CN109261361A - 一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，分离器包括顶部支撑、锥形管、圆管、进料入口，锥形管套在圆管顶部，分离室包括中心管、冷却管盖、冷却管、冷却气出入口，分离室的内部为中心管，中心管外部套有冷却管，冷却管上下部均设有冷却气出入口，中心管内壁竖直安装不锈钢圆柱电极；收集器包括下部支撑、收集管、可调收集管底座、外管、外管出口，收集管上部置于中心管内，收集管下部置于外管内，外管固定在下部支撑上，从而实现不同粒径间粒子的分离与收集。本发明的有益效果是实现较大规模、较高处理量的介电泳微米纳米粒子连续分离应用。

Description

一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器

技术领域

本发明属于粒子技术领域，涉及一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器。

背景技术

在众多粒子分离方法中，一种极具前景的分离技术即介电泳法 (DEP)，它利用悬浮于媒质中的粒子在非匀称电场中发生介电极化现象而产生介电泳力，按照力的大小或方向(阳性或阴性介电泳力) 不同将粒子分离。与传统分离方法相比，介电泳技术可分离不同粒径和不同介电性质的粒子，且粒子无需带电。凭借其对粒子分离的独特优势，介电泳法被认为是一种理想的微米纳米粒子分离方法。

然而迄今为止，可靠的介电泳应用绝大多数采用芯片级设备，处理量多停留在微升每分钟的水平。高处理量的、可达到临床和工业级规模的介电粒子分离研究很少见著报道。和Li指出，更多的研究应集中在提高基于介电泳技术的系统处理能力上，才能保证其在与传统分离技术的竞争中处于优势地位。等设计出了一款所谓高处理量的介电分离设备用来分离和富集罕见细胞，实验证实该分离器可以达到37μL/min的分离通过量，然而处理能力仅有每小时几万细胞的水平。Moon等报道了一个从血液中连续分离循环肿瘤细胞的新方法，即多孔板场流分级与介电泳相结合。此方法实现了较高的肿瘤细胞分离效率，分离处理量达到162μL/min，然而该处理量仅预示着潜在的细胞分类临床化应用可能性。研究发现，分离效率和处理量是介电分离过程需要考察的两个重要指标，但二者存在相互制约的关系。Kang等通过使用嵌入式电极和绝缘栅栏构建非匀称电场，并设计了一款微系统介电分离设备用来分离5和10μm的聚苯乙烯粒子。该研究权衡了介电系统处理量和分离效率的关系，并给出保证高效分离的同时提高了样品处理量的建议，然而该研究对介电分离处理量的提升仅停留在理论和定性分析阶段。此外，其他学者也在以各种不同方式来提高介电泳基微系统设备的分离处理量，并取得了一定进展,然而迄今为止低处理量仍然是介电泳分离应用中一个持续存在的问题。目前可靠的介电泳粒子分离应用绝大多数采用介电微系统和芯片级设备，处理量极低，仅停留在几微升每分钟的水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，解决了解决目前介电泳粒子分离应用中系统处理量普遍过低的问题。本发明的有益效果是实现较大规模、较高处理量的介电泳微米纳米粒子连续分离应用。

本发明所采用的技术方案是包括分配器、分离室和收集器，其中，分离器包括顶部支撑、锥形管、圆管、进料入口，锥形管套在圆管顶部，顶部支撑将锥形管和圆管固定在一起，圆管上方同一平面等距设有进料入口，待分离悬浮粒子从进料入口分别进入，沿着圆管的环形区域流动从而进入分离室，锥形管内通入辅助流体，迫使进料粒子流始终紧贴圆管内壁流动，从而到达分离室内近电极处；分离室包括中心管、冷却管盖、冷却管、冷却气出入口，分离室的内部为中心管，中心管外部套有冷却管，冷却管上下口部盖有冷却管盖，冷却管上下部均设有冷却气出入口，中心管内部为介电粒子的分离空间，中心管内壁竖直安装不锈钢圆柱电极；粒子从分配器进入到分离室中，由于离电极较近，受到较强的阴性介电泳力作用，该力将不同大小或介电性质的粒子推向不同的径向位置，大粒子由于受到较强的介电泳力作用，会被推向离分离室中心较近处，小粒子的径向位移相对较缓和，由管在不同的径向和轴向位置收集不同粒径的粒子，从而实现分离；中心管和冷却管之间的区域为冷却循环系统，冷却管盖起密封作用，冷却气由下部冷却气出入口进入，由上部冷却气出入口排出并循环；收集器包括下部支撑、收集管、可调收集管底座、外管、外管出口，收集管上部置于中心管内，收集管下部安装在可调收集管底座上，收集管下部置于外管内，外管固定在下部支撑上，外管上设有外管出口，外管出口用来收集未被收集管捕获的粒子，收集管下部管口收集被分离目标粒子，从而实现不同粒径间粒子的分离与收集。

