CN112871750A - 基于级联式微型热源的颗粒分选芯片及其颗粒分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于级联式微型热源的颗粒分选芯片及其颗粒分选方法。所述颗粒分选芯片包括：芯片基底；微流通道，设置于所述芯片基底中，用于容纳含有至少两种不同尺寸颗粒的混合液；级联式微型热源，包括光信号输入端和分选段，所述光信号输入端用于接入预定功率的光信号，所述分选段包括至少两段级联微型热源，所述微型热源设置于所述微流通道中的气液交界面，以驱动混合液按照预定模式流动，以将混合液中不同尺寸的颗粒分离。通过通入不同功率的光信号，即可不同尺寸颗粒的分选，操作便捷，自动化程度高，并且颗粒分选芯片制作方法简便易行，成本低廉。

Description

基于级联式微型热源的颗粒分选芯片及其颗粒分选方法

技术领域

本发明属于光流控技术领域，具体地讲，涉及一种基于级联式微型热源的 颗粒分选芯片及其颗粒分选方法。

背景技术

颗粒或细胞的分选在早期癌症预判和临床诊断上有着非常强大的作用，在 DNA扩增、测序等领域有着极其重要的作用。传统的分选方法有离心、荧光和 磁驱动等方法。但是这些方法具备耗时长、需要专业人员操作、复杂设备、样 品消耗大等缺点。为了简化分选样品的预处理过程、减少样品的消耗和降低分 选成本，近年来提出了将实验集成到微米尺度芯片上的无标记分选。这种芯片 实验室的方法通常为通过外部装备控制的被动分选。被动分选非常依赖于芯片 的特殊结构，例如障碍物位移偏移法、惯性流法或者微纳柱体阵列捕获法等。 但是这些方法存在以下缺陷：需要复杂的芯片尺寸设计，并且需要外接庞大的 仪器去驱动内部的流体，大大降低了芯片实验室的便携性和增大了人为操控步 骤，导致芯片实验室缺失自动化的优势。因此如何便携地、稳定地对颗粒同时 实现泵送和分选功能，成为本领域中急需解决的技术问题。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何通过调节流体流动模式来同时实现颗粒的 泵送和分选。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，所述颗粒分选芯片包括：

芯片基底；

微流通道，设置于所述芯片基底中，用于容纳含有至少两种不同尺寸颗粒 的混合液；

级联式微型热源，包括光信号输入端和分选段，所述光信号输入端用于接 入预定功率的光信号，所述分选段包括至少两段级联的微型热源，所述微型热 源设置于所述微流通道中的气液交界面，以驱动混合液按照预定模式流动，以 将混合液中不同尺寸的颗粒分离。

优选地，每段所述微型热源包括光波导和包覆于所述光波导的外表面的光 热材料。

优选地，所述光热材料为厚度为100μm～500μm，所述光热材料采用氧化 石墨烯。

优选地，所述光波导的直径范围为5μm～30μm。

优选地，各段微型热源的长度沿着远离所述光信号输入端的方向上依次递 增。

优选地，所述微流通道为T型通道，包括相连通的第一通道和第二通道； 所述第一通道具有注入口，所述注入口用于注入含有不同尺寸颗粒的混合液， 所述第二通道具有排出口，所述排出口用于收集分离出的颗粒。

优选地，各段所述微型热源位于所述第二通道中。

本发明还公开了一种基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗粒分选方法， 所述颗粒分选方法包括：

向所述微流通道中注入含有不同尺寸颗粒的混合液；

调节级联式微型热源的位置，以使所述级联式微型热源处于所述微流通道 中的气液交界面；

向所述光信号输入端输入预定功率的光信号，以使所述微型热源产生局部 热源，驱动混合液流动，其中所述级联式微型热源的周围产生微流涡旋以及伸 展流，其中所述伸展流朝着远离所述光信号输入端的单向流动，所述微流涡旋 将尺寸大于或等于预定值的颗粒捕获，所述伸展流将尺寸小于预定值的颗粒泵 送至所述微流通道的远离所述光信号输入端的一侧。

