CN109647557B - 基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其应用和分离方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其应用和分离方法，涉及微/纳尺度的颗粒分离技术。颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底和置于玻璃基底上的带有通道结构的PDMS盖片，入口通道位于悬浮电极的正上方，混合颗粒经由入口全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极、第二激发电极构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道、第二分叉通道、第三分叉通道。本发明是填补了现有技术中对于利用旋涡实现颗粒的连续直接分离的空缺，实现混合颗粒的分离。可应用于化学样本的准备，均匀尺寸氧化石墨烯的提取、氧化石墨烯的分选、环境检测、细胞提取等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用、分离方法，涉及微/纳尺度的颗粒分离技术。
背景技术
微/纳尺度的颗粒分离是在解决很多重要问题中的一个重要步骤，如化学样本的准备，均匀尺寸氧化石墨烯的提取等。因此各种各样的用于微/纳尺度的颗粒的分离的芯片被开发出来。常见的有基于声波，介电泳，磁场，光场，离心分离的微流控芯片。虽然基于声波分离的方法能够实现癌细胞的检测，但是该方法依赖于牵涉到复杂流体操控设备和操作的鞘流去实现混合细胞的聚集。虽然离心的方法能实现大量颗粒的分离，但是高速旋转的特点使得该方法无法实现装置的集成。基于磁场的分离方法只能用于磁性颗粒或者被磁性标定的颗粒的分离。基于介电泳的颗粒分离方法除了面临了和基于声波分离方法相同的问题外，还面临了严重的细胞贴壁的问题。因此，需要开发新的颗粒分离方法。
旋涡是自然界中比较普遍的现象，并且很多国内外的专家已经从理论的角度证明了通过旋涡分离颗粒的可行性，但是到目前为止没有出现基于旋涡实现颗粒连续分离的微流控芯片。出现当前状况的原因可能是利用微旋涡实现颗粒分离需要稳定的，可重复的，精确调控的微旋涡。此外，利用微旋涡进行微尺度颗粒的分离具有很多优点，比如作用范围大，操作环境温和，通过外加电场精确调控，旋涡稳定可靠。因此很多科学家一直需要寻找一种可靠的方法去产生旋涡实现颗粒的分离。
诱导电荷电渗微旋涡在近些年受到了很多国内外专家的关注。目前有很多专家学者利用诱导电荷电渗微旋涡实现了微尺度颗粒的操纵。其中，有相关学者利用旋涡和重力的相互作用发明了实现颗粒聚集的微流控器件。也有一部分学者利用非对称的诱导电荷电渗微旋涡实现了微尺度颗粒的转向的微流控器件。在实验中通过分析颗粒诱导电荷电渗微旋涡中的行为可知，诱导电荷微旋涡在分离微尺度颗粒方面具有巨大的潜力。并且诱导电荷电渗的微旋涡的特点满足上述利用微旋涡实现分离的特点：稳定，可重复，精确调控。因此，开发一款利用诱导电荷电渗微旋涡是实现颗粒分离的微流控器件是一件可行的，有意义的事情。
文献号为CN106824318A的现有技术公开的一种基于诱导电荷电渗和介电泳的微尺度颗粒分离芯片及其制备方法与应用，解决了现有的基于介电泳连续性颗粒分离方法中颗粒聚集过程需要复杂地流体操控和不紧凑的外接设备，无法直接与其它微流控芯片进行集成等问题，而利用诱导电荷电渗效应代替流体挤压效应去完成颗粒聚集过程。该现有技术的分离过程需要两个步骤，第一步通过诱导电荷电渗将颗粒聚成一条线，第二步通过介电泳进行颗粒分离。先聚集后再通过介电泳进行颗粒分离，步骤比较繁琐，操作比较麻烦，成本比较高，需要的设备也比较多，芯片的体积也比较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
本发明为了解决现有的颗粒分离芯片存在颗粒分离操作比较复杂、成本比较高、需要的设备较多等问题，进而提供一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用、分离方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
