CN109289953B - 微尺度颗粒分离芯片及利用该芯片分离微尺度颗粒的方法 - Google Patents

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Abstract

微尺度颗粒分离芯片及利用该芯片分离微尺度颗粒的方法，涉及微尺度颗粒分离技术领域。本发明是为了填补现有技术中对于基于漩涡连续分离微流控芯片的空缺。本发明首先向微尺度颗粒分离芯片的PDMS通道内注入吐温溶液，使得PDMS通道内壁均涂覆有吐温溶液；然后向样本溶液中注入吐温溶液，然后将混合溶液注入PDMS通道内；当混合溶液达到平衡状态时，信号发生器的第一电压信号输出端和第二电压信号输出端输出电压，通过聚集区产生的诱导电荷电渗对称的微旋涡对样本溶液中的颗粒进行聚集；最后信号发生器的第三电压信号输出端输出电压，使分离区中第二悬浮电极产生的非对称旋涡对样本溶液中的颗粒进行分离，完成微尺度颗粒的分离。

Description

微尺度颗粒分离芯片及利用该芯片分离微尺度颗粒的方法
技术领域
本发明属于微尺度颗粒分离技术领域。
背景技术
微尺度的颗粒分离在实际生活中具有重要的应用，如癌症的早期诊断，环境的检测，化学样本的准备，太阳能电池的制备等。由于基于旋涡的颗粒分离技术在操作过程中，将操作的颗粒样本悬浮于流体中，颗粒样本和通道没有任何接触，进而避免了颗粒样本的贴壁。因此，基于旋涡的颗粒分离是一项非常具有潜力的分离技术。
但是到目前为止，基于漩涡连续分离微流控芯片还没有出现。现有技术中，虽然产生微旋涡的方式有很多种，但是大部分旋涡都存在灵活调控的问题。并且，要利用为旋涡实现颗粒的连续性分离，则需要长久、稳定、可以重复的旋涡。因此，需要一种更好的方法去产生旋涡，从而实现基于旋涡的颗粒分离的微流控芯片的设计。
发明内容
本发明是为了填补现有技术中对于基于漩涡连续分离微流控芯片的空缺，现提供微尺度颗粒分离芯片及利用该芯片分离微尺度颗粒的方法。
微尺度颗粒分离芯片，包括电极部分和通道部分，所述电极部分包括ITO电极结构和用于承载ITO电极结构的玻璃基底，所述通道部分包括PDMS通道和用于承载PDMS通道的PDMS盖片，所述PDMS通道键合在ITO电极结构表面；
所述ITO电极结构包括：第一激发电极、第二激发电极、第三激发电极、第四激发电极、第一悬浮电极和第二悬浮电极，第一悬浮电极的末端呈凹弧结构，第二悬浮电极的首端呈凹弧结构，第二悬浮电极和第一悬浮电极首尾相对呈一条直线排布，第一激发电极和第二激发电极分别设置在第一悬浮电极两侧，第三激发电极和第四激发电极分别设置在第二悬浮电极两侧，第二悬浮电极朝向第三激发电极的一侧上设有N个深度不同的U形缺口，N个U形缺口的底部均为直径相同的圆弧形，其中N为正整数；
PDMS通道的一端呈喇叭状结构，该喇叭状结构的中心向外延伸形成入口通道，该入口通道的端部为PDMS通道的入口，PDMS通道的另一端呈Y形分叉，两条叉路的端口分别作为PDMS通道的两个出口；
PDMS通道与第一悬浮电极重叠设置，入口朝向第一悬浮电极的首端，入口通道的宽度小于第一悬浮电极的宽度；
第一激发电极、第二激发电极、第一悬浮电极和PDMS通道的入口段构成聚集区，第三激发电极、第四激发电极、第二悬浮电极和PDMS通道的出口段构成分离区。
利用上述微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，所述方法基于以下装置实现，所述装置包括：信号发生器、放大器和微尺度颗粒分离芯片，信号发生器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第一激发电极电气连接，信号发生器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第二激发电极电气连接，信号发生器的第三电压信号输出端与放大器的电压信号输入端电气连接，放大器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第三激发电极电气连接，放大器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第四激发电极电气连接；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：向微尺度颗粒分离芯片的PDMS通道内注入吐温溶液，使得PDMS通道内壁均涂覆有吐温溶液；