优选地，在所述光信号输入端中依序输入不同功率的光信号，以依序将不 同尺寸的颗粒泵送至所述微流通道的远离所述光信号输入端的一侧。

优选地，所述光信号的功率范围为9.8mW～60.2mW，且所述光信号的波长 大于或等于近红外光的波长。

(三)有益效果

本发明公开的一种基于级联式微型热源的颗粒分选芯片及其颗粒分选方法， 与现有技术相比，主要具有如下优点和有益效果：

(1)操作便捷，自动化程度高，仅仅通过接入光信号即可实现对颗粒的分 选。

(2)颗粒分选尺寸是连续可调。

(3)颗粒分选芯片制作方法简便易行，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的实施例一的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的结构示 意图；

图2是本发明的实施例二的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗粒分 选方法的流程图；

图3A是本发明的实施例二的级联式微型热源的温度场模拟图；

图3B是本发明的实施例二的三种不同流体流动模式的显微镜图像；

图3C本发明的实施例二的流体的温度与功率的关系示意图；

图4A是本发明的实施例二的单个微型热源和级联式微型热源在对称微流 通道中的流体流速分布模拟图，线L_Gl，L_Gr和线L_Ml，L_Mr分别穿过涡旋3、4和 3’、4’的中心，线L_G，L_M分别穿过上述涡旋之间；

图4B是本发明的实施例二的大尺寸颗粒的捕获机制；

图4C是本发明的实施例二的小尺寸颗粒的释放机制；

图5是本发明的实施例二的捕获与释放原理和腔室中的捕获调节机制示意 图；

图6是本发明的实施例二的连续调节捕获阈值的流线模拟示意图；

图7是本发明的实施例二的分选阈值直径与光功率的关系示意图；

图8是本发明的实施例二的级联式微型热源的显微镜图像；

图9是本发明的实施例二的形成特定流体流动模式后，大尺寸颗粒被捕获 的显微镜图像；

图10是本发明的实施例二的小尺寸颗粒释放的显微镜图像；

图11是本发明的实施例二的小尺寸颗粒示踪的显微镜图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思： 现有技术中采用被动分选方式对芯片上样品进行分选，会带来操作难度大、便 携性差等问题，本申请通过将级联式微型热源设置在气液交界面，驱动混合液 按照预定模式流动，实现对混合液中不同尺寸的颗粒进行主动分离。

实施例一

如图1所示，根据本发明实施例一的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片 包括芯片基底10、微流通道20和级联式微型热源30。微流通道20设置于芯片 基底10中，微流通道20用于容纳含有至少两种不同尺寸颗粒的混合液；级联 式微型热源30包括光信号输入端31和分选段32，光信号输入端31用于接入预 定功率的光信号，分选段32包括至少两段级联的微型热源，微型热源设置于微 流通道20中的气液交界面，以驱动混合液按照预定模式流动，以将混合液中不 同尺寸的颗粒分离。

示例性地，微流通道20采用T型通道，包括相连通的第一通道21和第二 通道22，且所述第一通道21和第二通道22相互垂直。作为优选实施例，第一 通道21和第二通道22均为矩形通道。进一步地，第一通道21具有注入口，其 中注入口的数量为两个，如标号21a和21b所示，注入口用于注入含有不同尺 寸颗粒的混合液；第二通道22具有排出口22a，排出口22a用于收集分离出的 颗粒。在实际使用过程中，可采用微流管将含有不同尺寸颗粒的混合液输入到 注入口中，其中在微流通道中可事先注入粘性较低的微流体，例如去离子水，PBS(phosphate buffer saline，磷酸缓冲盐溶液)缓冲液水和生理盐水等，混合液可 含有各种尺寸复杂的颗粒尺寸组合用于模拟更加真实的分选情况，例如直径为 5μm～7μm直径的颗粒用于模仿血液中的红细胞，15μm～20μm直径的颗粒用于模 仿血液中的癌细胞。

