CN109865543B - 一种高通量微流控体波分选芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量微流控体波分选芯片及其制备方法。其器件由带有驻波反应腔的玻璃片、压电陶瓷片构成。玻璃片上的驻波反应腔是由玻璃底片、玻璃垫片I、玻璃隔片I、玻璃垫片II、玻璃隔片II和玻璃顶片从下到上依次使用紫外固化胶叠层封装起来在玻璃内部形成的沟道以及沟道上的进样口、出样口所构成，其中沟道的宽度为厘米级别，高度为微米级别的，可以实现大通量的液体通入；压电陶瓷片粘在玻璃片的底部并在两极引出两根导线。压电陶瓷在外加电信号的驱动下，在沟道在垂直方向上产生驻波场，从垂直方向分选不同粒子。本发明制备过程简单，成本低廉，可操控性强，方便适用于细胞等生物样本的大通量的聚集、分离和操控。

Description

一种高通量微流控体波分选芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微全分析领域，特别涉及一种基于体声波高通量分选芯片及其制备方法。

背景技术

微流控芯片技术起源于20世纪90年代，最初应用于分析化学领域，它以微通道为结构特征，以生命科学为主要研究对象，通过微机电加工工艺(MEMS)，将整个实验室的功能包括样片预处理、反应、分离、检测等集成在微芯片上，使分析速度得到极大提高，具有集成度高，试剂消耗少，制作成本低，分析效率高等特点，具有极为广泛的适用性和应用前景，是当前微全分析系统研究的重点。

对于粒径小于声波波长的流体中的粒子，超声驻波能对其进行有效的免接触式的操控。并且由于声学检测和操作方法对活体生物样本的无损性，使其成为在微流系统中研究的新热点。

目前，在微流控系统中，器件采用水平方向的分选方式，导致分选通量比较低(<1mL/分钟)，而且制备复杂，一般通过湿法腐蚀的方法，在硅片等硬质材料上刻蚀出微网络结构，用脉冲激光器在硅片上钻孔，再通过阳极键合的方式将玻璃键合到刻蚀由微结构的硅片上形成声波芯片，而且要用到价值数百万的阳极键合设备，提高了制备成本。且面临着高温高电压的工作环境，不利于实验员的生命安全。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于垂直方向分选的、制备过程简单、制备成本低廉且安全便捷、可以实现高通量的微流控体波分选芯片及其制备方法。

本发明制备的芯片是基于垂直方向的分选，从而能够实现大通量的流体流动继而实现三种不同粒子的筛选。本发明所制备的芯片的驻波反应腔通过隔片将腔体分隔成上中下三个腔室，流体在三个腔室内能够形成稳定的层流，为分流提供了结构基础。驻波反应腔在高度方向产生驻波场，波节点在驻波反应腔的1/2高度处，如图4所示，分别是沟道截面在压电陶瓷片上施加特定频率电压时的声场分布和声压级分布Comsol模拟图，可以从模拟图中看到沟道1/2高度处的声场为0和声压级为最低，证明沟道内能够产生驻波场并且驻波的节点在沟道的1/2高度处。由于粒子受到的声辐射力与粒子的半径、密度以及压缩系数有关，不同粒子受到的声辐射力不同，在向沟道1/2高度处运动时产生运动轨迹差，进入不同的流层，其中受力最大的粒子会从上层出口即出样口I流出，受力次之的粒子会从中层出口即出样口II流出，受力最小的粒子会保持在下层流体中从下层出口即出样口III流出。基于上述的设计，驻波反应腔的体积相较于水平方向的分选分式的流体的通道的体积成数十倍甚至是数百倍扩大，从而实现了垂直方向的大通量分选。

本发明提供的技术方案如下：

一种高通量微流控体波分选芯片，由多层玻璃片叠层封装形成的驻波反应腔和压电陶瓷片构成：并且：

(1)所述驻波反应腔由镂空的玻璃片堆叠形成，驻波反应腔腔内的玻璃隔片将驻波反应腔分隔成上中下三个腔室；

(2)所述驻波反应腔的上下腔室均开有进样口；上中下腔室均开有出样口；

(3)所述的压电陶瓷片粘合在玻璃片的底部，并通过两极引出两根信号输入导线。

具体的，所述驻波反应腔由大小相同的7片玻璃片堆叠封装形成，玻璃片之间通过紫外固化胶粘接；从下到上依次为底片(13)、垫片I(12)、隔片I(11)、垫片II(10)、隔片II(9)、垫片III(8)和顶片(7)；

