G=200Pa的颗粒几乎没有产生影响。
电场强度的设置调节会对不同颗粒的分离产生一定的影响，在本发明中，先后设置了几种不同数值大小的电场，分别是10V/m, 20V/m和30V/m,同时，为了达到更好的分离效果，选用切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa的颗粒完成实验，实验结果如图7，其中：自上往下1,2,5条线是切向模量G=200Pa的颗粒运动轨迹，3,4,6条线是切向模量G=20Pa的颗粒运动轨迹；从图中可以看出，在相同的切向模量下，电场强度越大，颗粒的运动轨迹越靠近二级管道的上管道；而且，电场强度增加时，不同切向模量的运动轨迹也不同；为了更好地分离颗粒进入不同二级管道中，应当采用相对较高的电场强度，同时为了不对颗粒产生破坏性影响，电场强度不宜设置太高，经过实验我们发现在电场强度为20V/m至30V/m时，可以达到较高的颗粒分离程度。
收缩结构中两圆弧的半径同样会对颗粒的分离产生影响，在本发明中，圆弧半径r1和r2设定的数值大小会引起颗粒运动轨迹的变化，实验结果如图8，其中：在运动初始，颗粒被设置在一级管道内靠近下通道壁的位置；当运动到收缩结构时，颗粒会逐渐地远离通道壁，使得通道壁和颗粒之间有一个更大的距离；然后通过改变圆弧半径r1和r2的大小来控制离开收缩结构的运动轨迹。
在图8a中，r1和r2的大小都设置为90µm时，切向模量分别为G=20Pa和G=200Pa的两种颗粒都进入到了二级管道的下管道中，这说明阻力太小导致它不足以推动颗粒运动到二级管道轴线的位置；为了达到更好的分离效果，实验需要设置适当大小的r1和r2 数值使得切向模量为G=200Pa的颗粒在运动中能产生足够的力将其推至二级管道中心线的位置，同时让切向模量为G=20Pa的颗粒运动至中心线以下的位置。
在图8b中,实验将r1和r2的大小分别调整到80µm和100µm,可以明显看出，切向模量为G=200Pa的颗粒顺利地穿过了二级管道的中心线进入到了上管道出口，切向模量为G=20Pa的颗粒经过运动进入到了下管道出口，达到了较好的分离效果。
在图8c中, 将r1和r2的大小分别调整到40µm和140µm,通过实验可以看出，切向模量为G=200Pa的颗粒穿过了二级管道的中心线进入到了上管道出口，切向模量为G=20Pa的颗粒经过运动进入到了下管道出口，同样完成了颗粒的分离，值得注意的是，此时切向模量为G=20Pa的颗粒在二级管道的运动轨迹几乎在上管道的边缘位置。
在图8d中,将r1和r2的大小分别调整到30µm和150µm,在这种情况下，切向模量为G=200Pa的颗粒穿过了二级管道的中心线进入到了上管道出口，同时切向模量为G=20Pa的颗粒经过运动也进入到了上管道出口，没有完成颗粒的分离。
通过实验结果得出，利用介电泳的方法使不同的颗粒发生形变再通过控制颗粒的运动轨迹从而区分拥有不同切向模量颗粒的方法是可行的。
设置在一定范围内的电场强度既可以保留微小颗粒的活性，例如生物细胞，同时可以达到较好的颗粒分离效果，一般设置电场强度为20V/m至30V/m。
此微流控芯片一级管道的参数设置影响了颗粒的分离，r1的范围设置在40µm至80µm, r2的范围设置在100µm至140µm，同时此芯片的加工技术已经成熟，便于实际制造的大批量生产。

Claims (5)

1.一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片,其特征在于：该颗粒分离装置由一级管道（A）和二级管道（B）组成一级管道（A）左端设有颗粒流体入口（2）,同时在一级管道（A）的尾部设置收缩结构（3），与收缩结构出口相连的二级管道（B），包含了二级管道（B）上管道（a）和下管道（b）在一级管道（A）左内施加和微流体流动方向一致的水平电场（E）,二级管道（B）的上管道（a）和下管道（b）接地；一级管道（A）宽度设定为200um，芯片内待分离的颗粒半径设定为5 um，颗粒中心离一级管道（A）下管道壁距离为10 um，收缩结构（3）的两个四分之一圆的半径r1和r2之和等于180 um，并且收缩结构（3）尾部与二级管道（B）相连接,单元放大结构（1）内待分离颗粒设置在一级管道（A）距离下壁面dp为10 um。
2.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，其特征在于，一级管道（A）和二级管道（B）的水平中心线重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，其特征在于，二级管道上管道（a）和下管道（b）关于水平中心线对称。
4.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，其特征在于，收缩结构（3）内的半径r1的范围设置在40 um至80 um，半径r2的范围设置在100 um至140 um。
5.根据权利要求1所述的一种基于介电泳的可变形颗粒分离的微流控芯片，其特征在于，电场强度E,其大小不超过30V/m，方向和流体流动的方向一致,由一级管道（A）水平指向二级管道（B）。
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