进一步地，第一通道21的侧壁上开设有通孔，级联式微型热源30穿设于 通孔中，其中，光信号输入端31位于第一通道21外侧，分选段32位于第二通 道22内，即各段微型热源位于第二通道22中。作为优选实施例，通孔包括多 个从上至下排列的阵列型圆形小孔，每个小孔间的间隔为1mm，圆形小孔的孔 径大于级联式微型热源30的直径，这样实际使用过程中可将级联式微型热源30 穿过不同的圆形小孔，以便于调整级联式微型热源30的相对高度。

作为优选实施例，本实施例的分选段32包括三段级联式微型热源，分别是 第一微型热源32a、第二微型热源32b和第三微型热源32c，各段微型热源的长 度沿着远离光信号输入端31的方向上依次递增，即第三微型热源32c、第二微 型热源32b、第一微型热源32a的长度依次递增。每段微型热源包括光波导和包 覆于光波导的外表面的光热材料。其中，光热材料优选采用氧化石墨烯，其中 光波导优选采用由二氧化硅光纤加热拉制而成的锥形波导，光波导的直径范围 为5μm～30μm。锥形波导的的材料还可以包括其他波导材料，如氮化硅、蓝宝 石、熔点大于100摄氏度的聚合物等，其制备方法还可以为化学腐蚀方法，这 些材料和制备方法均为本领域的常见技术手段，在此不进行赘述。光波导上附 着的氧化石墨烯是利用液滴法在锥形波导上自组装而成，长度逐级递减。

下面分析基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗粒泵送原理：本实施例 基于流体之间的相互作用，从而实现芯片中流体泵送功能。光信号输入端31接 入光信号之后，光束被微型热源吸收后，各段微型热源能在气液界面周围产生 温度梯度，进而产生表面张力梯度。由于温度越高，表面张力越小，流体会从 表面张力低的地方往表面张力高的地方运动，所以微型热源周围会产生由中心 向外面发散的循环涡旋流动。由于同向运动的流体会相互叠加，异向运动的流 体会相互削弱。当三段微型热源产生的涡旋相互作用后，在流体中会出现涡旋 和单向流动的伸展流动。单向流动的伸展流动充当了整个芯片中流体运动的微 流泵动力源，它能驱动流体从入口往出口进行单向性的流动。

下面分析基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗粒分选原理：本实施例 基于流体流动对尺寸不同的颗粒产生的作用不同，从而可将尺寸不同的颗粒分 离。颗粒通过上述微流泵的作用进入芯片后，都会经历一个质心偏移的过程。 当颗粒半径大于伸展流的宽度时，颗粒的质心位置位于涡旋中，所以能被涡旋 稳定的捕获。当颗粒半径小于伸展流的宽度时，颗粒质心位于伸展流动中，所 以沿着伸展流流动流出，进而实现颗粒的释放。伸展流的宽度与涡旋相互叠加 的部分有关，实验和理论仿真证明，增大光功率，涡旋相互作用部分会增大， 分离阈值直径也会增加。以直径为5μm和20μm的颗粒为例，当它们同时流过伸展流时，由于伸展流宽度为7.7μm，通过比较颗粒半径去伸展流宽度的关系， 直径为20μm的颗粒会被涡旋捕获，5μm直径颗粒会被伸展流释放。

本实施例一提供的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其结构简单，制 作方法简便易行，成本低廉。在不外接庞大注射泵仪器的情况下，可用过自身 局部热源产生的流体实现整个芯片的流体进行流动，增强了芯片实验室的便携 性。通过流体与颗粒之间的相互作用，可实现无接触式的对无标记的颗粒进行 分离。同时实现了颗粒的泵送和分选。另外，本实施例公开的级联式微型热源 颗粒分选芯片既可以作为独立的装置，又可以作为一个模块并入到本领域公认 的任何适当的微流控系统中。在某些实施方式中，基于光力的微流控细胞分选 芯片可以形成具有多种功能的芯片上的一个元件。

实施例二

如图2所示，本实施例二提供的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗 粒分选方法包括如下步骤：

