CN109012775B - 通用惯性聚焦微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
一种通用惯性聚焦微流控芯片，包括：主功能单元，包括依次连通的第一交换端、涡流流道与第二交换端，所述涡流流道用于实现流体的迪恩涡流，所述第一交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的端部的外侧、中部、内侧的流体入口，所述第二交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的另一端端部的内侧、中部、外侧的流体出口；至少一种分流单元，所述分流单元包括一主交换端与分别连通于所述主交换端的复数个分流交换端，不同种类的分流单元具有不同数量的分流交换端。本发明提供的通用惯性聚焦微流控芯片具有对不同分选应用结构的通用性与兼容性，节约所需的芯片数量而有效地控制制造与应用成本。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体地来说，是一种通用惯性聚焦微流控芯片。
背景技术
惯性聚焦微流控技术作为一类高通量的分选技术，具有广阔的应用前景。突破认为微尺度流动具有较低雷诺数可忽略惯性的传统认知，惯性聚焦微流控技术将宏观流动的惯性效应拓展运用至微流控领域，有效地实现了微米粒子的高通量精确操控。
在基于物理特征的分选方法中，惯性聚焦微流控技术以其依靠不破坏样品完整性的流体力学的纯物理方法、介于层流和紊流之间的流速以及显著大于样品颗粒的流道截面尺寸而受到广泛的关注。随着微米粒子研究的不断深入，惯性聚焦微流控技术取得了长足进步，在生物医疗行业的细胞分选环节中得到大量应用并发挥着重要作用。伴随微制造技术与惯性聚焦微流控技术的结合，惯性聚焦微流控芯片发展迅速。
然而，现有的惯性聚焦微流控芯片仅能满足单一类型的分选需要，不具备对不同分选应用的兼容性，通用性的缺乏造成所需的微流控芯片的种类与数量增加，使精细分选的成本大为上升，不利于大量制造与应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种通用惯性聚焦微流控芯片，具有对不同分选应用结构的通用性与兼容性，节约所需的芯片数量而有效地控制制造与应用成本。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种通用惯性聚焦微流控芯片，包括：
主功能单元，包括依次连通的第一交换端、涡流流道与第二交换端，所述涡流流道用于实现流体的迪恩涡流，所述第一交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的端部的外侧、中部、内侧的流体入口，所述第二交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的另一端端部的内侧、中部、外侧的流体出口；
至少一种分流单元，所述分流单元包括一主交换端与分别连通于所述主交换端的复数个分流交换端，不同种类的分流单元具有不同数量的分流交换端。
作为上述技术方案的改进，当流体于所述涡流流道发生多段迪恩涡流时，所述多段迪恩涡流的所依附的主流动方向一致。
作为上述技术方案的进一步改进，所述涡流流道包括沿同一方向弯曲并依次串联连通的复数个弯曲流道，位于所述涡流流道一端的弯曲流道与所述第一交换端连通，位于所述涡流流道另一端的弯曲流道与所述第二交换端连通。
作为上述技术方案的进一步改进，所述涡流流道还包括至少一个直流道，沿流体的主流动方向，相邻的弯曲流道之间通过所述直流道实现串联连通。
作为上述技术方案的进一步改进，所述直流道与连通于其两端的弯曲流道分别相切。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主交换端包括彼此连通的干接口与干流道，所述复数个分流交换端分别连通于所述干流道远离所述干接口的一端。
作为上述技术方案的进一步改进，所述分流交换端包括彼此连通的支流道与分接口，所述支流道远离所述分接口的一端与所述主交换端保持连通。
作为上述技术方案的进一步改进，所述分流单元的分流交换端的数量不大于所述第一交换端的入口数量。
作为上述技术方案的进一步改进，所述主功能单元成型于第一基材上，所述流体入口与所述流体出口开设于所述第一基材的表面，所述涡流流道潜入设置于所述第一基材的内部；
