CN109482249A - 用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置及方法，该装置由盖片层和载片层组成，盖片层上开设有目标样品液加液区、入口观察区、入口收缩区、渐缩微通道、出口扩展区、出口观察区和液体排液区；微颗粒经待测高分子溶液稀释后进入变截面的微通道，颗粒在经由渐缩的微通道结构后，会因非牛顿流体中高分子浓度的不同而在通道出口处呈现不一样的富集程度；经由出口处获得的颗粒分布图像，可以计算出不同流速下颗粒的带宽方差，将获得的带宽方差与实验所得的标准数据库进行比对，即可得出流体中高分子浓度；本发明具有加工容易、结构简单、成本低、便于携带、适用性高等优点，在生物医学、食品科学、生产生活中都具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置及方法。
背景技术
剪切应力与剪切速率之间满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，剪切应力与剪切速率不满足牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。如血液和牛乳都是典型的非牛顿流体。这类非牛顿流体中通常存在高分子。高分子的存在从根本上改变了流体内的剪切应力与剪切速率之间的关系。而对这些高分子含量进行快速便携式检测，在生物医学、临床诊断和食品安全等领域都有重要意义。如在食品安全领域，对牛乳中的蛋白高分子含量进行检测，可方便快速地获得牛乳的蛋白含量，避免三聚氰胺类事件的再次发生。目前，对于流体中高分子含量的检测主要通过大型的生化分析仪或离子交换高压液相色谱仪等仪器来完成，而这些方法带来了样品消耗量大、操作程序复杂等缺点，并且往往需要配备具有实验室水平的操作环境和专业的技术操作人员，上述问题严重阻碍了对高分子即时快速检测的应用与推广。所以研究快速、便携、操作简单的新型装置和方法，对于快速检测非牛顿流体中高分子含量有重要的意义。
微流控芯片，也被称为“芯片上的实验室”，是一种在微米尺度的空间中对流体、颗粒等进行操控与检测的技术，由于微流控芯片技术具有进样量小、集成度高、已实现自动化控制和高通量分析的特点，使得在微流控芯片上进行样品处理更方便、快速、成本低廉。而目前在微流控技术中对高分子的检测方法，如蛋白质、高分子聚合物等，大多都采用荧光标记的形式，通过化学反应之后对产物进行光度分析得到高分子在流体中的含量。但这种方法的缺点是：1)对高分子进行荧光标记对荧光素有较高的要求。2)对于一些聚合物高分子很难对其进行荧光标记。3)化学反应过程中操作较为复杂。因此，需要进一步研发操作简单的微流控装置以及适用性高、简洁快速的检测方法。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于非牛顿流体中高分子含量快速检测的微流控装置及方法，能有效的检测非牛顿流体中高分子含量，具有结构简单、效率高、成本低、易操作、适用性好等优点，在生物医学、食品科学等领域具有巨大的应用潜力。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，由盖片层8和置于盖片层8下的载片层9组成；所述的盖片层8上依次开设有目标样品液加液区1、入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5、出口观察区6和液体排液区7形成的微通道；所述的微通道从目标样品加液区1至液体排液区7之间处于连通状态；通过在所述目标样品液加液区1进入微通道的待检样本中加入确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒，混合均匀，使检测颗粒在其中呈悬浮状态；所述的入口观察2与出口观察区6用于观察和拍摄检测微颗粒在通道入口与出口的分布状态；所述出口观察区6中微颗粒的分布状态与高分子含量存在对应关系，通过对不同高分子含量、不同流量条件下的颗粒分布状态进行前期标定，为后续待测样本液中高分子含量的检测提供标准比对数据；所述的入口收缩区3与出口扩展区5用于防止流体流入和流出渐缩微通道4时形成涡流，扰乱颗粒分布。
所述渐缩微通道4的入口宽度为80μm，出口宽度为20μm，在流动方向上渐缩微通道4从入口至出口的长度为2cm。
所述盖片层8和载片层9通过等离子处理结合在一起。
所述目标样品液加液区1、入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5、出口观察区6和液体排液区7位于盖片层8和载片9相结合处的中央位置。
所述目标样品液加液区1和液体排液区7均为圆柱形孔。
所述入口观察区2和出口观察区6的宽度均为800μm。
所述入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5和出口观察区6的高度均为40μm。
所述盖片层8的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。
所述载片层9的材料为玻璃或硅。