步骤S10：向微流通道20中注入含有不同尺寸的颗粒的混合液；

步骤S20：调节级联式微型热源30的位置，以使微型热源处于微流通道20 中的气液交界面；

步骤S30：向光信号输入端31输入预定功率的光信号，以使微型热源产生 局部热源，驱动混合液流动，其中微型热源的周围产生微流涡旋以及伸展流， 其中伸展流朝着远离光信号输入端31的单向流动，微流涡旋将尺寸大于或等于 预定值的颗粒捕获，伸展流将尺寸小于预定值的颗粒泵送至微流通道20的远离 光信号输入端31的一侧。

示例性地，在步骤S10中，首先将微流体注入至第一通道21和第二通道22。 利用针管从注入口21a和21b注入微流体，使得微流体充满第一通道21和第二 通道22。其中微流体可以使用粘性较小的流体，包括去离子水、PBS缓冲液水 或生理盐水。接着将不同尺寸颗粒的混合液输入至第一通道21，其中通过微流 管将混合液输入到第一通道的第一入口21a和第二入口21b中。

进一步地，在步骤S20中，根据液面高度，调节级联式微型热源30的位置， 以使微型热源处于第二通道22中的气液交界面。

在步骤S30，光信号输入端31接入光信号后，微型热源在第二通道22内的 气液面处产生涡旋，调节光信号大小，在一定范围内，由于涡旋的相互作用， 流体中形成微流涡旋和伸展流的组合，可以对第一入口21a和第二入口21b中 的颗粒进行泵送，让颗粒流入第一通道21和第二通道22。当颗粒流入第二通道 22后，伸展流释放两种尺寸颗粒的其中一种至第一出口22a，涡旋稳定捕获剩 下一种颗粒。作为优选实施例，当颗粒混合液中含有两种不同尺寸的颗粒时(直 径分别为5μm和20μm)，其中较小的颗粒会被释放，较大的颗粒会被捕获。光 信号的光功率可调谐范围为9.8mW～60.2mW；光信号的波长大于或等于近红外 光的波长，本实施例二优选采用1070nm。

进一步地，假设有多种不同尺寸的颗粒，在光信号输入端31中依序输入不 同功率的光信号，以依序将不同尺寸的颗粒泵送至微流通道20的远离光信号输 入端31的一侧。

进一步地，下面从理论分析的角度，对本实施例二的颗粒分选方法进行详 细论述。

示例性地，本实施例二中的各段微型热源的长度沿着远离光信号输入端31 的方向上依次递增，三段微型热源产生的涡旋相互作用产生涡旋与伸展流的混 合流动，由于颗粒在流体中的质心偏移，导致半径大于伸展流的颗粒被涡旋捕 获，半径小于伸展流的颗粒被释放，下面对此进行理论分析。

通过COMSOL Multiphysics 5.4有限元法中的流体传热和流体流动层流模块 对级联式微型热源在尺寸长为2650μm、宽为2800μm、深度为100μm芯片中的 温度场进行分析。如图3A所示，模拟了光功率分别为9.8mW、22.6mW和45.5mW 时级联式微型热源的光场分布图。由于温度场等温线是椭圆形的，所以纵向上 的温度梯度最大，导致涡旋的流动是从纵向上发出的，导致涡旋的强度与温度 场的短轴相关。图3A中的(a)所示，三个热源的短轴几乎相等b1＝b2＝b3，所 以三个热源所产生的涡旋强度都相等I1＝I2＝I3，所以它们之间是几乎没有相互作 用独立存在的涡旋，对应了实验中的结果如图3B中的(b)所示，此时流体的 流动类型为单纯的封闭旋转涡旋(Model)。图3B中的(b)所示，当光功率上 升到22.6mW时，三个微型热源短轴间的关系为b1＜b2＜b3，所以三个微型热源 所产生的涡旋强度也依次递增I1＜I2＜I3，由于涡旋间的相互作用，由于涡旋3 和涡旋5涡旋都是逆时针旋转，所以它们之间部分流体相互叠加，将原本封闭 旋转的涡旋打开，让它们之间形成一个“桥梁”(伸展流)，该桥梁具备单向流动 性，能将涡旋3中的颗粒传递到涡旋5中，对应了实验中的结果如图3B中的(b) 所示，此时流体的流动类型为涡旋和伸展流的组合(Mode2)。图3A中的(c) 所示，当光功率为45.5mW时，三个热源之间的关系为b1＜b2＜b3，从图中可以 看到，三个热源互相叠加部分最多，涡旋的强度依旧为I1＜I2＜I3，由于热源叠加 部分增多，所以涡旋之间也全部叠加旋转，构成一个旋转方向为逆时针的大涡 旋，对应实验中的结果如图3B中的(c)所示，此时流体的流动类型为封闭旋 转大涡旋(Mode3)。图3c反应了芯片中流体的温度与功率的关系，从图中我们 可以看到，通过调整光功率，我们可以对级联式微型热源的流体流动模式进行 调节。其中，由于Mode2具备单向流动性的伸展流，所以我们可以利用Mode2 的流体流动对颗粒进行单向泵送。

