CN111054454A - 用于颗粒操控的微流控芯片 - Google Patents

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严心涛
吴云良
钟金凤
陈忠祥
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Abstract

本发明公开了一种用于颗粒操控的微流控芯片，包括芯片本体和设置在芯片本体中的流道结构，流道结构的主流道上沿颗粒流动方向依次设置有聚焦区、检测区和分选区；聚焦区用于实现主流道内的颗粒在三维空间中的聚焦，检测区用于箝位和检测目标颗粒，分选区用于实现目标颗粒和非目标颗粒的分选。本发明能实现连续流微流道中的单颗粒在某一位置的固定，为检测提供时间，利于实现颗粒的检测；本发明采用声波推动流体中的颗粒运动，由于是机械力作用于颗粒，不影响其活性；本发明采用声波对颗粒进行操控，样本通量高，流速得以减慢，有利于后续检测灵敏度的提升；本发明流道结构简单，流口数量少，有利于排气泡和维持流体环境的稳定。

Description

用于颗粒操控的微流控芯片
技术领域
本发明涉及领域微流控芯片、生物颗粒检测及操控技术，特别涉及一种用于颗粒操控的微流控芯片。
背景技术
微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片广泛用于实现颗粒的检测、操控。基于颗粒在驻波声场中向节点移动的原理的声镊技术具有固定颗粒位置的功能，颗粒后以便于进行相关检测；例如专利201380013827.X，公开了一种使用可调谐声表面驻波进行微流体操控和颗粒分选的方法与装置，其主要结构为采用在铌酸锂晶片上涂镀两对相互垂直的叉指电极，流道覆盖在铌酸锂片上，在二维声场的作用下，颗粒产生阵列式的排列和位置固定。其存在以下缺点：
1、这种方式难以实现对单个颗粒的箝位，颗粒分布于整个流道，在声场作用下常常会聚在一起；
2、在流道尺寸较大时，如果驻波波长为了保证单节点而适应流道尺寸，频率较低声辐射力较小，则难以实现对小尺寸颗粒的箝位。
3、在流道尺寸较大时，为了保证声辐射力强度，需要频率较高声波波长较小，这样流道区域内会出现多个节线的共存，颗粒就会流向不同的节线，难以实现在某一确定位置的箝位。
在某些检测领域，如拉曼检测，需要检测颗粒保持相对静止，如果要实现在连续流中的拉曼检测，就需要一种在连续流中对颗粒进行一定时间内的箝位，使其保持静止的操控方法。
但现有技术中缺少可靠的方案来满足颗粒箝位操控的需求。
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，提供一种用于颗粒操控的微流控芯片。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于颗粒操控的微流控芯片，包括芯片本体和设置在所述芯片本体中的流道结构，所述流道结构的主流道上沿颗粒流动方向依次设置有聚焦区、检测区和分选区；
所述聚焦区用于实现所述主流道内的颗粒在三维空间中的聚焦，所述检测区用于箝位和检测目标颗粒，所述分选区用于实现目标颗粒和非目标颗粒的分选；
所述检测区上设置有沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极，所述箝位叉指电极产生沿颗粒流动方向上的声表面驻波，以将颗粒固定钳制于驻波节点。
优选的是，所述芯片本体包括基片和盖片，所述盖片底面开设有管道凹槽，所述盖片密封贴附于基片上，使处于所述盖片和压电基片之间的管道凹槽形成所述流道结构。
优选的是，所述聚焦区设置有至少一个压电换能器，或者设置有垂直于颗粒流动方向上排列的一对聚焦叉指电极，用于将所述主流道内的三维空间中的颗粒聚焦于所述主流道内的一条直线上，使颗粒在所述主流道内依次单个排列流动。
优选的是，以所述主流道中颗粒流动方向为X轴、所述主流道的宽度方向为Y轴、所述主流道的深度方向为Z轴，
所述主流道的宽度和深度相同时，所述聚焦区上设置一个压电换能器；当所述主流道的宽度和深度不相同时，所述聚焦区上设置至少两个压电换能器，分别进行宽度和深度方向上的聚焦。
优选的是，所述聚焦叉指电极涂覆在所述基片的上表面。
优选的是，所述压电换能器粘结在所述基片下表面或者所述盖片上表面。
优选的是，所述聚焦区内的主流道两侧对称设置有鞘液通道。
