CN110596223A - 一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置及方法，该装置包括实现样本驱动功能的电渗诱导压力流T型主通道，其中包含一个进样主通道与两个流出主通道；实现改变流场分布的过渡腔；实现带电物质富集功能的富集腔；实现进样控制与富集功能的直流电源及通道接触电极。该装置通过T型通道的电渗诱导压力流实现样本溶液的连续驱动，通过以电场吸附力为主导力来实现带电粒子的富集，通过过渡腔与富集腔的结构设计优化富集效率，同时可以结合常用检测手段，实现痕量物质的定性或定量检测。本发明提供的富集方法非常利于实现痕量物质检测的可手持式检测设备的制造，从而推动生化检测的普及性与时效性发展。

Description

一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置及方法
技术领域
本发明属于微流控富集方法技术领域，具体涉及一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置及方法。
背景技术
微流控芯片系统自二十世纪以来越来越多地应用于各检测领域，例如疾病诊断、药物分析、食品安全、环境监测等。其操作简单、成本低廉、体积小、试剂耗量小，相较于传统的检测分析仪器优势明显。然后，在痕量物质检测中，如何提高微流控芯片的检测性能成为广大研究者的追逐热点之一。样本富集是该类问题的基本解决方法，目前常用于微流控芯片的富集方法包括基于静态富集的表面结合技术、多孔膜或纳米缝隙技术、溶剂萃取技术，和基于动态富集的表面结合技术、多孔膜或纳米缝隙技术、溶剂萃取技术，和基于动态富集的速度差异分离技术(如基于增强的样品堆叠技术FASS、等速电泳技术ITP等)与聚焦技术(如等电位聚焦技术IEF、电场梯度聚焦技术EFGF等)。其中，由于电场易于加载到微流控芯片中，且对电场的研究相对成熟，基于电场效应的微流控富集技术呈现出多样化趋势，尤其以电动富集技术EKT发展最为迅速。利用离子浓度差计划ICP的电动富集方法是目前效率较高的富集方法之一，现有的一种基于ITP技术的富集器件的制备方法，该方法中对于离子交换纳米通道的制备工艺要求十分严格，以目前的工业水平很难实现批量生产，且由于纳米通道的存在，富集效率降低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于电渗诱导压力流的微流控富集装置及方法解决了现有的富集装置中通道生产工艺严格，难以实现批量生产，且富集效率低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，包括进口储液池、第一出口储液池、第二出口储液池、过渡与富集结构、第一电源和第二电源；
所述进口储液池的出口通过T型主通道分别与所述第一出口储液池的入口和第二出口储液池的入口连接；
所述T型主通道还与过渡与富集结构连接，所述过渡与富集结构通过导线与第一电源和第二电源连接；
所述第一出口储液池和第二出口储液池上分别设置有第一接触电极和第二接触电极，所述第一接触电极通过导线与第一电源连接，所述第二接触电极通过导线与第二电源连接。
进一步地，所述T型主通道包括一体成型的进样主通道、第一流出主通道和第二流出主通道；
所述进样主通道的一端与进口储液池的出口连接，所述第一流出主通道的一端和第二流出主通道的一端均与所述进样主通道的另一端连接，所述第一流出主通道的另一端与所述第一出口储液池的入口连接，所述第二流出主通道的另一端与所述第二出口储液池的入口连接；
所述进样主通道的另一端还与所述过渡与富集结构的入口连接。
进一步地，所述过渡与富集结构包括过渡腔和富集腔；
所述过渡腔的一端与进样主通道的另一端连接，所述过渡腔的另一端与富集腔连接，所述富集腔上设置有第三接触电极，所述第三接触电极通过导线分别与第一电源和第二电源连接。
进一步地，所述过渡与富集结构包括过渡腔和富集腔；
所述过渡腔的一端分别与第一过渡通道的一端和第二过渡通道的一端连接，所述第一过渡通道的一端还与第一流出主通道连接，所述第二过渡通道的一端还与第二流出主通道连接，所述第一过渡通道的另一端和第二过渡通道的另一端均与进样主通道的另一端连接；
所述富集腔上设置有第三接触电极，所述第三接触电极通过导线与第一电源和第二电源连接。
进一步地，所述第一接触电极、第二接触电极和第三接触电极的极性均包括正极和负极；
当待检测的痕量物质携带正电荷时，所述第一接触电极与第一电源的正极连接，所述第二接触电极与第二电源的正极连接，所述第三接触电极与第一电源和第二电源的负极连接，第一接触电极和第二接触电极的极性均为正极，第三接触电极的极性为负极；
