CN110343603A - 利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，包括微流控芯片主体，所述微流控芯片主体具有聚焦模块、分选模块和主流道，所述主流道在所述微流控芯片主体的出口端分叉形成两个出液流道，所述两个出液流道之间设有与所述主流道连通的逆流鞘液流道，所述逆流鞘液流道中通入与所述主流道流动方向相反的逆流鞘液。本发明可以解决现有技术中细胞或者微粒粘附在V字形壁面的问题，能防止流道阻塞，提高分析或者分选精度，避免了重复拆洗芯片，降低了成本；本发明中的逆流鞘液与主流道中的鞘液配合还可以对样品进行再次聚焦，保证细胞稳定流出芯片。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片领域，特别涉及一种利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片是指在微米和亚微米尺度下研究生物和化学中有关微小流体和微粒相关分析，检测，分选的多功能集成系统。这样的集成系统，被称之为“芯片实验室”。在这样仅有几平方厘米的微小生物实验室上面，通过相关设计可以具备采样、样品预处理、反应、分离及检测等功能。与常规的实验操作相比，采用微流控技术可以减少实验所需试剂，实现微米级尺度微粒的分析和分选，同时因其尺寸微小，多种功能集成在一起，具有偏于携带，全操作自动化等优点。
自微流控芯片问世以来，在微生物检测、药物分析、细菌检测等诸多领域，越来越受到人们的重视和青睐。其中对于细胞分析领域中发挥的作用，例如细胞与细胞共同培养和相互作用、体外细胞微环境的构建和模拟、单细胞操控和分析以及芯片器官等，极大的促进了现代生物医学的发展。这是微流控系统的特征尺寸与细胞和其他微生物实体的大小相称，在这样的系统中不仅能够在体外有效模拟细胞微环境，而且能够实现对单个细胞的分析和分选。
然而，在应用于流式细胞分选的微流控芯片出口通道一般至少包括一个分选通道和废液通道，这样在两个出口通道的交叉口会形成相对于流体流动方向的凸起，在凸起区域形成流动中驻点，这种驻点的存在致使细胞或者微粒粘附上面，进而引起细胞或者微粒的聚集，导致稳定的微流体流动状态发生改变，使分析或者分选精度下降，同时也会引起引起流道拥堵，样品污染，纯度下降等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，包括微流控芯片主体，所述微流控芯片主体具有聚焦模块、分选模块和主流道，所述主流道在所述微流控芯片主体的出口端分叉形成两个出液流道，所述两个出液流道之间设有与所述主流道连通的逆流鞘液流道，所述逆流鞘液流道中通入与所述主流道流动方向相反的逆流鞘液。
优选的是，所述两个出液流道之间的夹角为0-180°，所述两个出液流道对称分布于所述主流道的两侧。
优选的是，所述逆流鞘液的流量小于所述微流控芯片主体的入口端通入的流量之和；
所述逆流鞘液流道的直径/宽度为所述主流道直径/宽度的1/5-1/2。
优选的是，所述聚焦模块为鞘液聚焦模块，包括对称设置在所述微流控芯片主体的入口端两侧的两鞘液管道。
优选的是，所述聚焦模块为声表面波聚焦模块、声体波聚焦模块、电泳力聚焦模块、惯性聚焦模块中的一种；
所述分选模块为声表面波分选模块、声体波分选模块、电泳力分选模块、水利分选模块中的一种。
优选的是，其特征在于，所述两个出液流道交叉处的主流道的内设置有导流装置，所述导流装置处于所述主流道与所述逆流鞘液流道的交汇处；所述导流装置包括相互连接的两块导流片，所述两块导流片之间的夹角与所述两个出液流道之间的夹角相同，所述两块导流片对称分布于所述逆流鞘液流道的中心线两侧，且所述两块导流片分别与所述两个出液流道平行。
优选的是，所述导流片上沿厚度方向垂直贯穿开设有锥形导流孔，且所述锥形导流孔的尺寸由靠近所述逆流鞘液流道的一侧向靠近所述主流道的一侧逐渐减小。
优选的是，所述两块导流片用于引导部分逆流鞘液沿与所述两个出液流道分别平行的方向进行流动，所述导流片上靠近所述逆流鞘液流道的一侧面上开设有导流槽。