如图4A所示，单个微型热源(图4A中的(a))和级联式微型热源的速度 场分布对比(图4A中的(b))。对于进入芯片中的大尺寸颗粒来说，图4B分析 了涡旋3中的流速，如图4B中的(a)所示线1a和1b分别穿过涡旋3的中心， 如图4B中的(b)所示通过分析沿着线1a上x方向速度v_ax和线1b上y方向的 速度v_by可得到涡旋3的中心点速度为0μm/s，这个速度为0的点是为流体中的 驻点，它具备稳定捕获颗粒的性质。当颗粒进入涡旋时涡旋周围的流速都很快， 由于运动的颗粒最后都要区域稳定(能量最小)，所以颗粒都会往涡旋的中心点 运动，由于中心点是驻点且具备稳定性，所以能将颗粒稳定的捕获在其中心。 颗粒在涡旋3中的运动状态如图4B中的(c)所示。

图4C解释了小尺寸颗粒在芯片中的运动情况，将单个微型热源和级联式微 型热源中心泵送速度做对比。图4C中的(a)所示，当功率为33.4mW时，单 个微型热源在穿过L_G上的纵向速度v_Gy几乎是级联式微型热源穿过L_M上的纵向 速度v_My的3倍，级联式微型热源的纵向速度更小，所以当颗粒在级联式微型热 源在纵向上运动时惯性更小，运动状态比较容易被改变。为了说明小颗粒运动 是沿着伸展流流动的，在单个微型热源中分别对穿过涡旋3’和涡旋4’中心的线 L_Gl和线L_Gr上x方向的速度v_Gx做了分析，如图4C中的(b)所示，由于 |v_Glx|＝|v_Grx|，所以涡旋的流动是具备对称性循环流动。但是在级联式微型热 源中，同样分别对穿过涡旋3和涡旋4中心的线L_Ml和线L_Mr上x方向的速度v_Mx做了分析,如图4C中的(c)所示，由于

打破了原来的速度 对称性，所以颗粒更加容易往右进入涡旋4运动。所以颗粒结果中心速度泵送 后更加容易进入速度切向速度v_Mrx更大的涡旋4中，由于涡旋5的强度大于涡 旋4，所以颗粒下一步就会被涡旋5给带走，所有级联式微型热源中的颗粒运动 都是这样的循环。图4C中的(d)所示，分析了光功率从22.6mW～39.9mW变 化时，

的变化规律，从图中可以发现，在这个光功率范围内，级联式 微型热源的

更加说明了由于涡旋间的相互作用打破了原本 涡旋|v_Grx|/|v_Glx|＝1的循环运动，所以小颗粒的运动具备沿着伸展流流动的单 项性。

图5所示是级联式微型热源的分选机理。图5中的(a)所示，a是颗粒的 半径，d_gap是涡旋与伸展流的界线分割线与微型热源之间的距离。图5中的(b) 所示，当a＜d_gap时，由于颗粒运动的质心偏移，此时颗粒的质心在伸展流动部 分，所以颗粒被伸展流释放。当a＞d_gap时，由于颗粒的质心在涡旋中，所以颗 粒被涡旋捕获。图5中的(c)为这个芯片的调制机制，利用对控制体的质量守 恒分析，流入控制体的质量等于流出控制体的质量，由于我们的流动是定常不 可压缩的，所以我们可以得到

