CN107159334B - 一种微流控移液器枪头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控移液器枪头，包括本体和外囊，所述本体包括设在本体尾部区域内的进液通道、沿本体圆周周向排布的若干个浓缩微流道、设在本体外表面的空白液体出口，以及设在本体头部区域内的出液通道；浓缩微流道包括直流道、分叉流道、中间流道和两路旁支流道，直流道一端与进液通道连通，另一端与分叉流道连通，中间流道一端与分叉流道连通，另一端与出液通道连通，两路旁支流道分别设在中间流道两侧，旁支流道的一端与分叉流道连通，另一端向本体外表面弯折并与空白液体出口连通。本发明结构简单，通量高，能利用微流体惯性效应来实现微米级粒子的浓缩。

Description

一种微流控移液器枪头

技术领域

本发明涉及一种移液器枪头，特别是一种用于微米粒子和细胞快速浓缩的微流控移液器枪头。

背景技术

微米粒子和细胞等有形固体成分的浓缩是广泛应用于生化、医药、食品和环境等行业的技术手段。传统的微粒或细胞浓缩借助微孔膜过滤或者高速离心来实现。微孔膜过滤通过选择孔隙小于微粒或细胞尺寸的滤膜，使微粒或细胞被阻隔于膜上，滤掉空白液体来提升样品的浓度。但如何将微粒或细胞从微孔膜上洗脱收集仍是一个艰巨的挑战。另外，微孔膜过滤方法存在膜孔堵塞、浓缩效率低及滤膜通用性差等问题。

高速离心是有形固体成分浓缩中的金标准方法，也是目前使用最为广泛和成熟的方法。该方法借助高速旋转产生的足够强离心力使得有形固体成分沉降至离心管底部，然后通过移除上清液来实现样品浓度的提升。但过高的离心力会对细胞等柔性生物成分产生不可逆损伤，损失宝贵的样品资源。同时，专业的操作方法体系需要借助外部电源和昂贵离心设备限制了该方法在野外及低硬件配置实验室等环境中的使用。另外，高速离心方法并不适用于浓缩样品液中目标微粒或细胞成分含量非常低的情况。

微流控技术通过设计独特的微流道来控制样品的传输、聚焦、排列、分选和捕捉等样品预处理功能。具有硬件成本低、所需样品量少，操作效率高等显著优点。然而对于微流控微粒/细胞浓缩目前仍停留在实验室层级的研究。研究者借助软光刻技术制备器件，采用注射泵注入样品实现微粒/细胞的浓缩，且样品处理通量非常低。因此，目前仍旧缺乏可直接与实验室常用简单工具连用的器件和高通量微流控浓缩方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种微流控移液器枪头，使用该枪头可实现给定尺寸细胞或其他微米级粒子的连续高效浓缩。

技术方案：本发明所述的一种微流控移液器枪头，包括本体和外囊，所述本体包括设在本体尾部区域内的进液通道、沿本体圆周周向排布的若干个浓缩微流道、设在本体外表面的空白液体出口，以及设在本体头部区域内的出液通道；浓缩微流道包括直流道、分叉流道、中间流道和两路旁支流道，直流道一端与进液通道连通，另一端与分叉流道连通，中间流道一端与分叉流道连通，另一端与出液通道连通，两路旁支流道分别设在中间流道两侧，旁支流道的一端与分叉流道连通，另一端向本体外表面弯折并与空白液体出口连通；所述外囊套在本体外部，并与本体之间形成空腔，空腔与空白液体出口连通。

本发明工作原理：样品液通过移液器以特定的流速注入本体的进液通道，再经过浓缩微流道浓缩处理；在直流道中，样品液中的微米粒子受到流体拖拽力的作用而沿着流动方向运动，由于直流道中伯啸叶流的抛物线型速度剖面，微米粒子将受到指向壁面的剪切诱导惯性升力的作用朝着壁面运动，当微米粒子靠近壁面时，微米粒子自转而旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生一个指向直流道中心线的壁面诱导惯性升力。基于微流体的惯性效应，微米粒子在直流道与分叉流道连通处聚焦至中心平衡位置，空白液流入两路旁支流道，自空白液体出口导入本体与外囊形成的空腔，而浓缩后的样品液从中间流道流入出液通道，导出收集备用。

其中，所述进液通道包括样品入口和储液池；样品入口设在本体尾部，储液池一端与样品入口相连通，另一端与浓缩微流道的直流道连通。样品入口用于接入常规移液器枪头，常规移液器枪头插入样品入口并与样品入口通过过盈配合实现紧密连接。

所述出液通道包括样品液体收集腔、渐窄导流通道和样品出口；样品液体收集腔一端与浓缩微流道的中间流道连通，另一端与渐窄导流通道连通，渐窄导流通道的另一端为样品出口，样品出口设在本体头部。样品液经过浓缩后从中间流道流入样品液收集腔，再流经渐窄导流通道，自样品出口导出。