当待检测的痕量物质携带负电荷时，所述第一接触电极与第一电源的正极连接，所述第二接触电极与第二电源的正极连接，所述第三接触电极与第一电源和第二电源的负极连接，第一接触电极和第二接触电极的极性均为负极，第三接触电极的极性为正极。
一种基于电渗诱导压力流的微流控富集方法，包括以下步骤：
S1、在进口储液池、第一出口储液池和第二出口储液池中填充相同量的电解缓冲液，使其具有相同的液面高度；
S2、接通第一电源和第二电源，在电渗流的作用下，使富集腔内的溶液经过过渡腔，沿着第一流出主通道和第二流出主通道分别流到第一出口储液池和第二储液池中，并在富集腔内形成强负压；
S3、在进口储液池内加入样本溶液，使其在强负压的作用下持续流进富集腔；
S4、重复步骤S3，形成样本溶液的持续进样，并在富集腔上的第三接触电极周围的聚集与之极性相反的带电物质并向富集腔的两端扩散，形成富集区域，实现微控流富集。
本发明的有益效果为：
本发明的主要优点是通过简单的直流电源提供电场条件，一方面可以通过电渗诱导压力流驱动样本溶液的连续进样；另一方面以富集腔内的通道接触电极对极性相反电荷的静电吸附力为主导力实现痕量带电物质的富集；同时，该富集结构也可以与常规的微流控检测手段结合，实现痕量物质的定性或定量检测。这样的结构非常利于实现衡量物质检测的可手持式检测设备的制造，从而推动生化检测的普及性与时效性发展。
附图说明
图1为本发明提供的第一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置结构图。
图2为本发明提供的第二种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置结构图。
图3为本发明提供的基于电渗诱导压力流的微流控富集方法流程图。
图4为本发明提供的实施例中针对图1的富集装置的数值仿真建模示意图。
图5为本发明提供的实施例中针对图2的富集装置的数值仿真建模示意图。
图6为本发明提供的实施例中针对图1的富集装置数值仿真分析富集效果图。
图7为本发明提供的实施例中针对图2的富集装置数值仿真分析富集效果图。
其中：1、进口储液池；21、第一出口储液池；22、第二出口储液池；3、进样主通道；31、第一过渡通道；32、第二过渡通道；41、第一流出主通道；42、第二流出主通道；5、过渡腔；6、富集腔；7、第三接触电极；81、第一接触电极；82、第二接触电极；91、第一电源；92、第二电源。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
为了更好的理解本发明方案，在本发明实施例1-3中均假设待检测的痕量物质均携带负电荷，基于此假设对富集装置中的各个组成部分进行连接。
实施例1：
如图1和图2所示，一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，包括进口储液池1、第一出口储液池21、第二出口储液池22、过渡与富集结构、第一电源91和第二电源92；进口储液池1的出口通过T型主通道分别与第一出口储液池21的入口和第二出口储液池22的入口连接；T型主通道还与过渡与富集结构连接，过渡与富集结构通过导线分别与第一电源91和第二电源92连接；第一出口储液池21和第二出口储液池22上分别设置有第一接触电极81和第二接触电极82，第一接触电极81通过导线与第一电源91连接，第二接触电极82通过导线与第二电源92的负极连接。
上述T型主通道包括一体成型的进样主通道3、第一流出主通道41和第二流出主通道42；T型通道通过电渗头诱导压力流实现样本的连续进样；其中，进样主通道3的一端与进口储液池1的出口连接，第一流出主通道41的一端和第二流出主通道42的一端均与进样主通道3的另一端连接，第一流出主通道41的另一端与第一出口储液池21的入口连接，第二流出主通道42的另一端与第二出口储液池22的入口连接；进样主通道3的另一端还与过渡与富集结构的入口连接。该T型通道用于实现样本驱动功能，两个流出通道壁具有电渗滑移特性，通过电场的加载能驱动缓冲溶液向两侧流出，而T型通道的交叉部分因两侧的电渗流会形成一负压区域，若将待检测的样本溶液注入到T型通道底部，则样本溶液可在负压的作用下不断流入到T型交叉部分负压区域，而后向T型水平通道两侧流出，实现连续进样功能。
本发明中的过渡与富集结构包括富集腔6和过渡腔5，其中，过渡腔5实现改变流场分布，将流体流入与流出汇聚于一个通道内，形成一定的涡流场，使得富集腔6能更好的实现带电物质的富集；富集腔6的水平宽度(以T型通道为参考)远大于过渡腔5的水平宽度，其一方面用于实现带电物质的富集，另一方面可作为检测域，结合常用的检测手段(如激光诱导荧光检测)，实现痕量物质的定性或定量检测；具体地，过渡腔5和富集腔6的连接方式包括两种，其中一种如图1所示，过渡腔5的一端直接与进样主通道3的另一端连接，过渡腔5的另一端与富集腔6连接，富集腔6上设置有第三接触电极7，第三接触电极7通过导线分别与第一电源91和第二电源92连接。另外一种连接如图2所示，过渡腔5的一端分别与第一过渡通道31的一端和第二过渡通道32的一端连接，第一过渡通道31的一端还与第一流出主通道41连接，第二过渡通道32的一端还与第二流出主通道42连接，第一过渡通道31的另一端和第二过渡通道32的另一端均与进样主通道3的另一端连接；富集腔6上设置有第三接触电极7，第三接触电极7通过导线与第一电源91和第二电源92连接。