所述分流单元成型于所述第一基材或第二基材上，所述主交换端与所述分流交换端分别开口于所述第一基材或所述第二基材的表面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述涡流流道的截面宽度尺寸范围为100～2000微米，和/或所述涡流流道的截面高度尺寸范围为50～200微米。
本发明的有益效果是：
包括主功能单元与至少一种分流单元，主功能单元包括依次连通的第一交换端、涡流流道与第二交换端，第一交换端具有至少三个分别连通于涡流流道的端部的外侧、中部、内侧的流体入口，第二交换端包括至少三个分别连通于涡流流道的端部的内侧、中部、外侧的流体出口，使流体入口、涡流流道与流体出口形成不同而所需的迪恩涡流结构形式，并由分流单元的分流交换端分别通过管路连通于流体入口或流体出口，而使流体中的不同微米粒子受控于对应区域而实现分选与分类输出，具有对不同类型流体的分选应用的通用性与兼容性，节约所需的芯片数量而有效地控制制造与应用成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1是本发明实施例提供的通用惯性聚焦微流控芯片的第一结构示意图；
图2是本发明实施例提供的通用惯性聚焦微流控芯片的第二结构示意图；
图3是本发明实施例提供的通用惯性聚焦微流控芯片的第一结构的差分惯性聚焦应用结构示意图；
图4是本发明实施例提供的通用惯性聚焦微流控芯片的第一结构的半迪恩循环分离应用结构示意图；
图5是本发明实施例提供的通用惯性聚焦微流控芯片的第一结构的全迪恩循环分离应用结构示意图。
主要元件符号说明：
1000-通用惯性聚焦微流控芯片，0100-主功能单元，0110-第一交换端，a-第一入口，b-第二入口，c-第三入口，0120-涡流流道，0121-弯曲流道，0122-直流道，0130-第二交换端，d-第一出口，e-第二出口，f-第三出口，0200-分流单元，0210-干流道，0220-干接口，0230-支流道，0240-分接口，0300-第一基材，2000-管路。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对通用惯性聚焦微流控芯片进行更全面的描述。附图中给出了通用惯性聚焦微流控芯片的优选实施例。但是，通用惯性聚焦微流控芯片可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对通用惯性聚焦微流控芯片的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在通用惯性聚焦微流控芯片的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请结合参阅图1～2，本实施例公开通用惯性聚焦微流控芯片1000的一种具体构造，该芯片包括主功能单元0100与至少一种分流单元0200，用于兼容实现不同形式的惯性聚焦迪恩涡流结构，满足不同类型流体的分选应用。
主功能单元0100包括依次连通的第一交换端0110、涡流流道0120与第二交换端0130，第一交换端0110与第二交换端0130分居涡流流道0120的两端。
第一交换端0110包括至少三个分别连通于涡流流道0120的端部(可为输入端)的外侧、中部、内侧的流体入口(例如第一入口a、第二入口b、第三入口c)，用于根据流体的具体特性自涡流流道0120的不同位置注入流体，实现不同特性的迪恩涡流。
例如，第一入口a连通于涡流流道0120的输入端端部的外侧，第二入口b连通于涡流流道0120的输入端端部的中部(例如轴向芯部)，第三入口c连通于涡流流道0120的输入端端部的内侧。
可以理解，第一入口a、第二入口b、第三入口c可通过各种形式的流道连通于涡流流道0120的输入端端部，如螺旋形、直形等不同类型。示范性地，第一入口a、第二入口b、第三入口c分别通过直流道0122连通于涡流流道0120的输入端端部。
第二交换端0130包括至少三个分别连通于涡流流道0120的另一端端部(可为输出端)的内侧、中部、外侧的流体出口(例如第一出口d、第二出口e、第三出口f)，用于自涡流流道0120的不同位置实现对流体的不同微米粒子的对应输出，获得不同的分选产物。
例如，第一出口d连通于涡流流道0120的输出端端部的内侧，第二出口e连通于涡流流道0120的输出端端部的中部(例如轴向芯部)，第三出口f连通于涡流流道0120的输出端端部的外侧。
