CN110639630B - 一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，包括依次连通的：鞘流模块、尖角结构模块、扩张模块及捕获模块；鞘流模块的整体形状呈水平设置的Y字形，在鞘流模块的入口端设有两个带有一定夹角的通道入口，尖角结构模块包括若干组尖角结构，一组尖角结构从入口侧到出口侧依次分为收缩段、扩展段及直通段；扩张模块的整体形状呈水平设置的V字形，扩张模块的收缩入口端与尖角结构模块的最后一组尖角结构的直通段连通，扩张出口端与捕获模块的入口端连通；捕获模块为一直通道。本发明的芯片结构采用突然收缩及逐渐扩张的尖角结构，改变非牛顿流体在通道中的流场；解决微流体芯片集成度不高、结构复杂、效率低的问题。

Description

一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构
技术领域
本发明涉及微流体研究技术领域，特别涉及一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构。
背景技术
颗粒分离是微流体研究领域的一个分支，通过利用颗粒自身的性质和流体的作用，达到分离不同种类颗粒的目的。微流体中颗粒的分离方法主要可以分为静态法和动态法。在静态方法中，微米颗粒由于各种不同的作用机制被困在微通道的某个地方。这种方法的缺点在于通道间隙过小，经常会发生堵塞情况。动态方法则包括主动分离和被动分离两种方法。主动方法是指利用外力精确聚焦微粒子，这种方法的工作效率通常都比较低，并且需要制造外在的一些驱动结构来产生外力，增加了通道加工制造的难度。颗粒分离的被动方法主要是指利用微通道的几何结构产生或增强一些类似于离心力等的水动力。这种方法包括水动力过滤法、确定性侧向位移法、迪恩流分离法和鞘流分离法。其中以鞘流分离方法最为简便高效。
颗粒在非牛顿流体的直通道中会受到不同的侧向作用力。而鞘流分离法正是利用这种性质，在入口处，借助鞘流的作用，将颗粒挤压到通道一侧，不同颗粒因受力的不同，不同程度的发生偏移，进而达到分离的目的。但这种方法的缺点是分离效率不高，通道距离较长。
因此，目前用于颗粒分离的微流控芯片虽然能达到一定的分离目的，但是其分离效率、分离能力以及微通道的加工难度等均存在很多问题。一些利用鞘流的直通道分离方法，虽然通道结构简单，加工难度低，但是其分离效率较低；与之相对应的一些利用过滤，或者标记微粒的方法，虽然能很大程度的提高分离效率，但是通道的结构过于复杂，加工难度大，集成度低。
本发明将解决前面提到的通道结构复杂、分离效率低，通道面积大等问题；通过利用突然收缩/逐渐扩张的尖角结构，减小通道长度，提高分离效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，采用突然收缩及逐渐扩张的尖角结构，改变非牛顿流体在通道中的流场；解决微流体芯片集成度不高、结构复杂、效率低的问题。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，包括依次连通的：鞘流模块、尖角结构模块、扩张模块及捕获模块；所述鞘流模块的整体形状呈水平设置的Y字形，在鞘流模块的入口端设有两个带有一定夹角的通道入口，且两个通道入口由上至下分别为第一入口及第二入口，鞘流模块的出口端与尖角结构模块的入口端连通，所述第一入口用于注入鞘流，第二入口用于注入混合颗粒；具体的，鞘流模块的主要作用是使混合颗粒集中在通道一侧，在两个通道入口中分别通入混合颗粒溶液和鞘流后，则在鞘流的挤压下，可将混合颗粒溶液集中压缩在通道一侧，即鞘流模块可起到颗粒分离的预处理作用；
所述尖角结构模块包括若干组尖角结构，一组所述尖角结构从入口侧到出口侧依次分为收缩段、扩展段及直通段；尖角结构模块通过其结构设计可以使微通道中的流体产生高流线曲率，并产生较强的动量变化-诱导惯性力，在其直通道产生的惯性力和弹性力共同作用下，可增强不同粒径颗粒受力的差异性，进一步分离提升不同颗粒的分离效率；