所述的用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置进行高分子含量检测的的方法，首先将确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒加入待测一定体积的非牛顿流体中，混合均匀，使检测颗粒在其中呈悬浮状态；将加入待检测微颗粒的样本液通过目标样品液加液区1以一定的流量注入微通道，经入口观察区2、入口收缩区3进入渐缩微通道4，微颗粒在渐缩微通道4中受到高分子引发的弾性力作用、流体引发的粘性力作用及壁面渐缩结构引发的作用，逐渐向通道中心处运动，后经出口扩展区5，在出口观察区6呈现一定的分布状态，不同流量条件下的微颗粒的分布状态可通过对颗粒的侧向距离进行方差计算进行定量分析，从而获得不同流量条件下颗粒分布方差曲线；将上述不同流量条件下的颗粒分布方差曲线与前期得到的非牛顿流体中的颗粒分布方差标准数据库进行比对，即可得出待测非牛顿流体中的高分子浓度；样本残液通过液体排液区7排出。
本发明与现有技术和方法相比较，具有如下优点：
1)方法简单，操作容易。本发明只需将确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒加入到待测非牛顿流体中，通过测定不同流量状态下通道出口位置处微颗粒的分布状态，与标准数据库进行对比，可方便快速检测非牛顿流体中的高分子含量，无需对溶液中高分子进行荧光染色或进行其他化学反应，整个过程操作简单，操作人员无需专业培训。
2)微通道结构简单，成本低，方便制作。本发明采用变截面直通道的形式，通道中并无复杂结构，通过简单的标准软光刻技术就可实现加工制作，因而本发明适合于大规模生产和市场推广。
附图说明
图1为本发明用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置俯视图。
图2为本发明用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置A-A截面图。
图3为本发明用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置的三维示意图。
图4本发明用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置在不同流速下出口颗粒分布状态图，其中：图4a流速为5ul/min，图4b流速为10ul/min，图4c流速为20ul/min，图4d流速为30ul/min，图4e流速为40ul/min，图4f流速为50ul/min。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
如图1至图3所示，本发明是一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，该装置由标准软光刻技术加工，所述装置由盖片层8和置于盖片层8下的载片层9组成；所述的盖片层8上依次连通开设有目标样品液加液区1、入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5、出口观察区6和液体排液区7形成的微通道；所述的样品液加液区1、入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5、出口观察区6和液体排液区7位于盖片层8和载片9相结合处的中央位置。所述样品液加液区1的目标样品液的配置需用将粒径大小相同的微颗粒加入到待测的非牛顿流体当中，之后采用超声震荡器进行搅拌，形成装置所需的目标样品悬浮液。所述的入口观察2与出口观察区6用于拍摄微颗粒在通道进出口分布的明场图像。所述的入口收缩区3与出口扩展区5对流体流入和流出渐缩微通道4起到缓冲作用，并防止在流场中形成涡流。所述的渐缩微通道4的渐扩端宽度为80μm，渐缩端宽度为20μm，从渐扩端到渐缩端在流动方向上的长度为2cm，目标样品悬浮液经注射泵注入微流体装置中，在渐缩微通道区域内，非牛顿流体中高分子可有效的与微颗粒充分作用，最终颗粒在出口处会呈现不同的带宽分布，经由CCD摄像机拍摄出口观察区6中颗粒分布的明场图像，而所述出口观察区6中微颗粒的分布状态与高分子含量存在对映关系,前期可通过实验对不同高分子含量、不同流量条件下的颗粒分布状态进行标定，获得高分子含量的标准数据库。然后计算出图像中不同流速下颗粒的带宽方差，与实验所得的标准数据库进行比对，即可得出流体中高分子浓度。
作为本发明的优选实施方式，本发明中微流控芯片使用标准软光刻技术加工，所述盖片层8和载片9通过等离子处理结合在一起。也可以使用其他材料或方法，如干法、湿法刻蚀等在硅片等材料上加工本发明的微通道。
作为本发明的优选实施方式，所述缓冲液加液区1和液体排液区7均为圆柱形孔。
作为本发明的优选实施方式，所述入口观察区2、出口观察区6的宽度都为800μm。
作为本发明的优选实施方式，所述入口观察区2、入口收缩区3、渐缩微通道4、出口扩展区5和出口观察区6的高度均为40μm。
作为本发明的优选实施方式，所述盖片层8的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。
作为本发明的优选实施方式，所述载片9的材料为玻璃或硅。
下面以一实例说明本发明的实施过程：