可以理解，第一出口d、第二出口e、第三出口f可通过各种形式的流道连通于涡流流道0120的输入端端部，如螺旋形、直形等不同类型。示范性地，第一出口d、第二出口e、第三出口f分别通过直流道0122连通于涡流流道0120的输入端端部。
涡流流道0120用于实现流体的迪恩涡流，使流体沿涡流流道0120流动时产生有规律的伴随运动。可以理解，涡流流道0120包括至少一个弯曲段。流体于弯曲段内流动时，由于离心力作用而形成一对反向对称涡旋。微米粒子在流道截面受到横向的涡流曳力，不对称的涡流曳力根据力值大小不同，使不同粒子差异化地聚焦/控制于不同的位置，实现粒子的分离选择。
示范性地，涡流流道0120的截面尺寸显著大于样品粒子的粒径，例如，涡流流道0120的截面宽度尺寸范围为100～2000微米，和/或涡流流道0120的截面高度尺寸范围为50～200微米。示范性地，涡流流道0120的流程长度尺寸范围根据实际需要的迪恩涡流分选目的而决定，例如可为5～50厘米。
根据涡流流道0120的结构不同，流体可于其中发生单段迪恩涡流或多段迪恩涡流。示范性地，当流体于涡流流道0120发生多段迪恩涡流时，多段迪恩涡流所依附的主流动方向一致。所谓多段迪恩涡流，是指流体于涡流流道0120的不同的弯曲段中，分别发生迪恩涡流而进一步实现不同微米粒子的区域分离，提升分选效果。于不同的弯曲段中，流体的主流动方向一致，即一致左旋或一致右旋，从而保证迪恩涡流的具体特性于整个涡流流道0120内保持一致，聚焦粒子始终沿涡流流道0120的内侧、中部或外侧一致流动，避免粒子发生混合反复。其中，自流体的主流动方向(即一致左旋或一致右旋)的中心向外延伸的径向，涡流流道0120的内侧、中部或外侧依次分布而形成涡流流道0120的截面。
涡流流道0120的多段迪恩涡流作用可通过多种方式实现。示范性地，涡流流道0120包括沿同一方向弯曲并依次串联连通的复数个弯曲流道0121。如前所述，所谓沿同一方向弯曲，即全体的弯曲流道0121一致左旋或一致右旋。弯曲流道0121的弯曲路径众多，包括满足前述限定的各类曲线(如抛物线、双开线等)、圆弧等类型。示范性地，圆弧弯曲的弯曲流道0121的曲率半径范围为5～15毫米。弯曲流道0121的圈数根据实际需要而决定，例如图1所示出的第一结构的弯曲流道0121为2.5圈，又如图2所示出的第二结构的弯曲流道0121为4.5圈。
其中，位于涡流流道0120一端的弯曲流道0121与第一交换端0110连通。可以理解，自弯曲流道0121的弯曲方向(即一致左旋或一致右旋)的中心向外延伸的径向，第一入口a连通于弯曲流道0121的端部截面的外侧，第二入口b连通于弯曲流道0121的端部截面的中部(例如轴向芯部)，第三入口c连通于弯曲流道0121的端部截面的内侧。
其中，位于涡流流道0120另一端的弯曲流道0121与第二交换端0130连通。可以理解，自弯曲流道0121的弯曲方向(即一致左旋或一致右旋)的中心向外延伸的径向，第一出口d连通于弯曲流道0121的端部截面的内侧，第二出口e连通于弯曲流道0121的端部截面的中部(例如轴向芯部)，第三出口f连通于弯曲流道0121的端部截面的外侧。
其中，复数个弯曲流道0121之间可直接连通，使流体连续发生迪恩涡流。示范性地，涡流流道0120还包括至少一个直流道0122。沿流体的主流动方向，相邻的弯曲流道0121之间通过直流道0122实现串联连通，使流体产生间歇式的多段迪恩涡流。示范性地，直流道0122与连通于其两端的弯曲流道0121分别相切，保证平滑的导流效果，降低阻尼影响及对粒子的扰动。
分流单元0200包括一主交换端与分别连通于主交换端的复数个分流交换端，用于实现流经分流单元0200的流体的分流调速，使之可通过管路2000而与主功能单元0100连接形成所需的微流控分选结构。
其中，不同种类的分流单元0200具有不同数量的分流交换端，实现不同的分流调速目的。例如，分流单元0200可包括三通分流结构、四通分流结构、多通分流结构等形式。可以理解，同一种类的分流单元0200的数量可为一至复数个，根据实际分选需要而决定。
示范性地，主交换端包括彼此连通的干接口0220与干流道0210，复数个分流交换端分别连通于干流道0210远离干接口0220的一端。示范性地，分流交换端包括彼此连通的支流道0230与分接口0240，支流道0230远离分接口0240的一端与主交换端保持连通。进言之，干流道0210与复数个支流道0230保持连通。示范性地，干流道0210与支流道0230可采直形流道的形式实现。