优选的是，所述两块导流片与所述逆流鞘液流道之间还设置有分流片，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向所述两块导流片；所述分流片的中心线与所述逆流鞘液流道的中心线重合，且所述分流片的两侧对称设置有两倾斜导流面。
优选的是，所述两个出液流道之间的夹角和两块导流片之间的夹角均为90°，所述两倾斜导流面之间的夹角为2-30°。
本发明的有益效果是：本发明可以解决现有技术中细胞或者微粒粘附在V字形壁面的问题，能防止流道阻塞，提高分析或者分选精度，避免了重复拆洗芯片，降低了成本；本发明中的逆流鞘液与主流道中的鞘液配合还可以对样品进行再次聚焦，保证细胞稳定流出芯片；本发明的导流片的设置能对交汇处的主流道流体和逆流鞘液进行引导，保持微流控芯片主体内流体的稳定流动状态，进一步防止细胞或者微粒在V字形壁面上粘附；分流片设置便于将逆流鞘液顺畅引导流向两侧的导流片。
附图说明
图1为本发明的一种实施例中的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片的结构示意图；
图2为本发明的另一种实施例中的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片的结构示意图；
图3为本发明的另一种实施例中的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片的结构示意图；
图4为本发明的图3中的导流装置的局部放大结构示意图；
图5为本发明的导流装置的结构示意图；
图6为本发明的导流片的剖视结构示意图；
图7为本发明的另一种实施例中的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片的结构示意图。
附图标记说明：
1—微流控芯片主体；2—聚焦模块；3—分选模块；4—主流道；5—出液流道；6—逆流鞘液流道；7—进样流道；8—导流装置；9—分流片；20—鞘液管道；50—分选通道；51—废液通道；80—导流片；81—锥形导流孔；82—导流槽；83—导流片的第一侧表面；84—导流片的第二侧表面；90—倾斜导流面。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-7所示，本发明实施例的一种利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，包括微流控芯片主体1，微流控芯片主体1具有聚焦模块2、分选模块3和主流道4，其特征在于，主流道4在微流控芯片主体1的出口端分叉形成两个出液流道5，两个出液流道5之间设有与主流道4连通的逆流鞘液流道6，逆流鞘液流道6中通入与主流道4流动方向相反的逆流鞘液。
微流控芯片主体1的的入口端设置进样流道7，微流控芯片主体1的出口端的两个出液流道5，分别为分选通道50(目标物通道)和废液通道51。样品由进样流道7进入，在聚焦模块2作用下聚焦在主流道4中部；然后再经分选模块3分选，目标细胞或者目标微球进入分选通道50，非目标细胞或者微球进入废液通道51。同时在逆流鞘液通道通入逆流鞘液，逆流鞘液方向与主流道4方向相反，该逆流可以防止进入两个出液流道5的细胞在出口间的位置粘附，进而阻塞流道，同时该鞘液对样品流再次聚焦。
两个出液流道5的交叉口会形成V字形壁面，在主流道4中，细胞被聚焦中间，容易被冲到V字形壁面附近，并粘附在上面，导致微流体流动状态发生改变，使分析或者分选精度下降，同时也会引起流道拥堵，样品污染，纯度下降等问题。逆流鞘液流动方向与主流道4流动方向相反，形成逆流，在逆流的作用下细胞无法接触到壁面，避免细胞粘附在壁面上，从而防止细胞聚集阻塞流道，同时该鞘液对分选通道50和废液通道51中样品流再次聚焦，使样品流动更加稳定。
其中，两个出液流道5之间的夹角为0-180°，两个出液流道5对称分布于主流道4的两侧。在一种实施例中，两个出液流道5之间的夹角为90°，如图1；另一种实施例中，两个出液流道5之间的夹角为180°，如图2。
