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一种基于负磁泳技术的微粒子分选器 Download PDF

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Abstract

本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及一种基于负磁泳技术的微粒子分选器。一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，由基片一和基片二键合而成，所述基片一上开设有用于导入含不同微粒子的液体进口、和用于导出分选后的微粒子的出口；所述基片二内开设有与基片一的进口和出口均相连的分选通道，该分选通道包括前壁面和后壁面，所述后壁面内嵌有可驱动微粒子产生横向负磁泳运动的永磁铁。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、利用负磁泳技术、分选效率高和精度高的微粒子分选器。

Description

一种基于负磁泳技术的微粒子分选器
技术领域
本发明属于微流控系统技术领域，尤其涉及一种基于负磁泳技术的微粒子分选器。
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。当粒子尺寸较大时，可以采用水动力学分离；而颗粒密度与水相差较大时，可以采用重力或惯性分离；当粒子尺寸不大且与水的密度差也不大时，可以利用弯曲通道、扩张-收缩通道产生Dean流等，强化粒子的惯性迁移效应，以达到分选的目的。然而，当粒子尺寸在1-20微米（如，血小板尺寸2-4微米，红细胞尺寸为7-8微米，白细胞尺寸为10-20微米），且粒子密度与水十分接近时（1.05-1.06 g/cm3），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、热泳和磁泳等。
目前，1-20微米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1-20微米粒子分选器而言，由于粒子尺寸小，分选器精度要求高，粒子雷诺数也通常很小，惯性分选对其已经难以达到所需的精度。由于电泳对粒子的介电性能有要求、磁泳需要粒子与磁珠结合，光泳、声泳等对生物粒子有损伤，而热泳则需要集成加热器并对其进行控制，分选系统复杂。而负磁泳则是利用非磁性粒子与载液之间磁导率的不同，从而在非均匀磁场中受到磁场力的驱动而对1-20微米粒子进行分选的。
由于目前常用分选器难以适应1-20微米粒子的高精度分选，也存在分选效率差等缺点，为了强化微粒子的跨流线效应，研究基于负磁泳技术的粒子分选很有意义。
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、利用负磁泳技术、分选效率高和精度高的微粒子分选器。为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，由基片一和基片二键合而成，所述基片一上开设有用于导入含不同微粒子的液体进口、和用于导出分选后的微粒子的出口；所述基片二内开设有与基片一的进口和出口均相连的分选通道，该分选通道包括前壁面和后壁面，所述后壁面内嵌有可驱动微粒子产生横向负磁泳运动的永磁铁。永磁铁可产生通道宽度方向上的磁场梯度，为驱动微粒子产生负磁泳运动服务。由于不同大小粒子在相同磁场梯度下受到的反向的磁场力不同，从而产出不同的横向迁移，达到粒子根据尺寸进行分离的目的，最后通过不同的出口导出。
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，负磁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，负磁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：
所述基片二的分选通道包括相连通的第一通道和第二通道，第一通道的前端与基片一的进口相连通，第二通道的末端与基片一的出口相连通，液体自基片一的进口导入依次通过基片二第一通道和第二通道后从基片一的出口导出。
所述分选通道还包括扩张通道，该扩张通道设于第一通道和第二通道之间；所述第一通道和第二通道均为直通道，且第二通道的宽度大于或等于第一通道的宽度。
所述第二通道的宽度大于第一通道的宽度时，扩张通道的横截面为自液体流向方向宽度渐大的直角梯形，扩张通道是为了将不同尺寸粒子进一步分开，以便微粒子导入到不同的出口通道。
所述基片一的进口个数为二个，所述基片一的出口个数至少为二个，该出口个数与分选级数相同，或该出口个数为分选级数加一。
所述基片二的第一通道前部设有一块进口隔板，该进口隔板将第一通道的前部分隔成两个进口通道，所述基片二的第二通道的末部设有多个出口隔板，该出口隔板将第二通道的末部分隔成多个出口通道；所述两进口通道分别与基片一的两进口对应连通，所述出口通道分别与基片一的出口对应连通且出口通道的个数与出口个数相同。
所述永磁铁的个数为二个、或三个、或四个，永磁铁是在基片一和基片二键合前嵌入基片一中，可根据需要分离的精度和效率设置永磁铁的个数，以跟入口速度匹配产生足够的横向迁移距离。
所述永磁铁设于第一通道处，离永磁铁越近产生的负磁泳力越大，因此永磁铁需设于第一通道处。
本发明的优点是：将非磁性的微粒子在非均匀磁场中产生负磁泳迁移效应作为基础，使不同尺寸的微粒子产生不同的横向迁移距离，并与入口速度进行匹配，以控制不同尺寸粒子的聚焦位置，从而保证了微粒子的分选效率和分选精度。同时，避免了如生物微粒子在光泳和声泳作用下的损伤，又避免电泳、磁泳等作用下因微粒子磁电性能不同而影响分选效果，还避免热泳分选器必须的加热器和控制系统的集成等。本发明基于负磁泳热的微粒子分选器，分选精度高，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。
附图说明：
图1为本发明一种基于负磁泳技术的微粒子分选器的原理图。
图2为本发明一种基于负磁泳技术的微粒子分选器的结构图。
图3为本发明一种基于负磁泳技术的微粒子分选器的实施例一实验数据图一。
图4微本发明一种基于负磁泳技术的微粒子分选器的实施例一实验数据图二。
其中，基片一1，基片二2，进口一3，进口二4，进口隔板5，第一通道6，永磁铁7，扩张通道8，出口隔板9，出口一10，出口二11，出口三12，出口四13，出口通道14，第二通道15。
具体实施方式
结合附图，对本发明提供的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器作进一步说明。
参照图1~图2，一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，由基片一1和基片二2键合而成。基片一1上开设有进口一3、进口二4和多个出口10~13，进口一3用于导入磁流体，而进口二4用于导入含不同微粒子的磁流体；出口不少于二个，用于导出分选后不同尺寸的微粒子，出口个数与分选级数有关，一般出口个数与分选级数相同。基片二2内设有第一通道6、扩张通道8和第二通道15，第一通道6由进口隔板5分开，分别与基片一1的进口一3和进口二4相连，第二通道15最后通过若干出口隔板9分成若干出口通道14，并与基片一1上的相应出口10~13相连通。
其中，基片二2的第一通道6边上嵌有一组永磁铁7，以产生非均匀磁场，从而驱动微粒子产生负磁泳迁移运动。
分选通道中的微粒子由于其尺寸不同，所受的负磁泳力也不同。其中，尺寸小的粒子所受负磁泳力小，产生的横向迁移距离小，粒子将会在出口一10或出口二11导出；相反，尺寸大的粒子所受负磁泳力也大，因此能产生的横向迁移距离就大，粒子将会在出口四13或出口三12导出，达到粒子分选的目的。由于距离永磁铁7越近，粒子受力越大，有利于粒子分离，因此含微粒子的进口二4应当靠近永磁铁7。另外，永磁铁7个数应与入口流动速度相匹配，当流动速度高时永磁铁7的个数应当增加。
实施例一，假设在进口二4导入含3、7、15微米粒子的磁流体，粒子密度为1055 kg/m3，入口速度为1-5mm/s，进入高度为600微米的分选通道后进行分选，三个永磁铁（最大磁强0.57T），在直通道部分最大能产生488、155、25微米的横向迁移距离，分别在出口一10、出口二11和出口四13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 (8)