优选的是，所述分选区设置有垂直于颗粒流动方向的一个分选叉指电极或一对分选叉指电极。
优选的是，所述箝位叉指电极涂覆在所述基片的上表面，所述分选叉指电极涂覆在所述基片的上表面。
优选的是，所述流道结构包括还包括进样口、废液口和收集口，所述进样口设置在所述主流道上游的进样端，所述主流道下游分成两个支路，分别连接所述收集口和废液口。
本发明的有益效果是：
1、本发明的用于颗粒操控的微流控芯片能实现连续流微流道中的单颗粒在某一位置的固定，为检测提供时间，利于实现颗粒的检测；
2、本发明采用声波推动流体中的颗粒运动，由于是机械力作用于颗粒，不影响其活性；
3、本发明采用声波对颗粒进行操控，样本通量高，流速得以减慢，有利于后续检测灵敏度的提升；
4、本发明流道结构简单，流口数量少，有利于排气泡和维持流体环境的稳定。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的用于颗粒操控的微流控芯片的原理示意图结构示意图；
图2为本发明的实施例2中的用于颗粒操控的微流控芯片的原理示意图结构示意图；
图3为本发明的实施例3中的用于颗粒操控的微流控芯片的结构示意图；
图4为本发明的实施例3中的用于颗粒操控的微流控芯片的侧视结构示意图；
图5为本发明的实施例4中的用于颗粒操控的微流控芯片的结构示意图；
图6为本发明的实施例5中的用于颗粒操控的微流控芯片的结构示意图。
附图标记说明：
1—芯片本体；10—基片；11—盖片；
2—流道结构；20—进样口；21—废液口；22—收集口；
3—聚焦区；30—压电换能器；31—聚焦叉指电极；32—鞘液通道；
4—检测区；40—箝位叉指电极；
5—分选区；50—分选叉指电极。
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。
参照图1-2，本实施例的一种用于颗粒操控的微流控芯片，包括芯片本体1和设置在芯片本体1中的流道结构2，流道结构2的主流道上沿颗粒流动方向依次设置有聚焦区3、检测区4和分选区5；
聚焦区3用于实现主流道内的颗粒在三维空间中的聚焦，检测区4用于箝位和检测目标颗粒，分选区5用于实现目标颗粒和非目标颗粒的分选；
图1和图2为本发明的原理示意图，图1为聚焦区3采用一对聚焦叉指电极31，图2为聚焦区3采一个压电换能器30。检测区4上设置有沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，箝位叉指电极40产生沿颗粒流动方向上的声表面驻波，将其位置钳制于驻波节点，从而实现颗粒位置的短暂固定，颗粒固定时可进行光谱检测或者成像。通过短暂固定能为检测提供时间。其中，箝位叉指电极40涂覆在基片10的上表面，产生流道内X方向上的一条或者若干条驻波节线，将主流道内已经前级聚焦的颗粒拖拽到第三维的节线上，使颗粒形成三维固定位置。其中，颗粒包括无机材料制作的微粒或者生物细胞。以上为本发明的总体构思，以下提供更为具体的实施例，以作进一步说明。
本实施例中，芯片本体1包括基片10和盖片11，基片10采用铌酸锂基片10，盖片11底面开设有管道凹槽，盖片11密封贴附于基片10上，使处于盖片11和压电基片10之间的管道凹槽形成流道结构2。盖片11可为玻璃、塑料或聚合物等材质。整体结构无菌密封，对存在生物危害的样品也能适用，即插即用，一次性使用后可丢弃分选装置。流道结构2内的流体始终保持层流状态。流道结构2包括还包括进样口20、废液口21和收集口22，进样口20设置在主流道上游的进样端，主流道下游分成两个支路，分别连接收集口22和废液口21。在优选的实施例中，为了减少流路死角的形成，可采用流道侧面进样出样的方式(即在流道侧面引出进出口)，更有利于减少检测样本交叉污染。
其中，检测区4内设有探测点，在探测到有颗粒到来时，箝位叉指电极40上施加电压，产生沿颗粒流动方向上的声表面驻波，将其位置钳制于驻波节点，从而实现颗粒位置的固定。颗粒固定时可进行光谱检测或者成像。检测完成后，箝位叉指电极40上的电压归零，被固定的颗粒继续流动到下游。在探测点检测颗粒后进行分析，当所检颗粒为目标颗粒时，产生分选脉冲信号至分选区5的分选叉指电极50，使其动作，实现目标颗粒的分选。需要理解的是，检测区4的上述功能均可通过常规产品采用常规方案实现，并非本发明的重点。如检测区4采用可激光检测，首先通过散射光判断是否有颗粒到来，箝位颗粒，再进行检测。通过声波聚焦箝位进行颗粒在连续流中的短暂固定时，可利用拉曼光谱检测或者显微成像，通过检测结果判定来实现靶向筛选。