其中，逆流鞘液的流量小于微流控芯片主体1的入口端通入的流量之和；
逆流鞘液管路的直径要小于主流道4直径，优选为逆流鞘液流道6的直径/宽度为主流道4直径/宽度的1/5-1/2。
在优选的实施例中，微流控芯片微管道中每个管道的宽度均为10～500μm、高度均为20～200μm，而且流体通道内的流体始终保持层流状态。
聚焦模块2包括鞘液聚焦和无鞘液聚焦，在一种实施例中，参照图3或图7，聚焦模块2为鞘液聚焦模块2，包括对称设置在微流控芯片主体1的入口端两侧的两鞘液管道20。鞘液管道20处于样品流道两侧，分别通入两路鞘液，样品通入进样流道7，样品在两路鞘液的聚焦作用下进入主流道4，样品位于主流道4的中间位置，经过该芯片的分选模块3，目标细胞或者目标微球进入分选通道50，非目标细胞或者微球进入废液通道51，同时在逆流鞘液通道通入逆流鞘液，逆流鞘液方向与主流道4方向相反，该逆流可以防止进入两个出液流道5的细胞在出口间的位置粘附，进而阻塞流道，同时该鞘液对样品流再次聚焦。
在另一种实施例中，聚焦模块2为声表面波聚焦模块2(采用声表面波的方式进行聚焦)、声体波聚焦模块2(采用声体波的方式进行聚焦)、电泳力聚焦模块2(采用电泳力聚焦的方式进行聚焦)、惯性聚焦模块2(采用惯性聚焦方式进行聚焦)中的一种，参照图1或图2。
分选模块3为声表面波分选模块3(采用声表面波的方式进行分选)、声体波分选模块3(采用声体波的方式进行分选)、电泳力分选模块3(采用电泳力分选的方式进行分选)、水利分选模块3(采用水利分选的方式进行分选)中的一种。
在另一种优选的实施例中，参照图3-7，两个出液流道5交叉处的主流道4的内设置有导流装置8，导流装置8处于主流道4与逆流鞘液流道6的交汇处；导流装置8包括相互连接的两块导流片80，两块导流片80之间的夹角与两个出液流道5之间的夹角相同，两块导流片80对称分布于逆流鞘液流道6的中心线两侧，且两块导流片80分别与两个出液流道5平行。在图3-6所示的实施例中，两个出液流道5之间的夹角和两块导流片80之间的夹角均为90°。在图7所示的另一种实施例中，两个出液流道5之间的夹角和两块导流片80之间的夹角均为180°。
其中，导流片80上沿厚度方向垂直贯穿开设有锥形导流孔81，且锥形导流孔81的尺寸由靠近逆流鞘液流道6的一侧向靠近主流道4的一侧逐渐减小。
其中，两块导流片80用于引导部分逆流鞘液沿与两个出液流道5分别平行的方向进行流动，导流片80上靠近逆流鞘液流道6的一侧面上开设有导流槽82。
在进一步优选的实施例中，参照图4，其中箭头示意了各流道内流体的流动方向。两块导流片80与逆流鞘液流道6之间还设置有分流片9，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向两块导流片80；分流片9的中心线与逆流鞘液流道6的中心线重合，且分流片9的两侧对称设置有两倾斜导流面90。导流片80和分流片9垂直设置，上下两端可与微流控芯片主体1连接(导流片80和分流片9上下两端嵌入到流道上下端的微流控芯片主体1内)也可与流道的内壁连接(导流片80和分流片9上下两端与流道上下端的内壁配合连接)。
在更进一步优选的实施例中，两倾斜导流面90之间的夹角为2-30°，本实施例中为5°。
逆流鞘液的主要作用是，防止两个出液流道5交叉处的细胞粘附在出液流道5的内壁上(主要是靠近逆流鞘液流道6一侧的V字形壁面上，如图4中的A位置和B位置)。两块导流片80用于对交汇处的主流道4流体和逆流鞘液进行引导，保持稳定流动状态。以图4为例，其中箭头方向表示相应流体的流动方向，逆流鞘液经分流片9分割形成均匀的两股，在两倾斜导流面90的引导下流向两块导流片80，部分逆流鞘液由导流片的第一侧表面83的导流槽82引导，顺着导流片的第一侧表面83向两侧流动，从而增强对A位置和B位置的出液流道5的内壁的冲刷作用，有效防止细胞粘附在此处；另一部分逆流鞘液会通过导流片80上的锥形导流孔81，从导流片的第二侧表面84流出，与主流道4流体汇合，对导流片的第二侧表面84产生冲刷作用防止细胞粘附在导流片的第二侧表面84。