1.一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，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微粒子的液体进口、和用于导出分选后的微粒子的出口；所述基片二内开设有与基片一的进口和出口均相连的分选通道，该分选通道包括前壁面和后壁面，所述后壁面内嵌有可驱动微粒子产生横向负磁泳运动的永磁铁。
2.根据权利要求1所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述基片二的分选通道包括相连通的第一通道和第二通道，第一通道的前端与基片一的进口相连通，第二通道的末端与基片一的出口相连通，液体自基片一的进口导入依次通过基片二第一通道和第二通道后从基片一的出口导出。
3.根据权利要求2所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述分选通道还包括扩张通道，该扩张通道设于第一通道和第二通道之间；所述第一通道和第二通道均为直通道，且第二通道的宽度大于或等于第一通道的宽度。
4.根据权利要求3所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述第二通道的宽度大于第一通道的宽度时，扩张通道的横截面为自液体流向方向宽度渐大的直角梯形。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述基片一的进口个数为二个，所述基片一的出口个数至少为二个，该出口个数与分选级数相同，或该出口个数为分选级数加一。
6.根据权利要求5所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述基片二的第一通道前部设有一块进口隔板，该进口隔板将第一通道的前部分隔成两个进口通道，所述基片二的第二通道的末部设有多个出口隔板，该出口隔板将第二通道的末部分隔成多个出口通道；所述两进口通道分别与基片一的两进口对应连通，所述出口通道分别与基片一的出口对应连通且出口通道的个数与出口个数相同。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述永磁铁的个数为二个、或三个、或四个。
8.根据权利要求7所述的一种基于负磁泳技术的微粒子分选器，其特征在于所述永磁铁设于第一通道处。
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