技术方案一：一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，所述颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底2和置于玻璃基底2上的带有通道结构的PDMS盖片3，玻璃基底2为带有ITO薄膜的玻璃片，玻璃基底2包含有第一激发电极1、第二激发电极7和悬浮电极13；PDMS盖片3包含有入口8、入口通道9、第一分叉通道10、第二分叉通道11；第三分叉通道12、第一出口4、第二出口5和第三出口6；
在玻璃基底2上设有第一激发电极1、第二激发电极7，第一激发电极1由玻璃基底2的中部延伸至玻璃基底2的基底角边缘处，第二激发电极7由玻璃基底2的中部延伸至玻璃基底2的另一基底角边缘处，两个基底角相邻；
位于玻璃基底2的中部的第一激发电极1的端部、第二激发电极7的端部二者平行设置，且二者之间设有悬浮电极13；
PDMS盖片3设有入口8，入口8通过入口通道9同时与第一分叉通道10、第二分叉通道11；第三分叉通道12连通，在第一分叉通道10、第二分叉通道11、第三分叉通道12的出口端上一一对应设有第一出口4、第二出口5、第三出口6；
入口通道9位于悬浮电极13的正上方且悬浮电极13的长度小于或等于入口通道9的长度，
第一分叉通道10、第三分叉通道12呈八字形设置且第二分叉通道11位于二者之间，第二分叉通道11与入口通道9的出口对中设置；
混合颗粒经由入口8全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极1、第二激发电极7构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道10、第二分叉通道11、第三分叉通道12。
进一步地，所述入口通道9的混合颗粒进入端的口径由细突变为宽。
进一步地，所述第一出口4、第二出口5、第三出口6由入至出方向口径逐渐变大。
技术方案二：技术方案一所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的制备方法，所述方法的实现过程为：
(1)利用带有ITO薄膜的玻璃片和光刻胶AZ4620，基于标准软光刻技术在带有ITO薄膜的玻璃片上加工第一激发电极1、第二激发电极7以及位于二者之间的悬浮电极13；
(2)利用杜邦干膜基于标准软光刻技术加工通道模具，在通道模具上浇筑PDMS，加工出带有通道结构的PDMS盖片；
(3)在步骤(2)所述的PDMS盖片上，利用打孔器在入口的位置打一个孔径为1毫米的孔，该孔为入口8，在出口三个对应位置分别打三个孔径为6毫米的孔，三个孔为第一出口4、第二出口5、第三出口6；
(4)对PDMS和玻璃基底进行亲水处理后进行键合；
(5)将直径为外径为1毫米的胶管插入入口，并用AB胶进行粘合。
技术方案三：
上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于化学样本的准备过程中。
上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于均匀尺寸氧化石墨烯的提取中。
上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于环境检测中。
技术方案四：一种利用上述直接颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其过程如下：在一定的电场条件下，在悬浮电极上产生一定强度的诱导电荷电渗微旋涡，不同的颗粒会呈现出不同的行为：较重的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较轻的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧，(较小的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较大的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧)；在微泵的驱动下，聚在两侧的颗粒进入第一和第三出口，聚在中间的颗粒进入第二出口；具体操作方法如下：
(1)将准备好的芯片固定于显微镜上，并将芯片的分离区域(图6所示的位置)移动至显微镜的观察区域；
(2)将准备好的要进行分离的混合颗粒样本，转移至玻璃注射器，并将注射器固定于微注射泵上，通过控制微泵推进，排出注射器中的空气；
(3)将玻璃注射器的输出端与固定在芯片上胶管的输入端相连，将微注射泵的流速调至500纳升/秒，同时通过显微镜观察芯片的分离区域，当观察到大量的颗粒进入分离区域时，将微注射泵的流速调至15纳升/每秒；