其中，第一接触电极81、第二接触电极82和第三接触电极7的极性均包括正极和负极；当待检测的痕量物质携带正电荷时，第一接触电极81与第一电源91的正极连接，第二接触电极82与第二电源92的正极连接，第三接触电极7与第一电源91和第二电源92的负极连接，第一接触电极81和第二接触电极82的极性均为正极，第三接触电极7的极性为负极；当待检测的痕量物质携带负电荷时，第一接触电极81与第一电源91的正极连接，第二接触电极82与第二电源92的正极连接，第三接触电极7与第一电源91和第二电源92的负极连接，第一接触电极81和第二接触电极82的极性均为负极，第三接触电极7的极性为正极。
在本发明实施例中，两个电源用于实现控制与富集功能，可以由简单的直流电源实现，易与芯片集成一体，实现便携化仪器的制作；接触电极包含两种极性，其中，与待检成分电荷极性相反的电极与形成富集腔的通道接触，与待检成分电荷极性相同的电极则与两个出口储液池接触，而电极本身可根据工艺条件制作成相应的二维底面电极或三维侧面电极，优选地，三维侧面电极能更好地实现样本溶液的驱动功能与待检带电物质的富集功能。
实施例2：
如图3所示，本发明还提供了一种基于电渗诱导压力流的微流控富集方法，包括以下步骤：
S1、在进口储液池、第一出口储液池和第二出口储液池中填充相同量的电解缓冲液，使其具有相同的液面高度；
S2、接通第一电源和第二电源，在电渗流的作用下，使富集腔内的溶液经过过渡腔，沿着第一流出主通道和第二流出主通道分别流到第一出口储液池和第二储液池中，并在富集腔内形成强负压；
在富集腔内形成的强负压会将进口储液池中的溶液进通道吸入富集腔；
S3、在进口储液池内加入样本溶液，使其在强负压的作用下持续流进富集腔；
S4、重复步骤S3，形成样本溶液的持续进样，并在富集腔上的第三接触电极周围的聚集与之极性相反的带电物质并向富集腔的两端扩散，形成富集区域，实现微控流富集。
在此过程中，经过第三接触电极附近一定范围内的带负电荷由于其受到第三接触电极的静电吸附力大于电渗诱导压力流(强负压)拖拽力，从而可以聚集在第三接触电极附近，并不断向富集腔的两端扩散，在富集腔内形成富集区域。
需要说明的是，图2中的富集装置仅仅在进样通道上作了一些改变，将进样主通道的后端分成两条分支，包括第一过渡通道和第二过渡通道，分别与过渡腔、第一流出通道和第二流出通道连接，从而使得一部分出口通道兼具进样和出样的功能，而其富集过程与图1中富集装置基本相同。
实施例3：
为了研究基于上述两种富集装置原理实现富集的效果，本实施例中对两种结构分别作了数值仿真分析；首先，假设这两种结构中待检测的痕量物质携带负电荷，其电极加载方向为富集腔上的第三接触电极连接两个电源正极，两个出口储液池上的接触电极分别连接电源的负极。
在建立仿真模型时，由于储液池相较于通道尺寸大得多，其对流体流场分布的影响可以忽略不计，因此，在仿真模型中忽略储液池部分，图1和图2对应的仿真模型如图4和图5所示。假设待检物质扩散系数为1×10-10m2/s，初始摩尔浓度为1.52×10-7mol/m3，缓冲溶液为去离子水，两电源电压均为40V。
对于图1中的富集装置，定义进样主通道的尺寸为4000(μm)×50(μm)，第一流出通道41和第二流出通道42尺寸均为4000(μm)×25(μm)，过渡腔尺寸为50(μm)×50(μm)，富集腔尺寸为300(μm)×50(μm)。在3分钟内，得到的富集效果及富集过程如图6所示。对于图2中的富集装置，保持进样通道的总高度4000(μm)不变，而其分支中的竖直通道部分尺寸均为200(μm)×25(μm)，水平通道部分尺寸均为150(μm)×25(μm)(这里的竖直与水平均相对于图5结构而言)。其他仿真条件与图1中富集装置相同，由此得到如图7所示的富集效果及富集过程图。
对于实施例的仿真条件，相较于图1的富集装置而言，图2的富集装置具有更好的富集效果。应该说明的是，凡是基于本发明提出的富集原理实现的富集结构，均落入本发明保护的权限范围内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明的有益效果为：