在一种实施例中，检测区4的上述方案可通过一检测模块实现，该检测模块包括光斑激发调制系统、光信号检测系统、数据采集分析与控制模块、压电驱动模块，该方案可参照专利CN201721059781.7，用于稀有细胞筛选的微流控芯片系统。
其工作原理为：光斑激发调制系统产生激光并形成光斑，照射在检测区4主流道上的固定位置，照射激发流经检测区4的每个颗粒；颗粒流经检测点时，颗粒发出散射光信号，光信号检测系统对产生的散射光进行收集和检测，再将得到的光信号信息转换为电信号后发送到数据采集分析与控制模块；
数据采集分析与控制模块将接收的电信号进行量化和分析处理，判断有颗粒到来时发送触发信号到压电驱动模块；压电驱动模块将该触发信号转换成电信号，驱动启动箝位叉指电极40工作，箝叉指电极上施加电压，产生沿颗粒流动方向上的声表面驻波，将颗粒位置钳制于驻波节点，从而实现颗粒位置的固定；
颗粒静止时产生的散射光谱被光信号检测系统采集，光信号转化为电信号，发送到数据采集分析与控制模块，数据采集分析与控制模块将接收的电信号进行量化和分析处理，判断颗粒的种类；检测完成后，箝位叉指电极40上的电压归零，被固定的颗粒继续流动到下游。数据采集分析与控制模块将颗粒种类的判断结果与用户设定的分选条件进行逻辑判断，如果满足用户设定的分选条件则发送分选触发信号到分选区5的分选，将目标颗粒和非目标颗粒分离到不同的分选出口，实现颗粒分选叉指电极50。
需要理解的是，上述检测区4的整体方案为现有技术，本实施例只是将其用于实现箝位叉指电极40和分选叉指电极50的动作触发的控制，本实施例并未对其做出改进。所以，当然也可采用其他常规的检测和对分选叉指电极50控制的方案，只需满足本实施例中箝位叉指电极40和分选叉指电极50的动作触发的功能要求即可。如更进一步的，光斑激发调制系统可使用中国专利201310303934.8公开的激光光束调制系统；光信号检测系统可使用中国专利201510529714.6“荧光检测装置、被检物检测装置及荧光检测方法”所公开的方案；数据采集分析与控制模块可采用National Instruments的PCI采集卡；压电驱动模块可采用产品Mini-Circuits LZY-22+。
在优选的实施例中，聚焦区3设置有至少一个压电换能器30，产生沿宽度Y方向和深度Z方向的一条驻波节线，用于将主流道内的三维空间中的颗粒聚焦于主流道的中心线上或是主流道的中心线附近的一条直线上，使颗粒在主流道内依次单个排列流动。压电换能器30粘结在基片10下表面或者盖片11上表面。以主流道中颗粒流动方向为X轴、主流道的宽度方向为Y轴、主流道的深度方向为Z轴。
当主流道的宽度和深度相同时，聚焦区3上设置一个压电换能器30；此时，由于流道在宽度和深度方向上均产生振动，那么其在两个方向上均产生驻波节线，颗粒就被二维聚焦在节点位置，颗粒的流速均相同。
当主流道的宽度和深度不相同时，聚焦区3上设置至少两个压电换能器30，分别进行宽度和深度方向上的聚焦，确保颗粒流速的恒定。
在另一种实施例中，聚焦区3设置有垂直于颗粒流动方向上排列的一对聚焦叉指电极31，流道内产生仅含有Y方向上的一条驻波节线，将主流道内的三维空间中的颗粒聚焦于主流道内的一条直线上，使颗粒在主流道内依次单个排列流动。聚焦叉指电极31涂覆在基片10的上表面。
在另一种实施例中，聚焦区3内的主流道两侧对称设置有鞘液通道32，对样品进行聚焦，此时颗粒在流道深度方向没有发生聚焦，适用于检测时对深度不敏感的场合。
在优选的实施例中，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一个分选叉指电极50或一对分选叉指电极50。以通过一个叉指电极产生的行波或者一对叉指电极产生的驻波来进行目标颗粒和非目标颗粒的分选。分选叉指电极50涂覆在基片10的上表面。
可以理解的是，上述聚焦区3、检测区4和分选区5中的方案可进行多种组合，以下提供几种组合的具体实施例。
实施例1
参照图1，聚焦区3中设置一对聚焦叉指电极31进行颗粒的三维聚焦，检测区4设置沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一个分选叉指电极50。