其中A_in和

分别为入口 和d_gap处的面积，V_in和

分别为入口和d_gap处的速度。所以我们得到

于是

所以从这个d_gap的表达式 我们可以发现通过调整入口速度V_in和d_gap处的速度，我们可以调节d_gap的大小， 从而改变级联式微型热源对颗粒分选直径阈值的大小。

图6分析了级联式微型热源对分选颗粒阈值调整的能力。如图6中(a)是级 联式微型热源的流线分布，在分选模式2中，流体流动分为以下三个部分：捕 获涡旋(TrappingVortex)，分隔涡旋(Abstructing Vortex)和泵送流体(Pumping Vortex)。捕获涡旋的作用是对尺寸较大的颗粒进行捕获，分隔涡旋的作用是阻 拦捕获涡旋之间的相互作用，泵送涡旋的作用是对尺寸较小的颗粒颗粒进行释 放。如图6中的(b)所示，由于调整光功率会影响流体间的相互作用，于是模 拟了光功率从22.6mW～39.9mW变化时，分隔涡旋的尺寸会逐渐减小，泵送流 体会由于分隔涡旋的减小导致捕获涡旋叠加部分增多，最后导致d_gap增大，因此被泵送的颗粒的尺寸与光功率的大小成正比，所以调整光功率，该级联式微 型热源具备分选尺寸阈值可调的能力。

图7所示为分选阈值直径与光功率之间的关系，在光功率为33.4mW的时 候，分选阈值直径约为20μm，与我们的实验相符。

进一步地，下面从实验验证的角度，来对本实施例的颗粒分选方法进行详 细论述。

首先采用PDMS(polydimethysiloxane)对硅片进行倒模，制成T型通道，其 中第二通道22宽为2800μm，深度为100μm。接着采用火焰加热拉伸法拉制多 模石英光(SMF-28，美国Coming公司)，如图8所示，获得在长度为2444.4μm 范围内，锥角直径从22.2μm变为7.4μm。氧化石墨烯采用液滴法自组装在光波 导上，得到级联式微型热源，每段微型热源的长度依次分别为278.5μm、390.6μm 和593.75μm。将可调谐功率为9.8mW～60.2mW，工作波长为1070nm的光纤激 光器作为光源与级联式微型热源的光信号输入端口相连。将来自光纤激光器的 光信号通过端口输入，在级联式微型热源上传输并从锥角出射。将直径为5μm 和20μm的聚苯乙烯小球以1∶100000的比例融入去离子水中制成颗粒混合液并 通过级联式微型热源的颗粒泵送作用将颗粒泵送入第二通道22。通过级联式微 型热源产生涡旋的流体相互作用，产生涡旋和伸展流的组合，颗粒在其中运动 时会出现质心的偏移运动，进而实现对20μm颗粒的捕获和对5μm颗粒的释放。 并将释放的5μm小球通过第二通道的第一出口22a进行收集。

如图9所示，将颗粒混合液通过级联式微型热源在Mode2中的微流泵送功 能，可以将20μm的颗粒A和B往+x方向泵送的同时稳定的捕获在涡旋中心并 进行自旋运动。

如图10所示，用白色虚线圈出了5μm颗粒的位置，5μm颗粒随着伸展流流 出芯片，上下流动作用对颗粒的作用是对称的。

如图11所示，用圆圈对小颗粒进行了粒子示踪，从粒子示踪的轨迹中我们 可以看到伸展流的流动形貌的状况，这跟我们之前的理论相符。在图10的插图 (i)中，我们放大了线框中的部分，结果统计我们得到