以采用本发明微流控装置对牛乳中蛋白高分子含量快速检测为例，首先将确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒加入待测一定体积的待测牛乳中，混合均匀，使检测颗粒在其中呈悬浮状态。将加入待检测微颗粒的样本液通过目标样品液加液区1以一定的流量注入微通道，经入口观察区2、入口收缩区3进入渐缩微通道4，微颗粒在渐缩微通道4中受到高分子引发的弾性力作用、流体引发的粘性力作用及壁面渐缩结构引发的作用，逐渐向通道中心处运动，后经出口扩展区5，在出口观察区6呈现一定的分布状态，不同流量条件下的微颗粒的分布状态可通过对颗粒的侧向距离进行方差计算进行定量分析，从而获得不同流量条件下颗粒分布方差曲线。将上述不同流量条件下的颗粒分布方差曲线与前期得到的牛乳中的颗粒分布方差标准数据库进行比对，即可得出待测牛乳中的蛋白高分子浓度。样本残液通过液体排液区7排出。图4中图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f为在不同流速下颗粒在通道出口观察区6的分布状态，从图中可以看出：微颗粒在通道出口呈现不一样的富集程度，随着流速的不断增加，颗粒的富集效果越来越差，通过对颗粒的侧向距离进行方差计算，会得到一条随流速递增的方差曲线，然后将得到的曲线与前期得到的标准数据库进行比对，即可得到溶液中高分子的浓度。综上，本发明的微流控装置采用变截面直通道的形式，通道中并无复杂结构，通过简单的标准软光刻技术就可实现加工制作，而且本发明采用的方法通过分析不同浓度的高分子溶液对颗粒侧向迁移的影响，利用这一特殊的物理规律，有别于其他技术采用的化学反应过程，对最终结果采用简单方差计算的形式，得出目标溶液的高分子浓度，因而本发明适合于大规模生产和市场推广,在生物医学、食品科学以及生产生活等领域有着重要的应用潜力。
Claims (10)
1.一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：由盖片层(8)和置于盖片层(8)下的载片层(9)组成；所述的盖片层(8)上依次开设有目标样品液加液区(1)、入口观察区(2)、入口收缩区(3)、渐缩微通道(4)、出口扩展区(5)、出口观察区(6)和液体排液区(7)形成的微通道；所述的微通道从目标样品加液区(1)至液体排液区(7)之间处于连通状态；通过在所述目标样品液加液区(1)进入微通道的待检样本中加入确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒，混合均匀，使检测颗粒在其中呈悬浮状态；所述的入口观察(2)与出口观察区(6)用于观察和拍摄检测微颗粒在通道入口与出口的分布状态；所述出口观察区(6)中微颗粒的分布状态与高分子含量存在对应关系，通过对不同高分子含量、不同流量条件下的颗粒分布状态进行前期标定，为后续待测样本液中高分子含量的检测提供标准比对数据；所述的入口收缩区(3)与出口扩展区(5)用于防止流体流入和流出渐缩微通道(4)时形成涡流，扰乱颗粒分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述渐缩微通道(4)的入口宽度为80μm，出口宽度为20μm，在流动方向上渐缩微通道(4)从入口至出口的长度为2cm。
3.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述盖片层(8)和载片层(9)通过等离子处理结合在一起。
4.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述目标样品液加液区(1)、入口观察区(2)、入口收缩区(3)、渐缩微通道(4)、出口扩展区(5)、出口观察区(6)和液体排液区(7)位于盖片层(8)和载片(9)相结合处的中央位置。
5.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述目标样品液加液区(1)和液体排液区(7)均为圆柱形孔。
6.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述入口观察区(2)和出口观察区(6)的宽度均为800μm。
7.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述入口观察区(2)、入口收缩区(3)、渐缩微通道(4)、出口扩展区(5)和出口观察区(6)的高度均为40μm。
8.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述盖片层(8)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。
9.根据权利要求1所述的一种用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置，其特征在于：所述载片层(9)的材料为玻璃或硅。
10.权利要求1至9任一项所述的用于非牛顿流体中高分子含量检测的微流控装置进行高分子含量检测的的方法，其特征在于：首先将确定浓度或数目的同一尺寸的检测微颗粒加入待测一定体积的非牛顿流体中，混合均匀，使检测颗粒在其中呈悬浮状态；将加入待检测微颗粒的样本液通过目标样品液加液区(1)以一定的流量注入微通道，经入口观察区(2)、入口收缩区(3)进入渐缩微通道(4)，微颗粒在渐缩微通道(4)中受到高分子引发的弾性力作用、流体引发的粘性力作用及壁面渐缩结构引发的作用，逐渐向通道中心处运动，后经出口扩展区(5)，在出口观察区(6)呈现一定的分布状态，不同流量条件下的微颗粒的分布状态可通过对颗粒的侧向距离进行方差计算进行定量分析，从而获得不同流量条件下颗粒分布方差曲线；将上述不同流量条件下的颗粒分布方差曲线与前期得到的非牛顿流体中的颗粒分布方差标准数据库进行比对，即可得出待测非牛顿流体中的高分子浓度；样本残液通过液体排液区(7)排出。
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