其中，

底片(13)两端开有进样口I(2)和出样口III(5)；

垫片I(12)中间镂空为六棱形；

隔片I(11)中间镂空为正方形；

垫片II(10)中间镂空为六棱形；

隔片II(9)左半部分镂空，小于垫片I(12)六棱形面积的五边形，右半部分开有孔通入到出样口II(4)；

垫片III(8)中间靠左镂空为面积小于垫片I(12)的六棱形；

顶片(7)左半部分开有进样口I(1)，右半部分开有出样口I(3)、出样口II(4)。

具体的，所述隔片I(11)和隔片II(9)之间的距离为75-250μm。

具体的，所述压电陶瓷片粘合在驻波反应腔中腔室正下方的玻璃底片(13)上，其中压电陶瓷片正上方区域为声波的有效作用区域，波节点在驻波反应腔的1/2高度处。

具体的，所述驻波反应腔的高度为微米级别，宽度为厘米级别，以实现大通量的流体流动。

具体的，所述出样口I(3)用于上腔的流体流出；出样口II(4)用于中腔的流体流出；出样口III(5)用于下腔的流体流出。

具体的，所述压电陶瓷片为PZT材质，谐振频率在830kHz附近。

本发明的另一目的在于提供上述高通量微流控体波分选芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过激光刻蚀分别加工出7片带有镂空结构的玻璃薄片，分别为底片、垫片I、隔片I、垫片II、隔片II、垫片III和顶片；其中底片上开有进样口II和出样口III；顶片上开有进样口I和出样口I、出样口II；

(2)利用紫外固化胶从下到上依次将玻璃底片、玻璃垫片I、玻璃隔片I、玻璃垫片II、玻璃隔片II、玻璃垫片III和玻璃顶片叠加封装起来，形成具有驻波反应腔的玻璃结构；

(3)在压电陶瓷片两极引出两根信号输入导线后将压电陶瓷片粘合在驻波反应腔的正下方。

本发明的有益效果：

(1)驻波反应腔采用分隔式设计，在驻场波的作用下形成垂直方向的分选，极大提高流体通量，容易实现对细胞等生物活体样品的大通量(>10mL/min)分离、捕获和操纵；

(2)可实现三种不同粒子的分离；

(3)装置结构简单，制作和加工简易，成本极低，无需再在硅片上钻孔，无需价格昂贵的阳极键合设备和特制的耐高温玻璃；

(4)压电陶瓷工作频率可调，可根据需要实现不同粒子的分离；

(5)所提供的驻波芯片为分选芯片提供了一种有效地参考和选择，并可广泛应用于生命科学、药物科学和医学等领域，具有较大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的所用镂空的玻璃片示意图；

图3是发明的侧面示意图；

图4是在声辐射力作用下压电陶瓷片正上方区域沟道在厚度方向上的2D模拟效果图；(a)沟道声场模拟图；(b)沟道声压级模拟图；

图5是本发明提供的分选芯片在声辐射力共同作用下对大小粒子分选的理论示意图：图(a)为压电陶瓷片(6)上未施加任何电信号时沟道内层流截面示意图，(b)为在压电陶瓷片(6)施加特定频率电信号后沟道内产生驻波分选粒子示意图；

附图标记：1-进样口I；2-进样口II；3-出样口I；4-出样口II；5-出样口III；6-压电陶瓷片；7-顶片；8-垫片III；9-隔片II；10-垫片II；11-隔片I；12-垫片I；13-底片；14-环氧树脂；15-紫外固化胶；16-驻波反应沟道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例1