另一方面，导流片的第二侧表面84对主流道4流体也起到引导作用，引导经过分选后的主流道4流体分别向两侧流动，能提高分选效率和精度。逆流鞘液由大口径端向小口径端流动经过锥形导流孔81，使逆流鞘液流速能增大，增强对导流片的第二侧表面84的冲刷作用，防止细胞粘附。另外，锥形导流孔81的小口径端设置于与主流道4流体接触的导流片的第二侧表面84上，能防止主流道4流体流入锥形导流孔81而影响逆流鞘液的流动。分流片9上的倾斜导流面90的设置便于将逆流鞘液向两侧引导，两倾斜导流面90之间的夹角大小与两个出液流道5之间的夹角正相关，便于引导逆流鞘液向两侧流动对A位置和B位置进行冲刷。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，包括微流控芯片主体，所述微流控芯片主体具有聚焦模块、分选模块和主流道，其特征在于，所述主流道在所述微流控芯片主体的出口端分叉形成两个出液流道，所述两个出液流道之间设有与所述主流道连通的逆流鞘液流道，所述逆流鞘液流道中通入与所述主流道流动方向相反的逆流鞘液。
2.根据权利要求1所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述两个出液流道之间的夹角为0-180°，所述两个出液流道对称分布于所述主流道的两侧。
3.根据权利要求1所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述逆流鞘液的流量小于所述微流控芯片主体的入口端通入的流量之和；
所述逆流鞘液流道的直径/宽度为所述主流道直径/宽度的1/5-1/2。
4.根据权利要求1所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦模块为鞘液聚焦模块，包括对称设置在所述微流控芯片主体的入口端两侧的两鞘液管道。
5.根据权利要求1所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦模块为声表面波聚焦模块、声体波聚焦模块、电泳力聚焦模块、惯性聚焦模块中的一种；
所述分选模块为声表面波分选模块、声体波分选模块、电泳力分选模块、水利分选模块中的一种。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述两个出液流道交叉处的主流道的内设置有导流装置，所述导流装置处于所述主流道与所述逆流鞘液流道的交汇处；所述导流装置包括相互连接的两块导流片，所述两块导流片之间的夹角与所述两个出液流道之间的夹角相同，所述两块导流片对称分布于所述逆流鞘液流道的中心线两侧，且所述两块导流片分别与所述两个出液流道平行。
7.根据权利要求6所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述导流片上沿厚度方向垂直贯穿开设有锥形导流孔，且所述锥形导流孔的尺寸由靠近所述逆流鞘液流道的一侧向靠近所述主流道的一侧逐渐减小。
8.根据权利要求7所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述两块导流片用于引导部分逆流鞘液沿与所述两个出液流道分别平行的方向进行流动，所述导流片上靠近所述逆流鞘液流道的一侧面上开设有导流槽。
9.根据权利要求8所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述两块导流片与所述逆流鞘液流道之间还设置有分流片，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向所述两块导流片；所述分流片的中心线与所述逆流鞘液流道的中心线重合，且所述分流片的两侧对称设置有两倾斜导流面。
10.根据权利要求9所述的利用鞘液逆流防止细胞阻塞的微流控芯片，其特征在于，所述两个出液流道之间的夹角和两块导流片之间的夹角均为90°，所述两倾斜导流面之间的夹角为2-30°。
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