示范性地，分流单元0200的分流交换端的数量不大于第一交换端0110的入口数量，实现与第一交换端0110的匹配连接。
请结合参阅图3～5，示范性地，主功能单元0100成型于第一基材0300上，流体入口与流体出口开设于第一基材0300的表面，涡流流道0120潜入设置于第一基材0300的内部。换言之，涡流流道0120位于第一基材0300的内部，仅由流体入口与流体出口实现对外连通。第一基材0300的结构形式众多，可采片状、板状、块状等不同类型。第一基材0300的制作材料众多，可选择金属(优选不锈钢、钛等耐腐蚀材料)、玻璃、石英或有机聚合物等制成。
示范性地，分流单元0200成型于第一基材0300上，主交换端与分流交换端分别开口于第一基材0300的表面。换言之，主功能单元0100与分流单元0200共体成型，进一步提升制作与使用便利性。
另一种示范，分流单元0200成型于区别于第一基材0300的第二基材上，主交换端与分流交换端分别开口于第二基材的表面。可以理解，第二基材可为不同于第一基材0300的另一物体。第二基材的结构形式众多，可采片状、板状、块状等不同类型。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例进一步介绍通用惯性聚焦微流控芯片1000的一种具体应用方式。
请结合参阅图1及图3，在本实施例中，分流单元0200的数量为一且为四通分流结构，包括第一干接口o与三个第一分接口(i，j，k)。其中，第一干接口o用于与样品源连接，以引入样品流。其中，第一分接口i、j、k通过管路2000分别对应连接于第一入口a、第二入口b、第三入口c。同时，主功能单元0100的第一出口d、第二出口e与第三出口f分别通过管路2000对外输出分选结果。
应用时，样品流自第一干接口o流入，经分流单元0200的分流而形成三股分流体并自第一交换端0110输入主功能单元0100。样品流在涡流流道0120内流动时，由于惯性力与迪恩涡流作用，微米粒子在流道截面受到横向的涡流曳力，不对称的涡流曳力根据力值大小不同，使不同粒子差异化地聚焦(差分聚焦)于不同的位置，粒子以特定原则沿流道曲率径向规律分布，并于下游不同位置的第一出口d、第二出口e与第三出口f实现对应输出，使已经完全差分聚焦的粒子实现分选。
实施例3
在实施例1的基础上，本实施例进一步介绍通用惯性聚焦微流控芯片1000的一种具体应用方式。
请结合参阅图1及图4，在本实施例中，分流单元0200的数量为二，且均为三通分流结构。第一分流单元包括第二干接口n与两个第二分接口(g，h)，用于引入鞘流液；第二分流单元包括第三干接口p与两个第三分接口(l，m)，用于输出分选结果。
其中，第一交换端0110的第三入口c通过管路2000连接于样品源，引入样品流。第二干接口n与鞘流泵连接，输入鞘流液。第二分接口g、h通过管路2000分别对应连接于第一入口a、第二入口b，将鞘流液自中部及内侧输入涡流流道0120。第二交换端0130的第一出口d通过管路2000直接输出分选得到的较大粒子，而第二出口e与第三出口f分别通过管路2000连通于第三分接口l、m以输出较小粒子。
应用时，样品流自第三入口c引入涡流流道0120，即从涡流流道0120的内侧(例如弯曲流道0121的内侧)注入。同时，经过第一分流单元分流降速的鞘流液自涡流流道0120的中部及外侧(例如弯曲流道0121的中部及外侧)注入，使样品流被限制于涡流流道0120的内侧(例如弯曲流道0121的内侧)。
样品流于涡流流道0120中流动时，在惯性力作用下，粒径较大的粒子被聚焦至涡流流道0120的内侧(例如弯曲流道0121的内侧)，而粒径较小的粒子沿着迪恩涡流在流道截面内向涡流流道0120的外侧(例如弯曲流道0121的外侧)迁移。在经过特定的流道长度后，粒径较小的粒子会从流道内侧迁移到流道外侧时，即可与聚焦在流道内侧的大粒子完全分离。其中，样品粒子迁移半个迪恩涡流即分别进入不同的回收流道，具有半迪恩循环特性。
最终，大粒子自位于流道内侧的第一出口d直接输出，而小粒子自位于流道中部及外侧的第二出口e、第三出口f流出，并经第二分流单元的汇流作用而自第三干接口p输出，实现半迪恩循环方式的最终分选。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例进一步介绍通用惯性聚焦微流控芯片1000的一种具体应用方式。