(4)将信号器的第一输出通道与信号发生器放大25倍的通道相连，打开信号发生器和信号放大器的开关，初始电压幅值和频率分别调为8V和200Hz；
(5)将信号放大器输出端的正极与第一激发电极相连，将信号放大器输出端负极与第二激发电极相连；
(6)在固定流速下，不断调节信号发生器的电压和频率，同时通过显微镜观察混合颗粒的运动状态，直至观察到一种颗粒沿着悬浮电极两侧运动，另外一种颗粒沿着悬浮电极的中间运动(如图11所示)；
(7)保持步骤(6)获得电压幅值不变的情况下，以30Hz为初始值，以5Hz为步长，微调信号发生器上设定的频率，找到使得颗粒沿着悬浮电极两侧和中间运动的颗粒束的宽度最小的频率值；
(8)采用步骤(7)中的电压幅值和频率下，处理2分钟的颗粒后，在第一出口，第二出口，第三出口分别取出分离后的样本。
进一步地，在第一出口，第二出口，第三出口分别取出分离后的样本后，在显微镜中观察颗粒纯度；在分离之后颗粒的纯度满足要求后，对样本大量处理，并定时进行观察微流控芯片的工作状态，观察分离后颗粒的纯度；如果纯度不满足要求，增大电压幅值，重复权利要求8中步骤(7)，直至分离后的结果满足要求。
本发明的有益效果是：
背景技术中专利文献的诱导电荷电渗的作用是颗粒的聚集，介电泳的作用是分离。而本发明采用诱导电荷电渗微旋涡直接进行分离，即本发明的诱导电荷电渗的作用是用于直接分离混合颗粒，实现了诱导电荷电渗的直接分离，而不需要聚集过程。
在一定的电场条件下，在悬浮电极上产生一定强度的诱导电荷电渗微旋涡，不同的颗粒会呈现出不同的行为：较重的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较轻的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧，(较小的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较大的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧)。在微泵的驱动下，聚在两侧的颗粒进入第一和第三出口，聚在中间的颗粒进入第二出口。
因此，本发明所述的颗粒分离芯片称为直接颗粒分离芯片。本发明是填补了现有技术中对于利用微旋涡实现颗粒的连续直接分离的空缺，本发明提供的是微/纳尺度颗粒分离芯片。本发明首先将混合颗粒全部引导至悬浮电极表面，通过调节外加电场的电压强度和频率来调控诱导电荷电渗微旋涡的形貌，通过利用不同颗粒在旋涡中的不同行为，不同运动轨迹，实现混合颗粒的分离，填补了现有技术的空缺。本发明可应用于化学样本的准备，均匀尺寸氧化石墨烯的提取、氧化石墨烯的分选、环境检测、细胞提取等领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的基于诱导电荷电渗微旋涡颗粒分离的微流控芯片的整体结构图，图2是图1的A部放大图，
在图1和图2中：1-激发电极1；2-玻璃基底；3-PDMS盖片；4-出口1；5-出口2；6-出口3；7-激发电极2；8-入口；9-入口通道；10-分叉通道1；11-分叉通道2；12-分叉通道3；13-悬浮电极；
图3是带有电极结构的玻璃基底的结构图，图4为图2标记方块处的局部放大图；
图5是带有通道结构的PDMS盖片结构图，图6是图5标记方块外的局部放大图。
图7是给出本发明所述芯片的一个具体结构示意图。
图8是本发明的原理示意图，图中：
Inlet:入口outlet A:出口A,outlet B:出口B，outlet C:出口C.ITO:氧化铟锡.Glass玻璃
PDMS:聚二甲基硅氧烷Particle:颗粒。
图9是仿真结果图，图10是实验装置(直接颗粒分离芯片)的照片，图11是实验结果图。
图12是本发明利用不同颗粒在旋涡中的不同行为，不同运动轨迹，实现混合颗粒的分离的原理示意图，图a表示颗粒在旋涡中分离的过程，图b表示颗粒在旋涡中分离后的稳定状态。
具体实施方式
如图1至图8所示。本实施方式针对基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备以及利用该芯片分离微尺度颗粒的方法进行如下阐述：
1、芯片的具体结构尺寸：入口的大小1毫米，入口通道的宽度为150微米，通道的宽度为600微米，悬浮电极的宽度为270微米，分叉通道1的宽度为300微米，分叉通道2的宽度为150微米，分叉通道3的宽度为300微米。分叉通道1和3与主通道的夹角为165度，入口通道位置的通道壁面与主通道呈80度夹角。激发电极1和2的长度为4000微米，悬浮电极的长度比激发电极长200微米。出口1,2和3的直径均为6毫米。具体参考图7。