步骤二：向样本溶液中注入吐温溶液，然后将混合溶液注入PDMS通道内，其中吐温溶液与样本溶液的体积比为1:50～1：200；
步骤三：当混合溶液达到平衡状态时，信号发生器的第一电压信号输出端和第二电压信号输出端输出电压，通过聚集区产生的诱导电荷电渗对称的微旋涡对样本溶液中的颗粒进行聚集；
步骤四：信号发生器的第三电压信号输出端输出电压，使分离区中第二悬浮电极产生的非对称旋涡对样本溶液中的颗粒进行分离，从而完成样本溶液中微尺度颗粒的分离。
所述样本溶液的制备方法如下：向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为10μS/cm的缓冲液；将待分离颗粒样本装入离心管在离心机中进行离心分离，使得待分离颗粒样本中全部颗粒沉淀；采用移液器将离心管中的所有液体移除，然后将缓冲液注入离心管中，通过超声处理得到颗粒均匀分布的样本溶液。
所述吐温溶液的制备方法如下：将无水乙醇与吐温试剂混合，获得吐温溶液，所述无水乙醇与吐温试剂的体积比为(7～9)：1。
本发明通过调节外加电场的电压幅值和频率来调控诱导电荷电渗微旋涡的强度，并利用产生的旋涡将混合的微尺度颗粒进行分离，填补了现有技术的空缺。本发明适用于细胞筛选和环境检测等领域。
附图说明
图1为具体实施方式一所述微尺度颗粒分离芯片的整体结构示意图；
图2为图1的A部放大透视图；
图3为带有ITO电极的玻璃基底的结构示意图，其中，曲线a与曲线b之间区域的上半部分为第一激发电极，曲线a与曲线b之间区域的下半部分为第二激发电极，曲线c与曲线d之间区域的上半部分为第三激发电极，曲线c与曲线d之间区域的下半部分为第四激发电极；
图4为图3的B部放大图；
图5为第一悬浮电极的末端放大图，其中点O表示第一悬浮电极末端凹弧的圆心，R表示该圆弧的半径；
图6为带有PDMS通道的PDMS盖片的结构示意图；
图7为图6的C部放大图；
图8为具体实施方式二所述装置的结构示意图。
具体实施方式
目前，有很多利用诱导电荷电渗微旋涡设计的微混合器、微泵、颗粒浓缩器、样本导向装置等。基于微旋涡的颗粒分离技术具有无接触，与颗粒介电性质无关等优点。通过分析可知，诱导电荷电渗微旋涡能够在悬浮电极上稳定产生，并且旋涡的作用范围覆盖了整个悬浮电极。除此之外，诱导电荷电渗微旋涡的强度都可以通过调节外加电场的电压幅值和频率进行调控。因此，利用诱导电荷电渗微旋涡设计基于旋涡的颗粒分离装置是一项非常可行，有意义的研究工作。
但是到目前为止，基于旋涡分离的微流控芯片还没有诞生。原因是，大部分旋涡不能够灵活调控，不能稳定存在的特点限制了该技术的发展。基于此，本发明通过研究诱导电荷电渗微旋涡，将该种旋涡成功应用到基于旋涡的颗粒分离上，具体如以下实施方式。
具体实施方式一：本实施方式所述的微尺度颗粒分离芯片，如图1至7所示，包括电极部分和通道部分；电极部分包括ITO电极结构和用于承载ITO电极结构的玻璃基底(1)，ITO电极结构固定在玻璃基底(1)上；通道部分包括PDMS通道(21)和用于承载PDMS通道(21)的PDMS盖片(2)，PDMS通道(21)固定在PDMS盖片(2)上，ITO电极结构与PDMS通道(21)相对，使得PDMS通道(21)键合在ITO电极结构表面；