进一步，分配器、分离室和收集器通过法兰连接固定在一起。

进一步，圆管上方的进料入口为4个，四个入口等距设置。

进一步，中心管内壁竖直安装32根不锈钢圆柱电极，其中16根做表面绝缘并通电，另16根不通电作为浮动电极使用。

进一步，收集管能够上下移动，在特定的轴向位置收集被分离的目标粒子。

进一步，外管上设有两个外管出口，两个外管出口分别位于外管横截面直径的两端。

进一步，可调收集管底座通过四根螺纹钢条与下部支撑连接。

附图说明

图1是分配器结构示意图；

图2是分配器原理示意图；

图3是分离室结构示意图；

图4是分离室原理示意图；

图5是收集器结构示意图；

图6是实验流程图。

图中，1.分配器，2.分离室，3.收集器，4.法兰，101.顶部支撑，102.锥形管，103.圆管，104.进料入口，201.中心管，202.冷却管盖，203.冷却管，204.冷却气出入口，205.不锈钢圆柱电极， 301.下部支撑，302.收集管，303.可调收集管底座，304.外管，305. 外管出口，306.螺纹钢条。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明同轴型介电微米纳米粒子连续分离器包括分配器1、分离室2和收集器3，如图1所示，分离器1上部由一个粒子分配器构成，包括顶部支撑101、锥形管102、圆管103、进料入口104，锥形管 102套在圆管103顶部，顶部支撑101将锥形管102和圆管103固定在一起，圆管3上方同一平面等距设有四个进料入口104，如图2所示，待分离悬浮粒子从四个进料入口104分别进入，沿着圆管103的环形区域流动从而进入分离室2。锥形管102内通入辅助流体，该辅助流体的作用是迫使进料粒子流始终紧贴圆管3内壁流动，从而到达分离室2内近电极处，该处粒子将会受到最大的介电泳力。法兰4将分配器1和分离室2固定在一起。

如图3所示，分离室2包括中心管201、冷却管盖202、冷却管 203、冷却气出入口204。分离室2的内部为中心管201，中心管201 外部套有冷却管203，冷却管203上下口部盖有冷却管盖202，冷却管203上下部均设有冷却气出入口204。中心管201内部为介电粒子的分离空间，中心管201内壁竖直安装32根不锈钢圆柱电极205，其中16根做表面绝缘并通电，另16根不通电作为浮动电极使用。如图4所示，粒子从分配器1进入到分离室2中，由于离电极较近，受到较强的阴性介电泳力作用，该力将不同大小或介电性质的粒子推向不同的径向位置，大粒子由于受到较强的介电泳力作用，会被推向离分离室2中心较近处，小粒子的径向位移相对较缓和，可由管在不同的径向和轴向位置收集不同粒径的粒子，从而实现分离。

中心管201和冷却管203之间的区域为冷却循环系统，冷却管盖 202起密封作用。冷却气由下部冷却气出入口204进入，由上部冷却气出入口204排出并循环。冷却系统的作用是降低分离室2内部温度，减少由焦耳热引发的系统温度差，从而保证电热现象对粒子运动的影响为最小。

如图5所示，收集器3包括下部支撑301、收集管302、可调收集管底座303、外管304、外管出口305，收集管302上部置于中心管201内，收集管302能够上下移动，在特定的轴向位置收集被分离的目标粒子，收集器3通过法兰4连接分离室2，收集管302下部安装在可调收集管底座303上，收集管302下部置于外管304内，外管 304固定在下部支撑301上，外管304上设有两个外管出口305，两个外管出口305分别位于外管横截面直径的两端，外管出口305用来收集未被收集管捕获的粒子(通常为小粒径的粒子)。可调收集管底座303通过四根螺纹钢条306与下部支撑301连接。收集管302下部管口收集被分离目标粒子(通常为大粒径的粒子)，从而实现不同粒径间粒子的分离与收集。