所述直流道的横截面尺寸和待浓缩粒子尺寸的关系为：

a_p/Lc≥0.07

其中：a_p为浓缩粒子的最大直径；Lc为直流道的特征尺寸。

所述外囊尾部内表面和本体尾部外表面分别设有相对应的非密封螺纹，本体通过非密封螺纹旋紧在外囊内部，枪头本体头部与外囊接触并且密封，以防止空白液体再次接触样品液。空腔通过非密封螺纹连通外部大气，以保证空白液体的顺利引入。

本发明所述的微流控移液器枪头的使用方法，其步骤如下：

(1)移液器装上常规移液器枪头，按照移液器使用规程吸取待浓缩粒子样品液；

(2)将常规移液器枪头插入微流控移液器枪头进液通道，两者通过过盈配合实现紧密连接；

(3)按压移液器，样品经过浓缩后由出液通道导出，用目标样品管收集备用；

(4)使用完毕，将常规移液器枪头和微流控移液器枪头整体取下丢弃，或者将外囊单独取下，把外囊中储存的空白液体倒入废液池。

有益效果：本发明的浓缩微流道结构通过适当调整样品液的流速，突破传统微流控中低雷诺数的观念，巧妙的利用微流体惯性效应来实现微米级粒子的高通量、连续流浓缩；本发明结构简单、通量高；仅需控制直流道的横截面尺寸和流道总体长度，无需借助外力场；同时，本发明通过移液器注入样品液，实现对样品液的浓缩，有效的降低了浓缩器件的成本，本发明体积小、使用方法简单，工作效率高。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的浓缩微流道结构示意图；

图4是本发明的若干个浓缩微流道周向排布示意图；

图5是本发明的浓缩微流道浓缩原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明所述的微流控移液器枪头包括本体1和外囊2。组件可通过注塑成型、机加工或者3D打印方式得到，本体1优先采用3D打印整体一次成型，从而获得精度较高的零部件，或者也可以通过精密加工多个组件，经过配合组装而成。本体1和外囊2通过设置在各自尾部相对应的非密封螺纹11旋紧连接，两者之间形成空腔5。空腔5与设置在本体1外表面的空白液体出口4连通，用于存储空白液体，空腔5通过位于尾部一端的非密封螺纹11与外部保持连通，以防止空腔5内部压力过高，保证空白液体顺利引入空腔5；在空腔5另一端，本体1头部外表面与外囊2内壁紧密接触并形成密封，以此阻隔空白液，避免空白液接触浓缩后的样品液。本体1还设有样品入口6、储液池7、若干个沿本体1圆周周向排布的浓缩微流道3、样品液收集腔8、渐窄导流通道9，以及样品出口10；其中，样品出口10设置在本体1头部，其他各组件设置在本体1内部；样品入口6设在本体1尾部区域，为自本体1尾部深入的倒圆台形通道，用于插入市面上普通移液器的枪头，样品入口6通过过盈配合以实现与普通移液器枪头之间的紧密连接；样品入口6与储液池7连通，储液池7与若干个浓缩微流道3连通，储液池7体积小于普通移液器枪头的容积，以保证有足够的压力驱动样品液进入浓缩微流道3中。浓缩微流道3包括直流道31、分叉流道32、中间流道33和两路旁支流道34；直流道31的横截面为低深宽比矩形，低深宽比矩形是指宽度比高度大很多的矩形，本实施例中，圆周方向的长边为直流道31的宽度，而沿径向的短边为直流道31的高度。直流道31一端连通储液池7，另一端与分叉流道32连通；分叉流道32的分叉比例可根据样品对象的尺寸和浓度来进行调整，从而便于优化浓缩效率，分叉流道32将浓缩微流道3分成一路中间流道33和两路旁支流道34，中间流道33一端与分叉流道32连通另一端与样品液收集腔8连通，两路旁支流道34分别设置在中间流道33两侧，旁支流道34一端与分叉流道32连通，另一端向本体1外表面弯折并连通位于本体1外表面的空白液体出口4。样品液体收集腔8与渐窄导流通道9连通，渐窄导流通道9另一端为设在本体头部的样品出口10。

如图5所示，本发明浓缩微流道3的浓缩原理：用特定流速往直流道31内注入微米粒子悬浮液后，直流道31入口区域的微米粒子12随机排布，微米粒子12将受到流体拖拽力F的作用而沿着流动方向运动。在一定流速条件下，由于直流道31中伯啸叶流的抛物线型速度剖面，微米粒子12受到指向壁面剪切诱导惯性升力F3的作用而朝着壁面运动。当微米粒子12靠近壁面时，由于微米粒子12因为自转而旋转产生的对称尾迹被壁面影响而产生一个指向直流道31中心线的壁面诱导惯性升力F2。当微米粒子12尺寸和直流道31尺寸满足：a_p/Lc≥0.07，其中：a_p为微米粒子12得直径；Lc为直流道的特征尺寸；本实施例中，对于低深宽比矩形横截面的直流道31的特征尺寸可用短边估算，即可用径向方向的矩形高度估算，满足该条件的微米粒子12将在上述剪切诱导惯性升力F3和壁面诱导惯性升力F2的共同作用下，基于微流体管惯性效应，在直流道31出口区域聚焦至中心平衡位置，分叉流道32起到分流空白液体的作用，将空白液从两路旁支流道34引出，而浓缩后的样品液则从中间流道33流出并被收集。对于等分结构的分叉流道32，理论上单次浓缩可以去掉三分之二的空白液体，从而将样品液微米粒子浓度提升三倍。如果设置成非等分分叉流道32，缩小中间流道33的宽度可进一步提高单次的浓缩率。浓缩微流道3中的矩形横截面的直流道31仅需满足矩形横截面符合特定粒子的平衡聚焦，直流道31的通道长度能使符合要求的粒子均能迁移至平衡位置即可。