具体的如图4和5所示，所述ITO电极结构包括：第一激发电极(11)、第二激发电极(12)、第三激发电极(13)、第四激发电极(14)、第一悬浮电极(15)和第二悬浮电极(16)，第一悬浮电极(15)的末端呈凹弧结构，该凹弧的半径为R，直径2R为135μm，凹弧的圆心与第一悬浮电极(15)末端面之间的距离m为50μm；第二悬浮电极(16)的首端也呈凹弧结构，第二悬浮电极(16)和第一悬浮电极(15)首尾相对呈一条直线排布，且第一悬浮电极(15)末端面与第二悬浮电极(16)首端面之间的距离为1.5mm。第一激发电极(11)和第二激发电极(12)分别设置在第一悬浮电极(15)两侧，第三激发电极(13)和第四激发电极(14)分别设置在第二悬浮电极(16)两侧；第二悬浮电极(16)朝向第三激发电极(13)的一侧上设有5个深度不同的U形缺口(17)，5个U形缺口(17)的底部均为直径相同的圆弧形；
如图6和7所示，PDMS通道(21)的一端呈喇叭状结构，该喇叭状结构的中心向外延伸形成入口通道(221)，该入口通道(221)的末端为PDMS通道(21)的入口(222)，该入口(222)为直径1mm的圆孔；PDMS通道(21)的另一端呈Y形分叉，Y形分叉的两条叉路(231)的末端分别作为PDMS通道(21)的两个出口(232)，该出口(232)为直径4mm的圆孔，两条叉路(231)起始的宽度均为200μm，且叉路(231)以200μm的宽度延伸一段距离后，再逐渐增大宽度，最终与出口(232)的直径相适应；
PDMS通道(21)与第一悬浮电极(15)重叠设置，入口(22)朝向第一悬浮电极(15)的首端，入口通道(221)的宽度小于第一悬浮电极(15)的宽度；
第一激发电极(11)、第二激发电极(12)、第一悬浮电极(15)和PDMS通道(21)的入口段构成聚集区，第三激发电极(13)、第四激发电极(14)、第二悬浮电极(16)和PDMS通道(21)的出口段构成分离区，所述聚集区与分离区的宽度相同，且第一激发电极(11)、第二激发电极(12)、第三激发电极(13)和第四激发电极(14)与PDMS通道(21)所重叠区域的宽度也相同，均为50μm。
第一激发电极(11)、第二激发电极(12)的距离为510μm，第三激发电极(13)、第四激发电极(14)的距离为510μm。
具体实施方式二：本实施方式是利用具体实施方式一所述的微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，如图8所示，本实施方式需要基于以下装置实现，所述装置包括：信号发生器、放大器和微尺度颗粒分离芯片。
信号发生器包括两个信号输出通道，此处，第一信号输出通道包括两个电压信号输出端，即：第一电压信号输出端和第二电压信号输出端，第二信号输出通道即为第三电压信号输出端，具体电气连接关系如下：
信号发生器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第一激发电极(11)电气连接，信号发生器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第二激发电极(12)电气连接，信号发生器的第三电压信号输出端与放大器的电压信号输入端电气连接，放大器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第三激发电极(13)电气连接，放大器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第四激发电极(14)电气连接；
在实际操作时，首先打开与显微镜相连接的计算机、信号发生器、信号放大器、示波器、显微镜、CCD照相机等设备，观察设备运转是否正常；然后打开CellSens Entry图像采集软件，用于实时观察显微镜载物台；最后调好芯片位置和焦距，将预处理后的微流控芯片固定在载物台上。
首先制备待分离颗粒的样本溶液，该样本溶液的制备方法如下：
向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为10μS/cm的缓冲液；将待分离颗粒样本装入离心管在离心机中进行离心分离，使得待分离颗粒样本中全部颗粒沉淀；采用移液器将离心管中的所有液体移除，然后将缓冲液注入离心管中，利用超声机进行超声处理，得到颗粒均匀分布的样本溶液。