2、制备过程为：(1)利用带有ITO薄膜的玻璃片和光刻胶AZ4620，基于标准软光刻技术加工处电极结构；(2)利用杜邦干膜基于标准软光刻技术加工通道模具，进而往通道模具上浇筑PDMS，加工出带有通道结构的PDMS盖片；(3)利用打孔器在入口的位置打一个1毫米的孔，在出口1,2和3的位置分别打一个直径为6毫米的孔。(4)对PDMS和玻璃基底进行亲水处理后进行键合。(5)将直径为外径为1毫米的胶管插入入口，并用AB胶进行粘合。
3、将无水乙醇与吐温试剂的体积比为(9-12)：1进行混合。获得吐温溶液。在实验之前，使用配置的吐温溶液对芯片的通道的内壁进行浸泡半个小时，缓解在实验过程中，样本粘贴在通道壁面上。4、配置电导率为10μS/cm的KCl电解液，将要分离的样本放入离心管中进行离心处理至样本全部沉淀与离心管底部，用移液枪把原本的液体移走，然后加入刚刚配置的KCl电解液，并按100:1的体积比加入吐温溶液，避免颗粒之间的粘连。5、在实验过程中，信号发生的输出端与信号放大器的输入端相连，信号发生的输出端的正极与激发电极1相连，负极与激发电极2相连。6、将样本通过注射微泵注入芯片内，加上电后，观察颗粒样本在芯片中的运动特点，通过调节注射泵的输入流速，电压的频率和幅值寻找适合分离的条件。
7、在适合颗粒样本分离的条件下，对样本进行连续大量处理。
针对本发明分离效果的验证：
分离的样本为5微米的聚苯乙烯微球和4微米的二氧化硅微球，分离的电压幅值是7.5V频率是150Hz，流速为14.4微升每小时。仿真结果如图9，实验装置如图10，实验结果图11所示。
从图11中得到的结论：通过我们提出的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片能够成功实现5微米的聚苯乙烯颗粒和4微米的二氧化硅颗粒的分离，进而证明了我们提出的方法的可行性。
从图11中看到的信息：5微米的聚苯乙烯颗粒和4微米的二氧化硅颗粒的混合颗粒，通过入口进入通道内，这两种颗粒全部通过悬浮电极，没有泄露现象，5微米的聚苯乙烯颗粒在诱导电荷电渗微旋涡的捕获，沿着悬浮电极两侧边界运动，进入两侧的出口，而二氧化硅颗粒没有被旋涡捕获，沿着悬浮电极中间位置运动，进入了中间的出口。由于这两种颗粒进入了不同的出口，从而证明了两种颗粒被提出的芯片成功分离。
本发明通过调节外加电场的电压强度和频率来调控诱导电荷电渗微旋涡的形貌，其过程是：旋涡的速度，旋涡的作用范围和旋涡的强度与外加电压强度和频率有一定的关系，通过调节电压强度和频率，可改变旋涡的速度、作用范围、强度，从而调控了诱导电荷电渗微旋涡的形貌。
本发明利用不同颗粒在旋涡中的不同行为，不同运动轨迹，实现混合颗粒的分离。具体为：如图12，其中的图a和b是说明颗粒分离的示意图(表征了截面图)，体积大的颗粒被微旋涡捕获，体积小颗粒不能被旋涡捕获(图a),在诱导电荷电渗微旋涡的作用下，体积大的颗粒被聚集在旋涡中心的位置，体积小的颗粒被聚集在旋涡外侧，也就是悬浮电极中间位置(图b)；分离效果的俯视图效果如图11所示，体积小的颗粒将会进入中间出口，体积大的颗粒将会进入两侧出口。
Claims (8)
1.一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底(2)和置于玻璃基底(2)上的带有通道结构的PDMS盖片(3)，玻璃基底(2)为带有ITO薄膜的玻璃片，玻璃基底(2)包含有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)和悬浮电极(13)；PDMS盖片(3)包含有入口(8)、入口通道(9)、第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)、第一出口(4)、第二出口(5)和第三出口(6)；
在玻璃基底(2)上设有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)，第一激发电极(1)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的基底角边缘处，第二激发电极(7)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的另一基底角边缘处，两个基底角相邻；