所述扩张模块的整体形状呈水平设置的V字形，扩张模块的收缩入口端与尖角结构模块的最后一组尖角结构的直通段连通，扩张模块的扩张出口端与捕获模块的入口端连通，扩张模块的结构设计即收缩入口端到扩张出口端的通道宽度逐渐增加，可使从尖角结构模块流出的溶液充分减速，以便于单色光CCD相机将其捕获；所述捕获模块为一直通道，用于单色光CCD相机的捕集。
进一步地，所述尖角结构模块包括至少30组尖角结构，可进一步加强分离效果。
进一步地，所述扩张模块的扩张出口端的通道宽度至少为鞘流模块的出口端的通道宽度的2倍，从而保证从尖角结构模块流出的溶液可充分减速，以便于单色光CCD相机将其捕获。
进一步地，所述混合颗粒为微米级别的混合颗粒。
进一步地，所述尖角结构模块的收缩段的通道宽度为40μm，扩展段的入口通道宽度为40μm，扩展段的出口通道宽度为350μm，直通段的通道宽度为350μm，且扩展段在竖直方向的倾斜夹角为45°；一组尖角结构模块的长度为600μm。
进一步地，所述鞘流模块的出口端通道宽度为350μm。
进一步地，所述扩张模块的收缩入口端的通道宽度为40μm，扩张模块的扩张出口端的通道宽度为800μm。
进一步地，所述捕获模块的通道宽度为800μm。
进一步地，所述鞘流模块、尖角结构模块、扩张模块的通道高度为30μm。
进一步地，所述用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构由一层聚二甲基硅氧烷和一层玻璃组成。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明的用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，通过设计突然收缩及逐渐扩张的尖角结构，改变非牛顿流体在通道中的流场；在鞘流(水)的作用下，利用不同粒径颗粒侧向偏移的差异性，将颗粒富集在不同的平衡位置，进一步在芯片出口处分离不同粒径的颗粒，显著提高了颗粒的分离速率和分离效果，减小了达到颗粒分离目的所需的流程，缩小了芯片的尺寸，可以使相关检测设备具有更高的集成度和更快速的检测效率。
附图说明
图1是本发明的用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构示意图。
图2是本发明的尖角结构模块的具体示意图。
图3a为一个实施例中颗粒经过鞘流模块后颗粒的分布情况示意图。
图3b为一个实施例中混合颗粒溶液在尖角结构模块中的分布情况示意图。
图3c～3l一个实施例中为颗粒在不同流量条件下在捕获模块分离情况示意图。
图4为一个实施例中颗粒出口带宽变化情况示意图。
图5为流量Q为1μL/min时颗粒在出口处的侧向浓度变化情况示意图。
附图标记：1-鞘流模块，2-尖角结构模块，3-扩张模块，4-捕获模块，11-第一入口，12-第二入口，21-收缩段，22-扩展段，23-直通段，24-尖角侧壁面，25-直壁面。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
实施例一：
如图1所示，一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，包括依次连通的：鞘流模块1、尖角结构模块2、扩张模块3及捕获模块4。
其中，鞘流模块1的主要作用是使混合颗粒集中在通道一侧，在两个通道入口中分别通入混合颗粒溶液和鞘流后，则在鞘流的挤压下，可将混合颗粒溶液集中压缩在通道一侧，即鞘流模块1可起到颗粒分离的预处理作用。
具体的，本实施例的鞘流模块1的整体形状呈水平设置的Y字形，在鞘流模块1的入口端设有两个带有一定夹角的通道入口，且两个通道入口由上至下分别为第一入口11及第二入口12，鞘流模块1的出口端与尖角结构模块2的入口端连通，第一入口11用于注入鞘流，第二入口12用于注入混合颗粒，则借助鞘流的作用，即可将混合颗粒挤压到尖角结构模块2的通道的尖角侧壁面24，使颗粒具有相同的初始位置，增加颗粒分离的可能性。
