CN107159326B - 基于增强型二次流的惯性聚焦芯片 - Google Patents

基于增强型二次流的惯性聚焦芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，属于微流控技术领域。该芯片两个芯片层键合而成，其中之一的芯片层键合面上有微通道，微通道两端分别连接入口和出口；其特征在于，所述微通道为一带曲率通道，所述曲率通道产生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干个凸台结构，使得所述通道为变截面通道，产生第二二次流(几何结构引起的二次流)。所述微流控芯片可用于微粒或细胞的分选、分离、计数、检测等方面，同样适用于流体混合、样品预处理等场合。本发明通过同时采用两种二次流的惯性聚焦芯片，流体在流动时会产生两种二次流，同时保证了两种二次流的方向相同，使其相互叠加，提高了二次流的强度，增强了二次流的引导作用。

Description

基于增强型二次流的惯性聚焦芯片
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及的是一种惯性聚焦微流控芯片。
背景技术
文献“Three dimensional,sheathless,and high‐throughput microparticleinertial focusing through geometry‐induced secondary flows[J].Small,2013,9(5):685-690.”公开了一种基于几何结构引起二次流的惯性聚焦芯片。该芯片采用了一种带有单侧台阶的微通道结构，通道截面在台阶边缘发生突变，通道内的流体会在突变处发生弯曲，形成弯曲流，从而产生了几何结构引起的二次流。同时，由于惯性效应，微通道中的微粒受到流体流动的影响，在经过一定长度的运动之后，会逐渐迁移到某几个固定位置处。通过几何结构引起二次流的引导作用和流体的惯性效应，微粒会逐渐运动到单一的稳定位置，实现良好的聚焦效果和聚焦效率。文献中公开的基于单一二次流的惯性聚焦方法，其二次流强度通常较弱，引导作用不明显。基于该方法所设计的微通道结构，其截面尺寸较小(84μm×41.5μm)，通道长度较长(50mm)，微粒的悬浮液在微通道中流动时会受到很高的流动阻力，因此在驱动液体时需要较高的驱动压力；同时，较小的截面尺寸和较长通道长度也会增加微粒堵塞微通道的概率，实验成功率较低。
发明内容
为解决现有惯性聚焦方法中存在的单一二次流引导效率低的问题，本发明提供了一种能够增加二次流强度的惯性聚焦方法。该方法同时利用两种已知的二次流：弯曲通道产生的迪恩流和突变通道产生的几何结构引起的二次流，并使这两种二次流相互叠加，从而增加二次流的强度，提高其引导效率，可以保证在二次流强度增加的同时扩大微通道的截面积和缩小微通道的长度，从而降低了流体的驱动压力和微通道堵塞的概率，进一步提高惯性聚焦的效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，由两个芯片层键合而成，其中之一的芯片层键合面上有微通道，微通道两端分别连接入口和出口；其特征在于，所述微通道为一带曲率通道，其形状不限，可为弧形、蛇形等任意形状，所述曲率通道产生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干个凸台结构，其形状不限，可为圆柱形、立方体形等任意形状，使得所述通道为变截面通道，产生第二二次流(几何结构引起的二次流)；所述凸台结构位于通道壁曲面为凸的一侧，使得第一二次流与第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或玻璃等其中的一种或多种；所述微流控芯片可用于微粒或细胞的分选、分离、计数、检测等方面，同样适用于流体混合、样品预处理等场合。
所述凸台结构其径向尺寸越大，则微通道截面变化率越大，第二二次流的强度就越大；所述微通道结构可以将第一二次流和第二二次流的效果叠加，增加二次流的强度。
本发明的有益效果：通过同时采用两种二次流的惯性聚焦芯片，具体如下：
一、选取可以产生第一二次流(迪恩流)的微通道结构作为主通道。流体在简单弯曲通道内流动时，由于受到离心力的作用，导致中心区域流速较快的流体向离心力的方向运动，根据质量守恒定律，四周流速较慢的流体就会沿着通道上下表面向相反的方向回流，从而在通道横截面方向上形成两个上下对称的旋转方向相反的迪恩流。迪恩流通常在具有曲率的微通道中产生，微通道类型包括：任意弯曲形微通道、环形微通道、蛇形微通道等。
二、选取可以产生第二二次流(几何结构引起的二次流)的微通道结构作为辅助结构。在突变通道中，在凸台等障碍结构的影响下，在通道内突变的位置处会形成小型的弯曲流，由于该弯曲流的作用，该截面处同样会形成和上述相同的几何结构引起的二次流。几何结构引起的二次流通常在具有突变结构的微通道中产生，微通道类型包括：具有任意形状凸台结构的微通道和具有任意形状微柱结构的微通道等。
三、将上述两种能产生不同二次流的微通道结构按照合适的方式组合在一起，辅助结构位于主通道壁曲面为凸的一侧，在保证其能同时产生两种二次流的条件下，使二次流的流动方向相同，产生相互叠加的效果，得到增强型的二次流，提高惯性聚焦的效率。
由于同时采用了两种不同类型的复合式微通道结构，流体在流动时会产生两种二次流，同时保证了两种二次流的方向相同，使其相互叠加，提高了二次流的强度，增强了二次流的引导作用。与此同时，可以适当增加微通道的截面尺寸和缩短微通道的长度，保证惯性聚焦实验的成功率。
附图说明
图1是一种圆环形微通道的结构示意图。
图2是圆环形微通道截面内产生的二次流矢量分布图。
图3是具有单侧凸台的微通道结构示意图。
图4是微通道截面内产生的二次流矢量分布图。
图5是本发明方法的一种微通道结构示意图。
图6是本发明方法中微通道截面内产生的二次流矢量分布图。
图7是实施例1中的聚焦芯片微通道结构图。
图8是实施例1中荧光微球聚焦的条纹图。