请结合参阅图1及图5，在本实施例中，分流单元0200的数量为二，且均为三通分流结构。第一分流单元包括第二干接口n与两个第二分接口(g，h)，用于引入鞘流液；第二分流单元包括第三干接口p与两个第三分接口(l，m)，用于输出分选结果。
其中，第一交换端0110的第一入口a通过管路2000连接于样品源，引入样品流。第二干接口n与鞘流泵连接，输入鞘流液。第二分接口g、h通过管路2000分别对应连接于第一入口a、第二入口b，将鞘流液自中部及内侧输入涡流流道0120。第二交换端0130的第三出口f通过管路2000直接输出分选得到的较小粒子，而第一出口d与第二出口e分别通过管路2000连通于第三分接口l、m以输出较大粒子。
应用时，样品流自第一入口a引入涡流流道0120，即从涡流流道0120的外侧(例如弯曲流道0121的外侧)注入。同时，经过第一分流单元分流降速的鞘流液自涡流流道0120的中部及内侧(例如弯曲流道0121的中部及内侧)注入，使样品流被限制于涡流流道0120的外侧(例如弯曲流道0121的外侧)。
样品流于涡流流道0120中流动时，在惯性力作用下，粒径较大的粒子被聚焦至涡流流道0120的内侧(例如弯曲流道0121的内侧)，而粒径较小的粒子沿着迪恩涡流在流道截面内向涡流流道0120的外侧(例如弯曲流道0121的外侧)迁移。在经过特定的流道长度后，粒径较小的粒子会从流道内侧迁移到流道外侧时，即可与聚焦在流道内侧的大粒子完全分离。其中，样品粒子迁移整个迪恩涡流后分别进入不同的回收流道，具有全迪恩循环特性。
最终，小粒子自位于流道外侧的第三出口f直接输出，而大粒子自位于流道中部及内侧的第二出口e、第三出口f流出，并经第二分流单元的汇流作用而自第三干接口p输出，实现全迪恩循环方式的最终分选。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，包括：
主功能单元，包括依次连通的第一交换端、涡流流道与第二交换端，所述涡流流道用于实现流体的迪恩涡流，所述第一交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的端部的外侧、中部、内侧的流体入口，所述第二交换端包括至少三个分别连通于所述涡流流道的另一端端部的内侧、中部、外侧的流体出口；
至少一种分流单元，所述分流单元包括一主交换端与分别连通于所述主交换端的复数个分流交换端，不同种类的分流单元具有不同数量的分流交换端；
所述涡流流道包括沿同一方向弯曲并依次串联连通的复数个弯曲流道，位于所述涡流流道一端的弯曲流道与所述第一交换端连通，位于所述涡流流道另一端的弯曲流道与所述第二交换端连通；
所述涡流流道还包括至少一个直流道，沿流体的主流动方向，相邻的弯曲流道之间通过所述直流道实现串联连通；
所述分流交换端包括彼此连通的支流道与分接口，所述支流道远离所述分接口的一端连通于所述主交换端。
2.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，当流体于所述涡流流道发生多段迪恩涡流时，所述多段迪恩涡流的所依附的主流动方向一致。
3.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，所述直流道与连通于其两端的弯曲流道分别相切。
4.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，所述主交换端包括彼此连通的干接口与干流道，所述复数个分流交换端分别连通于所述干流道远离所述干接口的一端。
5.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，所述分流单元的分流交换端的数量不大于所述第一交换端的入口数量。
6.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，所述主功能单元成型于第一基材上，所述流体入口与所述流体出口开设于所述第一基材的表面，所述涡流流道潜入设置于所述第一基材的内部；
所述分流单元成型于所述第一基材或第二基材上，所述主交换端与所述分流交换端分别开口于所述第一基材或所述第二基材的表面。
7.根据权利要求1所述的通用惯性聚焦微流控芯片，其特征在于，所述涡流流道的截面宽度尺寸范围为100～2000微米，和/或所述涡流流道的截面高度尺寸范围为50～200微米。
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