实施例2
参照图2，聚焦区3中设置一个压电换能器30进行颗粒的三维聚焦，检测区4设置沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一个分选叉指电极50。
实施例3
参照图3、4，聚焦区3中设置一个压电换能器30进行颗粒的三维聚焦，检测区4设置沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一对分选叉指电极50。
实施例4
参照图5，聚焦区3中设置一对聚焦叉指电极31进行颗粒的三维聚焦，检测区4设置沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一对分选叉指电极50。
实施例5
参照图6，聚焦区3内的主流道两侧对称设置有鞘液通道32，对样品进行聚焦，检测区4设置沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极40，分选区5设置有垂直于颗粒流动方向的一对分选叉指电极50。
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)

1.一种用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体和设置在所述芯片本体中的流道结构，所述流道结构的主流道上沿颗粒流动方向依次设置有聚焦区、检测区和分选区；
所述聚焦区用于实现所述主流道内的颗粒在三维空间中的聚焦，所述检测区用于箝位和检测目标颗粒，所述分选区用于实现目标颗粒和非目标颗粒的分选；
所述检测区上设置有沿颗粒流动方向排列的一对箝位叉指电极，所述箝位叉指电极产生沿颗粒流动方向上的声表面驻波，以将颗粒固定钳制于驻波节点。
2.根据权利要求1所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述芯片本体包括基片和盖片，所述盖片底面开设有管道凹槽，所述盖片密封贴附于基片上，使处于所述盖片和压电基片之间的管道凹槽形成所述流道结构。
3.根据权利要求2所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦区设置有至少一个压电换能器，或者设置有垂直于颗粒流动方向上排列的一对聚焦叉指电极，用于将所述主流道内的三维空间中的颗粒聚焦于所述主流道内的一条直线上，使颗粒在所述主流道内依次单个排列流动。
4.根据权利要求3所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，以所述主流道中颗粒流动方向为X轴、所述主流道的宽度方向为Y轴、所述主流道的深度方向为Z轴，
所述主流道的宽度和深度相同时，所述聚焦区上设置一个压电换能器；当所述主流道的宽度和深度不相同时，所述聚焦区上设置至少两个压电换能器，分别进行宽度和深度方向上的聚焦。
5.根据权利要求3所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦叉指电极涂覆在所述基片的上表面。
6.根据权利要求4所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述压电换能器粘结在所述基片下表面或者所述盖片上表面。
7.根据权利要求1所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述聚焦区内的主流道两侧对称设置有鞘液通道。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述分选区设置有垂直于颗粒流动方向的一个分选叉指电极或一对分选叉指电极。
9.根据权利要求8所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述箝位叉指电极涂覆在所述基片的上表面，所述分选叉指电极涂覆在所述基片的上表面。
10.根据权利要求9所述的用于颗粒操控的微流控芯片，其特征在于，所述流道结构包括还包括进样口、废液口和收集口，所述进样口设置在所述主流道上游的进样端，所述主流道下游分成两个支路，分别连接所述收集口和废液口。
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