本发明的主要优点是通过简单的直流电源提供电场条件，一方面可以通过电渗诱导压力流驱动样本溶液的连续进样；另一方面以富集腔内的通道接触电极对极性相反电荷的静电吸附力为主导力实现痕量带电物质的富集；同时，该富集结构也可以与常规的微流控检测手段结合，实现痕量物质的定性或定量检测。这样的结构非常利于实现衡量物质检测的可手持式检测设备的制造，从而推动生化检测的普及性与时效性发展。

Claims (6)

1.一种基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，其特征在于，包括进口储液池(1)、第一出口储液池(21)、第二出口储液池(22)、过渡与富集结构、第一电源(91)和第二电源(92)；
所述进口储液池(1)的出口通过T型主通道分别与所述第一出口储液池(21)的入口和第二出口储液池(22)的入口连接；
所述T型主通道还与过渡与富集结构连接，所述过渡与富集结构通过导线与第一电源(91)和第二电源(92)连接；
所述第一出口储液池(21)和第二出口储液池(22)上分别设置有第一接触电极(81)和第二接触电极(82)，所述第一接触电极(81)通过导线与第一电源(91)连接，所述第二接触电极(82)通过导线与第二电源(92)连接。
2.根据权利要求1所述的基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，其特征在于，所述T型主通道包括一体成型的进样主通道(3)、第一流出主通道(41)和第二流出主通道(42)；
所述进样主通道(3)的一端与进口储液池(1)的出口连接，所述第一流出主通道(41)的一端和第二流出主通道(42)的一端均与所述进样主通道(3)的另一端连接，所述第一流出主通道(41)的另一端与所述第一出口储液池(21)的入口连接，所述第二流出主通道(42)的另一端与所述第二出口储液池(22)的入口连接；
所述进样主通道(3)的另一端还与所述过渡与富集结构的入口连接。
3.根据权利要求2所述的基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，其特征在于，所述过渡与富集结构包括过渡腔(5)和富集腔(6)；
所述过渡腔(5)的一端与进样主通道(3)的另一端连接，所述过渡腔(5)的另一端与富集腔(6)连接，所述富集腔(6)上设置有第三接触电极(7)，所述第三接触电极(7)通过导线分别与第一电源(91)和第二电源(92)连接。
4.根据权利要求2所述的基于电渗诱导压力流的微流控富集装置，其特征在于，所述过渡与富集结构包括过渡腔(5)和富集腔(6)；
所述过渡腔(5)的一端分别与第一过渡通道(31)的一端和第二过渡通道(32)的一端连接，所述第一过渡通道(31)的一端还与第一流出主通道(41)连接，所述第二过渡通道(32)的一端还与第二流出主通道(42)连接，所述第一过渡通道(31)的另一端和第二过渡通道(32)的另一端均与进样主通道(3)的另一端连接；
所述富集腔(6)上设置有第三接触电极(7)，所述第三接触电极(7)通过导线与第一电源(91)和第二电源(92)连接。
5.根据权利要求4所述的基于电渗诱导压力流的微流控富集方法，其特征在于，所述第一接触电极(81)、第二接触电极(82)和第三接触电极(7)的极性均包括正极和负极；
当待检测的痕量物质携带正电荷时，所述第一接触电极(81)与第一电源(91)的正极连接，所述第二接触电极(82)与第二电源(92)的正极连接，所述第三接触电极(7)与第一电源(91)和第二电源(92)的负极连接，所述第一接触电极(81)和第二接触电极(82)的极性均为正极，第三接触电极(7)的极性为负极；
当待检测的痕量物质携带负电荷时，所述第一接触电极(81)与第一电源(91)的正极连接，所述第二接触电极(82)与第二电源(92)的正极连接，所述第三接触电极(7)与第一电源(91)和第二电源(92)的负极连接，第一接触电极(81)和第二接触电极(82)的极性均为负极，第三接触电极(7)的极性为正极。
6.一种基于电渗诱导压力流的微流控富集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在进口储液池、第一出口储液池和第二出口储液池中填充相同量的电解缓冲液，使其具有相同的液面高度；
S2、接通第一电源和第二电源，在电渗流的作用下，使富集腔内的溶液经过过渡腔，沿着第一流出主通道和第二流出主通道分别流到第一出口储液池和第二储液池中，并在富集腔内形成强负压；
S3、在进口储液池内加入样本溶液，使其在强负压的作用下持续流进富集腔；
S4、重复步骤S3，形成样本溶液的持续进样，并在富集腔上的第三接触电极周围的聚集与之极性相反的带电物质并向富集腔的两端扩散，形成富集区域，实现微控流富集。
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