制备高通量微流控体波分选芯片

制备方法如下：

(1)利用激光切割厚度不同的玻璃片，加工出具有镂空形状的整体尺寸相同的7片玻璃薄片：

底片13，两端开有进样口I 2和出样口III 5；优选的，厚度为1.25mm；

垫片I12，中间镂空为六棱形；优选的，厚度为150μm；

隔片I11中间镂空为正方形；优选的，厚度为厚度为75μm；

垫片II 10中间镂空为六棱形，整体上和垫片I12完全相同；优选的，厚度为厚度为100μm；

隔片II 9左半部分镂空，镂空部分为面积小于垫片I12六棱形面积的五边形，右半部分开有孔通入到出样口II 4；优选的，厚度为75μm；

垫片III 8中间靠左镂空为面积小于垫片I12的六棱形；优选的，厚度为450μm；

顶片7左半部分开有进样口I1，右半部分开有出样口I 3、出样口II 4；优选的，厚度为1.25mm。

图2示出了各玻璃片的形状及镂空结构的图形。

(2)用紫外固化胶15从下到上依次将底片13、垫片I12、隔片I11、垫片II 10、隔片II 9、垫片III 8和顶片7粘合封装。

(3)在压电陶瓷片6两极引出两根信号输入导线并使用环氧树脂14粘合在两片隔片玻璃镂空区域正下方的玻璃底片上。其中压电陶瓷的谐振频率为830kHz附近。

图1示出了芯片的结构图。图3示出了封装以后的芯片的侧视图。

应用实施例1

利用实施例1制备的分选芯片进行血细胞分选

取血样利用实施例1所制备的分选芯片进行血细胞分选，压电陶谐振频率830kHz。分选结果为：出样口I流出的血液中粒径较大的粒子，包括白细胞(直径大于10微米)；出样口II流出的是粒径中等的粒子，包括红细胞(直径介于6-9微米)；出样口III流出的是小粒径的粒子，包括血小板(直径小于4微米)。图5示出了分选三种粒子的示意图。从图5可以看出，含有三种大小不同粒子的样品溶液经进样口I1流入，缓冲溶液从进样口II 2流入，调节进样口I、II和出样口I、II、III的流速，使得样品溶液和缓冲液在沟道内形成稳定层流，其中样品溶液只从下层经出样口III 5流出。如图5(a)所示，在压电陶瓷片(6)上施加特定频率的电信号使得沟道在高度方向产生驻波，其中驻波节点在沟道1/2高度处。由于粒子受到的声辐射力与粒子的半径、密度以及压缩系数有关，不同粒子受到的声辐射力不同，在向沟道1/2高度处运动时产生运动轨迹差，进入不同的流层，其中受力最大的粒子即大粒子会从上层出口即出样口I 3流出，受力次之的粒子即次小粒子会从中层出口即出样口II 4流出，受力最小的粒子即最小粒子会保持在下层流体中从下层出口即出样口III 5流出，如图5(b)所示。基于上述的设计，驻波反应腔的体积相较于水平方向的分选分式的流体的通道的体积成数十倍甚至是数百倍扩大，从而实现了垂直方向的大通量分选。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：

由多层玻璃片叠层封装形成的驻波反应腔和压电陶瓷片构成：并且：

所述驻波反应腔由镂空的玻璃片堆叠形成，驻波反应腔腔内的玻璃隔片将驻波反应腔分隔成上中下三个腔室；

所述驻波反应腔的上下腔室均开有进样口；上中下腔室均开有出样口；

所述的压电陶瓷片粘合在玻璃片的底部，并通过两极引出两根信号输入导线。

2.根据权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：

所述驻波反应腔由整体尺寸相同的7片玻璃片堆叠封装形成，玻璃片之间通过紫外固化胶粘接；从下到上依次为底片（13）、垫片I（12）、隔片I （11）、垫片II （10）、隔片II （9）、垫片III （8）和顶片（7）；

其中，

底片（13）两端开有进样口II（2）和出样口III（5）；

垫片I （12）中间镂空为六棱形；

隔片I （11）中间镂空为正方形；

垫片II （10）中间镂空为六棱形；

隔片II （9）左半部分镂空，为面积小于垫片I （12）六棱形的五边形，右半部分开有孔以通入到出样口II（4）；

垫片III（8）中间靠左镂空为面积小于垫片I（12）的六棱形；

顶片（7）左半部分开有进样口I（1），右半部分开有出样口I（3）、出样口II（4）。

3. 根据权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：所述隔片I （11）和隔片II （9）之间的距离为75-250 μm。

4.根据权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：所述压电陶瓷片粘合在驻波反应腔中腔室正下方的底片（13）上，其中压电陶瓷片正上方区域为声波的有效作用区域，波节点在驻波反应腔的1/2高度处。

5.根据权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：所述驻波反应腔的高度为微米级别，宽度为厘米级别，以实现大通量的流体流动。

6. 根据权利要求2所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：所述出样口I （3）用于上腔的流体流出；出样口II （4）用于中腔的流体流出；出样口III （5）用于下腔的流体流出。

7. 根据权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片，其特征在于：所述压电陶瓷片为PZT材质，谐振频率在830 kHz附近。

8.一种权利要求1所述的高通量微流控体波分选芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过激光刻蚀分别加工出7片带有镂空结构的玻璃薄片，分别为底片、垫片I、隔片I、垫片II、隔片II、垫片III和顶片；其中底片上开有进样口II和出样口III；顶片上开有进样口I和出样口I、出样口II；

利用紫外固化胶从下到上依次将底片、垫片I、隔片I、垫片II、隔片II、垫片III和顶片叠加封装起来，形成具有驻波反应腔的玻璃结构；

在压电陶瓷片两极引出两根信号输入导线后将压电陶瓷片粘合在驻波反应腔的正下方。

9.权利要求1-7任一项所述的高通量微流控体波分选芯片基于垂直方向分选的在分选三种不同粒子的应用。

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