如图4所示，所述的微流控移液器枪头，本体1内设置40条周向排布的浓缩微流道3，浓缩微流道3设在本体1的实体材料内，可通过3D打印直接在塑料材料内打印加工，或者将本体1进一步细化成多个零部件组装而成。在保证本体1内部结构不变形的情况下，可以根据需要增加或者减少浓缩微流道3的数量。浓缩微流道3可以通过改变样品液驱动流速条件使其完成多种不同尺寸细胞或者微米粒子的高通量浓缩。所述枪头可广泛适用于检测血样中血细胞的浓缩和血浆的提取、城市污水中多种微米级杂质的去除及稀有细胞的富集等场合。

本发明所述的微流控移液器枪头的使用流程：选择合适的常规移液器和合适容量的常规移液器枪头，按照移液器的正确使用规程吸取待浓缩粒子样品液，将移液器枪头插入本发明所述的微流控移液器枪头的样品入口6内，按压移液器，样品液经过本发明所述微流控移液器枪头的浓缩，从样品出口10导出，由目标样品管收集备用。使用完毕后，可将常规移液器枪头和微流控移液器枪头整体取下丢弃，亦可将微流控移液器枪头的本体1旋出，将外囊2中储存的空白液体倒入废液池中。

Claims (7)

1.一种微流控移液器枪头，其特征在于：包括本体（1）和外囊（2）；所述本体（1）包括设在本体（1）尾部区域内的进液通道、沿本体（1）圆周周向排布的若干个浓缩微流道（3）、设在本体（1）外表面的空白液体出口（4），以及设在本体（1）头部区域内的出液通道；浓缩微流道（3）包括直流道（31）、分叉流道（32）、中间流道（33）和两路旁支流道（34），直流道（31）一端与进液通道连通，另一端与分叉流道（32）连通，中间流道（33）一端与分叉流道（32）连通，另一端与出液通道连通，两路旁支流道（34）分别设在中间流道（33）两侧，旁支流道（34）的一端与分叉流道（32）连通，另一端向本体（1）外表面弯折并与空白液体出口（4）连通；所述外囊（2）套在本体（1）外部，并与本体（1）之间形成空腔（5），空腔（5）与空白液体出口（4）连通。

2.根据权利要求1所述的微流控移液器枪头，其特征在于：所述进液通道包括样品入口（6）和储液池（7）；样品入口（6）设在本体（1）尾部，储液池（7）一端与样品入口（6）相连通，另一端与浓缩微流道（3）的直流道（31）连通。

3.根据权利要求1所述的微流控移液器枪头，其特征在于：所述出液通道包括样品液体收集腔（8）、渐窄导流通道（9）和样品出口（10）；样品液体收集腔（8）一端与浓缩微流道（3）的中间流道（33）连通，另一端与渐窄导流通道（9）连通，渐窄导流通道（9）的另一端为样品出口（10），样品出口（10）设在本体（1）头部。

4.根据权利要求1所述的微流控移液器枪头，其特征在于：所述直流道（31）的横截面尺寸和待浓缩粒子尺寸的关系为：

a _p /Lc≥0.07

其中：a _p 为浓缩粒子的最大直径；Lc为直流道（31）的矩形横截面的短边边长。

5.根据权利要求1所述的微流控移液器枪头，其特征在于：所述外囊（2）尾部内表面和本体（1）尾部外表面分别设有相对应的非密封螺纹（11），本体（1）通过非密封螺纹（11）旋紧在外囊内部，本体（1）头部与外囊（2）接触并且密封。

6.根据权利要求1所述的微流控移液器枪头，其特征在于：所述本体（1）通过3D打印整体一次成型。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的微流控移液器枪头的使用方法，其特征在于，采用下述步骤：

（1）移液器装上常规移液器枪头，按照移液器使用规程吸取待浓缩粒子样品液；

（2）将常规移液器枪头插入微流控移液器枪头进液通道，两者通过过盈配合实现紧密连接；

（3）按压移液器，样品经过浓缩后由出液通道导出，用目标样品管收集备用；

（4）使用完毕，将常规移液器枪头和微流控移液器枪头整体取下丢弃，或者将外囊单独取下，把外囊中储存的空白液体倒入废液池。