位于玻璃基底(2)的中部的第一激发电极(1)的端部、第二激发电极(7)的端部二者平行设置，且二者之间设有悬浮电极(13)；
PDMS盖片(3)设有入口(8)，入口(8)通过入口通道(9)同时与第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)连通，在第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)的出口端上一一对应设有第一出口(4)、第二出口(5)、第三出口(6)；
入口通道(9)位于悬浮电极(13)的正上方且悬浮电极(13)的长度小于或等于入口通道(9)的长度，
第一分叉通道(10)、第三分叉通道(12)呈八字形设置且第二分叉通道(11)位于二者之间，第二分叉通道(11)与入口通道(9)的出口对中设置；
混合颗粒经由入口(8)全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极(1)、第二激发电极(7)构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述入口通道(9)的混合颗粒进入端的口径由细突变为宽。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述第一出口(4)、第二出口(5)、第三出口(6)由入至出方向口径逐渐变大。
4.一种权利要求1所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，其特征在于，将所述的直接颗粒分离芯片应用于化学样本的准备过程中。
5.一种权利要求1所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，其特征在于，将所述的直接颗粒分离芯片应用于均匀尺寸氧化石墨烯的提取中。
6.一种权利要求1所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，其特征在于，将所述的直接颗粒分离芯片应用于环境检测中。
7.一种利用权利要求1所述直接颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，其过程如下：在一定的电场条件下，在悬浮电极上产生一定强度的诱导电荷电渗微旋涡，不同的颗粒会呈现出不同的行为：较重的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较轻的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧；在微泵的驱动下，聚在两侧的颗粒进入第一和第三出口，聚在中间的颗粒进入第二出口；具体操作方法如下：
(1)将准备好的芯片固定于显微镜上，并将芯片的分离区域移动至显微镜的观察区域；
(2)将准备好的要进行分离的混合颗粒样本，转移至玻璃注射器，并将注射器固定于微注射泵上，通过控制微泵推进，排出注射器中的空气；
(3)将玻璃注射器的输出端与固定在芯片上胶管的输入端相连，将微注射泵的流速调至500纳升/秒，同时通过显微镜观察芯片的分离区域，当观察到大量的颗粒进入分离区域时，将微注射泵的流速调至15纳升/每秒；
(4)将信号器的第一输出通道与信号发生器放大25倍的通道相连，打开信号发生器和信号放大器的开关，初始电压幅值和频率分别调为8V和200Hz；
(5)将信号放大器输出端的正极与第一激发电极相连，将信号放大器输出端负极与第二激发电极相连；
(6)在固定流速下，不断调节信号发生器的电压和频率，同时通过显微镜观察混合颗粒的运动状态，直至观察到一种颗粒沿着悬浮电极两侧运动，另外一种颗粒沿着悬浮电极的中间运动；
(7)保持步骤(6)获得电压幅值不变的情况下，以30Hz为初始值，以5Hz为步长，微调信号发生器上设定的频率，找到使得颗粒沿着悬浮电极两侧和中间运动的颗粒束的宽度最小的频率值；
(8)采用步骤(7)中的电压幅值和频率下，处理2分钟的颗粒后，在第一出口，第二出口，第三出口分别取出分离后的样本。
8.根据权利要求7所述的分离微尺度颗粒的方法，其特征在于，在第一出口，第二出口，第三出口分别取出分离后的样本后，在显微镜中观察颗粒纯度；在分离之后颗粒的纯度满足要求后，对样本大量处理，并定时进行观察微流控芯片的工作状态，观察分离后颗粒的纯度；
如果纯度不满足要求，增大电压幅值，重复权利要求7中步骤(7)，直至分离后的结果满足要求。
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