由于20μm 的颗粒半径大于

所以能被涡旋稳定的捕获，5μm的颗粒半径小于

所以能被伸展流释放。

(1)从实验可操作性强和便携性出发，相比于传统的分选方法，本发明通 过将光纤激光器发射出的光信号耦合进级联式微型热源，在样品中调节出流体 分选模式，能更简便的实现颗粒的操控和分选。相较于传统的分选方法，在样 品处理上，我们采用无标记分选法，降低了由于人为操作产生的错误。在分选 过程中，仅通过调节光功率来完成分选，无需复杂的调控，提高了整个实验的 可操作性。并且，通过级联式微型热源和微流芯片的集成，将实验浓缩到微纳 尺度范围内进行，降低了所需样品的体积。而且，本实验相比于传统芯片实验 室来说无需外接庞大的注射泵来完成对内部微流体的泵送，提高了芯片实验的自动化和便携性。本发明在仅有一台光纤激光器的情况下，既可以避免样品的 浪费，又能基于尺寸精确的分选微纳米级别的颗粒，实验设备成本低廉，能量 消耗低，增加了能源利用效率。

(2)制作方法简便易行，成本低廉。本发明所用的级联式微型热源是由二 氧化硅光纤通过酒精灯火焰拉制法拉制而成。其中微型热源的部分通过液滴法 利用氧化石墨烯自组装在微纳光纤上。整个过程中无需复杂的实验设备，简便 易行。

(3)颗粒分选尺寸是连续可调的。相比于现有被动式微流分选芯片来说， 本发明具备分选尺寸可自行调节的优势，这一功能能将该芯片用于更加真实的 生物样品，拓宽了细胞分选在生物光子学领域的应用。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些 实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其 范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这 些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，所述颗粒分选芯片包括：

芯片基底(10)；

微流通道(20)，设置于所述芯片基底(10)中，用于容纳含有至少两种不同尺寸颗粒的混合液；

级联式微型热源(30)，包括光信号输入端(31)和分选段(32)，所述光信号输入端(31)用于接入预定功率的光信号，所述分选段包括至少两段级联的微型热源，所述微型热源设置于所述微流通道(20)中的气液交界面，以驱动混合液按照预定模式流动，以将混合液中不同尺寸的颗粒分离。

2.根据权利要求1所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，每段所述微型热源包括光波导和包覆于所述光波导的外表面的光热材料。

3.根据权利要求2所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，所述光热材料厚度为100μm～500μm，所述光热材料采用氧化石墨烯。

4.根据权利要求2所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，所述光波导的直径范围为5μm～30μm。

5.根据权利要求1所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，各段微型热源的长度沿着远离所述光信号输入端(31)的方向上依次递增。

6.根据权利要求2所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，所述微流通道(20)为T型通道，包括相连通的第一通道(21)和第二通道(22)；所述第一通道(21)具有注入口，所述注入口用于注入含有不同尺寸颗粒的混合液，所述第二通道(22)具有排出口，所述排出口用于收集分离出的颗粒。

7.根据权利要求6所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片，其特征在于，各段所述微型热源位于所述第二通道(22)中。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的基于级联式微型热源的颗粒分选芯片的颗粒分选方法，其特征在于，所述颗粒分选方法包括：

向所述微流通道(20)中注入含有不同尺寸颗粒的混合液；

调节级联式微型热源(30)的位置，以使所述微型热源处于所述微流通道(20)中的气液交界面；

向所述光信号输入端(31)输入预定功率的光信号，以使所述微型热源产生局部热源，驱动混合液流动，其中所述微型热源的周围产生微流涡旋以及伸展流，其中所述伸展流朝着远离所述光信号输入端(31)的单向流动，所述微流涡旋将尺寸大于或等于预定值的颗粒捕获，所述伸展流将尺寸小于预定值的颗粒泵送至所述微流通道(20)的远离所述光信号输入端(31)的一侧。

9.根据权利要求5所述的颗粒分选方法，其特征在于，在所述光信号输入端(31)中依序输入不同功率的光信号，以依序将不同尺寸的颗粒泵送至所述微流通道(20)的远离所述光信号输入端(31)的一侧。

10.根据权利要求5所述的颗粒分选方法，其特征在于，所述光信号的功率范围为9.8mW～60.2mW，且所述光信号的波长大于或等于近红外光的波长。

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