然后制备吐温溶液，该吐温溶液的制备方法如下：
将无水乙醇与吐温试剂混合，获得吐温溶液，所述无水乙醇与吐温试剂的体积比为(7～9)：1。
上述液体制备之后对装置进行调试，所述调试方法为：
控制信号发生器的第一、第二电压信号输出端输出幅值为3伏特、频率为200赫兹的交流电压信号，控制信号发生器的第三电压信号输出端输出幅值为9伏特、频率为100赫兹的交流电压信号，利用示波器观察放大器的电压信号输出端输出的信号，当放大器的第一、第二电压信号输出端输出幅值9伏特，频率为100赫兹的交流电压信号时，装置调试完成。
以上所有准备工作完毕之后，开始进行样本溶液颗粒的分离工作：
步骤一：向微尺度颗粒分离芯片的PDMS通道(21)内注入吐温溶液，使得PDMS通道(21)内壁均涂覆有吐温溶液，吐温溶液能够起到润滑的作用，保证样本溶液中的颗粒不会粘贴在通道内壁上；
步骤二：向样本溶液中注入吐温溶液，然后将混合溶液注入PDMS通道(21)内，进一步阻止颗粒不会粘贴在通道内壁上，其中吐温溶液与样本溶液的体积比为1:50～1：200；
步骤三：当混合溶液达到平衡状态时，信号发生器的第一电压信号输出端和第二电压信号输出端输出电压，通过聚集区产生的诱导电荷电渗对称的微旋涡对样本溶液中的颗粒进行聚集；
步骤四：信号发生器的第三电压信号输出端输出电压，使分离区中第二悬浮电极(16)产生的非对称旋涡对样本溶液中的颗粒进行分离，从而完成样本溶液中微尺度颗粒的分离。
上述过程中，还需要利用微注射泵控制待分离的样本在芯片中的轴向运动速度。实际操作时，针对不同的操作样本，可以通过调节信号发生器第一、第二电压信号输出端的幅值和频率实现理想的聚集状态，通过调节信号发生器第三电压信号输出端的幅值和频率实现理想的分离效果。
上述分离过程的原理如下：
当待分离颗粒样本溶液中含有两种颗粒，颗粒溶液进入通道的时候，在聚集区域的对称旋涡的作用下，两种颗粒能够聚集为一束颗粒流。当混合颗粒组成的颗粒流进入分离区域之后，一种颗粒在旋涡的作用下，被推到较高的位置，并旋涡的作用下被推到上边的出口。而另一种颗粒不能被旋涡推到较高的位置，在接近通道底部的位置，在旋涡的作用下，被推到下边的出口。这样两种颗粒就被分开了。

Claims (10)

1.微尺度颗粒分离芯片，其特征在于，包括电极部分和通道部分，所述电极部分包括ITO电极结构和用于承载ITO电极结构的玻璃基底(1)，所述通道部分包括PDMS通道(21)和用于承载PDMS通道(21)的PDMS盖片(2)，所述PDMS通道(21)键合在ITO电极结构表面；
所述ITO电极结构包括：第一激发电极(11)、第二激发电极(12)、第三激发电极(13)、第四激发电极(14)、第一悬浮电极(15)和第二悬浮电极(16)，第一悬浮电极(15)的末端呈凹弧结构，第二悬浮电极(16)的首端呈凹弧结构，第二悬浮电极(16)和第一悬浮电极(15)首尾相对呈一条直线排布，第一激发电极(11)和第二激发电极(12)分别设置在第一悬浮电极(15)两侧，第三激发电极(13)和第四激发电极(14)分别设置在第二悬浮电极(16)两侧，第二悬浮电极(16)朝向第三激发电极(13)的一侧上设有N个深度不同的U形缺口(17)，N个U形缺口(17)的底部均为直径相同的圆弧形，其中N为正整数；
PDMS通道(21)的一端呈喇叭状结构，该喇叭状结构的中心向外延伸形成入口通道(221)，该入口通道(221)的端部为PDMS通道(21)的入口(222)，PDMS通道(21)的另一端呈Y形分叉，两条叉路(231)的端口分别作为PDMS通道(21)的两个出口(232)；
PDMS通道(21)与第一悬浮电极(15)重叠设置，入口(222)朝向第一悬浮电极(15)的首端，入口通道(221)的宽度小于第一悬浮电极(15)的宽度；
第一激发电极(11)、第二激发电极(12)、第一悬浮电极(15)和PDMS通道(21)的入口段构成聚集区，第三激发电极(13)、第四激发电极(14)、第二悬浮电极(16)和PDMS通道(21)的出口段构成分离区。