本发明同轴型介电微米纳米粒子连续分离器中：

1.分离器电极材料。选取不锈钢材料做为工作电极，表面喷涂绝缘材料二氧化钛。

2.分离器电极结构和排列方式。选取圆柱形电极，采用中央集中的电极排列方式，通过合理优化电极间距，可同时实现增强的介电泳力和增大的介电泳力作用范围，从而提高分离系统处理量。

3.浮动电极。分离器电极采用通电电极和浮动电极(不通电电极)搭配使用的方式。浮动电极的加入可大大降低分离系统能耗。

4.进料方式。分离器采用多通道连续进料，经分配器将粒子悬浮液均匀分布于电极周围。同时加入辅助流促使粒子向靠近电极方向运动。该分离器可实现粒子的连续分离作业。

5.循环冷却系统。在分离管外部包裹循环冷却系统，为系统降温，减少由焦耳热引发的副作用对粒子运动的影响。

6.可调收集管。采用可调节轴向位置的粒子收集管，在不同位置收集不同粒径的目标粒子。

本发明的优点还在于分离处理量(产量)成数量级的提高，现有分离器处理量大约为几十微升每分钟，使用该发明中的分离器，处理量能达到几十毫升每分钟，大约是现有分离器处理量的100-1000倍。同时由于电极结构和排列方式的优化，使用发明中的分离器分离效率能够达到芯片级分离器分离效率同等水平。现有芯片级分离设备的制造大多使用光刻技术，而该分离器的制造可使用普通机械方式加工方法，加工过程较现有设备简便。

图6是使用该设备分离两种不同粒径的微米粒子(5μm和10μm) 实验过程流程图。图中5μm和10μm的粒子混合液2先经过表面处理去除表面电荷，后从分离器上部侧向进入分离器，同时去离子水作为辅助流从分离器顶部进入分离器。分离后5μm粒子从分离通道出口收集，而10μm粒子则从收集管中回收。经实验证明该分离器对5μm 和10μm粒子分离处理量约为10ml/min，效率可达90％以上，回收率约为80％。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：包括分配器、分离室和收集器，其中，分离器包括顶部支撑、锥形管、圆管、进料入口，锥形管套在圆管顶部，顶部支撑将锥形管和圆管固定在一起，圆管上方同一平面等距设有进料入口，待分离悬浮粒子从进料入口分别进入，沿着圆管的环形区域流动从而进入分离室，锥形管内通入辅助流体，迫使进料粒子流始终紧贴圆管内壁流动，从而到达分离室内近电极处；分离室包括中心管、冷却管盖、冷却管、冷却气出入口，分离室的内部为中心管，中心管外部套有冷却管，冷却管上下口部盖有冷却管盖，冷却管上下部均设有冷却气出入口，中心管内部为介电粒子的分离空间，中心管内壁竖直安装不锈钢圆柱电极；粒子从分配器进入到分离室中，由于离电极较近，受到较强的阴性介电泳力作用，该力将不同大小或介电性质的粒子推向不同的径向位置，大粒子由于受到较强的介电泳力作用，会被推向离分离室中心较近处，小粒子的径向位移相对较缓和，由管在不同的径向和轴向位置收集不同粒径的粒子，从而实现分离；中心管和冷却管之间的区域为冷却循环系统，冷却管盖起密封作用，冷却气由下部冷却气出入口进入，由上部冷却气出入口排出并循环；收集器包括下部支撑、收集管、可调收集管底座、外管、外管出口，收集管上部置于中心管内，收集管下部安装在可调收集管底座上，收集管下部置于外管内，外管固定在下部支撑上，外管上设有外管出口，外管出口用来收集未被收集管捕获的粒子，收集管下部管口收集被分离目标粒子，从而实现不同粒径间粒子的分离与收集。

2.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述分配器、分离室和收集器通过法兰连接固定在一起。

3.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述圆管上方的进料入口为4个，四个入口等距设置。

4.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述中心管内壁竖直安装32根不锈钢圆柱电极，其中16根做表面绝缘并通电，另16根不通电作为浮动电极使用。

5.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述收集管能够上下移动，在特定的轴向位置收集被分离的目标粒子。

6.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述外管上设有两个外管出口，两个外管出口分别位于外管横截面直径的两端。

7.按照权利要求1所述一种同轴型介电微米纳米粒子连续分离器，其特征在于：所述可调收集管底座通过四根螺纹钢条与下部支撑连接。