图9是实施例1中荧光条纹的亮度分布图，纵轴表示荧光强度，横轴表示微通道宽度。
图10是实施例2中的聚焦芯片微通道结构图。
其中：1-入口，2-圆环形微通道，3-凸台结构，4-微通道截面，5-出口，6-微通道壁，7-荧光微球的聚焦条纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：
本实施例中基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，由两个芯片层键合而成，参照图5，其中之一的芯片层键合面上有微通道，微通道两端分别连接入口1和出口5，所述主通道为圆环形微通道2，它产生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干个凸台结构，其形状为方形，使得所述通道为变截面通道，产生第二二次流(几何结构引起的二次流)；所述凸台结构位于通道壁曲面为凸的一侧，使得第一二次流与第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或玻璃等其中的一种或多种；所述微流控芯片可用于微粒或细胞的分选、分离、计数、检测等方面，同样适用于流体混合、样品预处理等场合。
为了考察本实施例中基于增强型二次流的惯性聚焦芯片的效果，参照图1和2，当惯性聚焦芯片仅有圆环形微通道2，利用仿真软件对该微通道内的流体流动进行仿真计算，得到微通道截面4处的二次流流动矢量图，其中心方向向左，流速为0.02m/s。
参照图3和4，当仅在通道壁面上分布有若干个方形凸台结构使得所述通道为变截面通道时，在相同仿真条件下，横截面4内的二次流流动方向向左，流速为0.26m/s。
参照图5和6，当同时具备本实施例中的圆环形微通道2及若干个方形凸台结构形成的变截面通道时，在相同仿真条件下，横截面4内的二次流流动方向向左，流速为0.31m/s。
按照上述仿真结果和聚焦芯片的结构示意图，设计最终的微流控聚焦芯片，参照图7，在圆环形微通道的内侧等间距的分布有15个凸台结构，凸台长度(弧长)为210μm，对应圆心角为4°，凸台的宽度为150μm，高度为50μm，相邻两个凸台之间的距离(弧长)为610μm，对应圆心角为12°。
所述微流控芯片使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)软光刻工艺制作，一种优选的具体制备方法为：
(1)光刻。使用SU-8厚胶光刻工艺在单抛硅片上制作SU-8模具。
(2)表面处理。使用100μL六甲基二硅杂氮烷试剂(HMDS)在真空干燥箱中对SU-8模具进行表面处理，在常温下保持1小时。
(3)浇铸和固化。将单体和固化剂配比为10：1的PDMS混匀，利用真空箱抽真空去除混合液中的气泡，之后将PDMS浇铸于SU-8模具上，并置于60℃恒温箱中烘烤5小时，使其固化。
(4)脱模和打孔。将固化后的PDMS脱模，并使用外径为0.7mm打孔器在入口和出口处打孔作为管路接口。
(5)键合。使用电晕放电仪处理PDMS，并与玻璃载玻片贴合，然后置于100℃恒温箱中烘烤1小时，完成键合，得到完整的微流控芯片。
参照图8和9，使用荧光微球对该芯片进行聚焦实验，验证其聚焦效果。选用10.7μm的荧光微球，使用去离子水(DI water)配制微球浓度为105个/mL的悬浮液。使用恒压泵驱动混合液，驱动压力为60kPa，此时混合液的流量约为220μL/min，雷诺数为29.3。使用倒置式荧光显微镜观察实验结果，得到微球的荧光条纹图，可以看出，出口处微球完全聚焦成一条直线，芯片实现了良好的聚焦性能。利用处理软件对所得的荧光条纹图进行处理，可以得到荧光强度分布图。通过计算荧光强度曲线，可以得到其半最大值全宽度(FWHM)，即荧光微球的聚焦宽度，以及荧光条纹的位置，即微球的聚焦位置。在上述实验条件下，计算所得的微球聚焦宽度为11.3μm，聚焦位置位于通道内壁66μm处，相比于微球的直径，该聚焦宽度已经足够窄小。
由于使用了复合式微通道结构，二次流的强度增加了20％，其引导作用明显加强，通道的截面尺寸(200μm×50μm)扩大了2.8倍，长度缩短到一半，有效地降低了微通道堵塞的概率，提高了芯片的聚焦效果。
实施例2：
本实施例中基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，由两个芯片层键合而成，参照图10，其中之一的芯片层键合面上有微通道，微通道两端分别连接入口1和出口5，所述主通道为弯曲形微通道，它产生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干个凸台结构，其形状为圆柱形，使得所述通道为变截面通道，产生第二二次流(几何结构引起的二次流)；所述凸台结构位于通道壁曲面为凸的一侧，使得第一二次流与第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或玻璃等其中的一种或多种；所述微流控芯片可用于微粒或细胞的分选、分离、计数、检测等方面，同样适用于流体混合、样品预处理等场合。

Claims (2)

1.一种基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，由两个芯片层键合而成，其中之一的芯片层键合面上有微通道，微通道两端分别连接一个入口和一个出口；其特征在于，所述微通道为一带曲率通道，所述曲率通道产生第一二次流；通道壁面上分布有若干个凸台结构，使得所述通道为变截面通道，产生第二二次流；所述凸台结构位于通道壁曲面为凸的一侧，使得第一二次流与第二二次流同向；所述带曲率通道形状不限，凸台形状不限。
2.一种如权利要求1所述的基于增强型二次流的惯性聚焦芯片，其特征在于，所述微流控聚焦芯片材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或玻璃其中的一种或多种。
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