2.根据权利要求1所述的微尺度颗粒分离芯片，其特征在于，入口(222)为直径1mm的圆孔，出口(232)为直径4mm的圆孔，两条叉路(231)的初始宽度为200μm。
3.根据权利要求1所述的微尺度颗粒分离芯片，其特征在于，第一悬浮电极(15)端面与第二悬浮电极(16)端面之间的距离为1.5mm。
4.根据权利要求1所述的微尺度颗粒分离芯片，其特征在于，第一悬浮电极(15)末端的凹弧直径为135μm，该凹弧的圆心与第一悬浮电极(15)末端面之间的距离为50μm。
5.根据权利要求1所述的微尺度颗粒分离芯片，其特征在于，N的取值为5～20。
6.利用上述1至5任一权利要求所述的芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，
所述方法基于以下装置实现，所述装置包括：信号发生器、放大器和微尺度颗粒分离芯片，信号发生器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第一激发电极(11)电气连接，信号发生器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第二激发电极(12)电气连接，信号发生器的第三电压信号输出端与放大器的电压信号输入端电气连接，放大器的第一电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第三激发电极(13)电气连接，放大器的第二电压信号输出端与微尺度颗粒分离芯片的第四激发电极(14)电气连接；
所述方法包括以下步骤：
步骤一：向微尺度颗粒分离芯片的PDMS通道(21)内注入吐温溶液，使得PDMS通道(21)内壁均涂覆有吐温溶液；
步骤二：向样本溶液中注入吐温溶液，然后将混合溶液注入PDMS通道(21)内，其中吐温溶液与样本溶液的体积比为1:50～1：200；
步骤三：当混合溶液达到平衡状态时，信号发生器的第一电压信号输出端和第二电压信号输出端输出电压，通过聚集区产生的诱导电荷电渗对称的微旋涡对样本溶液中的颗粒进行聚集；
步骤四：信号发生器的第三电压信号输出端输出电压，使分离区中第二悬浮电极(16)产生的非对称旋涡对样本溶液中的颗粒进行分离，从而完成样本溶液中微尺度颗粒的分离。
7.根据权利要求6所述的利用微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，所述样本溶液的制备方法如下：
向去离子水中加入氯化钾，得到电导率为10μS/cm的缓冲液；
将待分离颗粒样本装入离心管在离心机中进行离心分离，使得待分离颗粒样本中全部颗粒沉淀；
采用移液器将离心管中的所有液体移除，然后将缓冲液注入离心管中，通过超声处理得到颗粒均匀分布的样本溶液。
8.根据权利要求6所述的利用微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，所述吐温溶液的制备方法如下：
将无水乙醇与吐温试剂混合，获得吐温溶液，所述无水乙醇与吐温试剂的体积比为(7～9)：1。
9.根据权利要求6所述的利用微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，在步骤一之前首先对装置进行调试，调试方法为：
控制信号发生器的第一、第二电压信号输出端输出幅值为3伏特、频率为200赫兹的交流电压信号，
控制信号发生器的第三电压信号输出端输出幅值为9伏特、频率为100赫兹的交流电压信号，
当放大器的第一、第二电压信号输出端输出幅值9伏特，频率为100赫兹的交流电压信号时，装置调试完成。
10.根据权利要求9所述的利用微尺度颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，利用示波器观察放大器的电压信号输出端输出的信号。
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