具体的，尖角结构模块2包括若干组尖角结构，如图2所示，一组尖角结构从入口侧到出口侧依次分为收缩段21、扩展段22及直通段23；同时，整个尖角结构模块2的通道的两侧可分为上侧的直壁面25及下侧的尖角侧壁面24。尖角结构模块2通过改变非牛顿流体在通道中的流场，借助鞘流的作用，利用不同粒径颗粒侧向偏移位移的差异性，将颗粒富集在不同的平衡位置，进一步在芯片出口处分离不同粒径的颗粒；具体是通过突然收缩/逐渐膨胀的尖角结构，改变了通道中的流场，增强了颗粒在矩形通道中受到的惯性升力(包括剪切梯度升力和壁面效应升力，前者将颗粒推向壁面，后者将颗粒推离壁面)和指向壁面的弹性力；利用弯曲流线产生的动量变化-诱导惯性升力，增加了指向壁面的惯性力，增强了不同粒径颗粒受力的差异性。
扩张模块3的作用为减缓颗粒的移动速度、放大颗粒的分离效果，具体的，扩张模块3的整体形状呈水平设置的V字形，扩张模块3的收缩入口端与尖角结构模块2的最后一组尖角结构的直通段23连通，扩张模块3的扩张出口端与捕获模块4的入口端连通，扩张模块3的结构设计即收缩入口端到扩张出口端的通道宽度逐渐增加，作为优选，扩张模块3的扩张出口端的通道宽度至少为鞘流模块1的出口端的通道宽度的2倍，从而保证从尖角结构模块2流出的溶液可充分减速，以便于单色光CCD相机将其捕获。捕获模块4则为一直通道，用于单色光CCD相机的捕集。
具体的，本实施例的，被动式微流控芯片结构主要是用于分离微米级别的混合颗粒，因此，在本实施例中具体将被动式微流控芯片结构的各模块设计为以下结构尺寸。
其中，本实施例的鞘流模块1的出口端通道宽度为350μm，通道高度为30μm，在尖角结构模块2内设有30组尖角结构，在每组尖角结构中，尖角结构模块2的收缩段21的通道宽度为40μm(Wi＝40μm)，扩展段22的入口通道宽度为40μm，扩展段22的出口通道宽度为350μm，直通段23的通道宽度为350μm(We＝350μm)，且扩展段22在竖直方向的倾斜夹角为45°(α＝45°)；一组尖角结构模块2的长度为600μm(L＝600μm)，尖角结构模块2的通道高度为30μm，扩张模块3的收缩入口端的通道宽度为40μm，扩张模块3的扩张出口端的通道宽度为800μm，扩张模块3的通道高度为30μm，捕获模块4的通道宽度为800μm。
具体的，本实施例中的被动式微流控芯片结构由一层聚二甲基硅氧烷和一层玻璃组成。且其大致的制备流程如下：
首先，采用标准软光刻技术在PDMS层上制备微通道结构，然后在SU82025光刻胶涂在硅晶片的厚度为30μm；然后将光刻技术应用于光刻胶层，形成微通道模具；然后将比例为10:1(质量比)的PDMS倒在模具上固化；最后，该设备通过将PDMS层和玻璃层与空气等离子体在100w功率下焊接50秒完成。
具体的，本实施例中还公开了将具有上述结构尺寸的被动式微流控芯片结构用于混合颗粒分离的具体操作及结果研究，具体内容如下：
将粒径为2μm和10μm的聚苯乙烯标准颗粒用500ppm的PEO溶液按1:20和1:10的稀释比稀释，得到浓度约为1.0×109和1.7×106个/mL；然后，使用KDS注射器泵和5mLBD注射器将样品以不同的流速注入微通道(本实施例中的流速分别为1μL/min、2μL/min、3μL/min、4μL/min、5μL/min、6μL/min、7μL/min、8μL/min、9μL/min、10μL/min)，最后将颗粒的分布情况通过倒置的光学显微镜和单色光CCD相机进行捕获，最终使用AdobePhotoshop和计数软件研究颗粒分离结果。
具体的，在鞘流模块1中，具体是将混合颗粒由第二入口12通入，将鞘流由第一入口11通入，且鞘流与混合颗粒的流量比为3:1，则在鞘流的作用力下，混合颗粒被完全挤压到了尖角侧壁面24，从而使得混合颗粒聚集在了相同的初始位置。其中，如图3a所示为，流速为1μL/min时鞘流模块1的出口端的混合颗粒的分布情况。
在尖角结构模块2中，两种颗粒因为粒径的差异，大粒径的10μm颗粒跃迁进鞘流层，小粒径的2μm颗粒依然留在PEO溶液中，则经过尖角结构模块2的作用，两种颗粒将发生分离，其中，如图3b所示为，流速为1μL/min时尖角结构模块2中的混合颗粒的分布情况。
最后，从尖角结构模块2流出的溶液在扩张模块3中再进行了充分减速并流入捕获模块4，则充分分离的颗粒进入捕获模块4后，将设置为10000fps的高速相机通过倒置的显微镜采集出口处颗粒溶液的分离情况。具体的，如图3c～3l分别依次为流速分别为1μL/min、2μL/min、3μL/min、4μL/min、5μL/min、6μL/min、7μL/min、8μL/min、9μL/min、10μL/min时，捕获模块4中的混合颗粒的分布情况。
研究分离结果可知，在流量Q为1～10μL/min时，2μm颗粒始终富集于直壁面25，10μm的颗粒聚集在通道中游，如图4所示为用2μm颗粒的带宽以及10μm颗粒距离直壁面25的距离表示两种颗粒的分离情况。结果表明，流量Q低于6μL/min时，颗粒分离效果好。以流量Q为1μL/min时，颗粒在出口的侧向浓度变化为例，具体如图5所示，可知两种颗粒完全分离，分离率为100％。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，包括依次连通的：鞘流模块、尖角结构模块、扩张模块及捕获模块；
所述鞘流模块的整体形状呈水平设置的Y字形，在鞘流模块的入口端设有两个带有一定夹角的通道入口，且两个通道入口由上至下分别为第一入口及第二入口，鞘流模块的出口端与尖角结构模块的入口端连通，所述第一入口用于注入鞘流，第二入口用于注入混合颗粒；
所述尖角结构模块包括若干组尖角结构，一组所述尖角结构从入口侧到出口侧依次分为收缩段、扩展段及直通段；
所述扩张模块的整体形状呈水平设置的V字形，扩张模块的收缩入口端与尖角结构模块的最后一组尖角结构的直通段连通，扩张模块的扩张出口端与捕获模块的入口端连通；
所述捕获模块为一直通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述尖角结构模块包括至少30组尖角结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述扩张模块的扩张出口端的通道宽度至少为鞘流模块的出口端的通道宽度的2倍。
4.根据权利要求1至3中任一所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述混合颗粒为微米级别的混合颗粒。
5.根据权利要求4所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述尖角结构模块的收缩段的通道宽度为40μm，扩展段的入口通道宽度为40μm，扩展段的出口通道宽度为350μm，直通段的通道宽度为350μm，且扩展段在竖直方向的倾斜夹角为45°；一组尖角结构模块的长度为600μm。
6.根据权利要求5所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述鞘流模块的出口端通道宽度为350μm。
7.根据权利要求5所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述扩张模块的收缩入口端的通道宽度为40μm，扩张模块的扩张出口端的通道宽度为800μm。
8.根据权利要求7所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述捕获模块的通道宽度为800μm。
9.根据权利要求5所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述鞘流模块、尖角结构模块、扩张模块的通道高度为30μm。
10.根据权利要求1所述的一种用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构，其特征在于，所述用于不同粒径颗粒分离的被动式微流控芯片结构由一层聚二甲基硅氧烷和一层玻璃组成。
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