CN112973815A - 一种聚集非球形微游泳体的微流管道及一种过滤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种聚集非球形微游泳体的微流管道及一种过滤方法涉及微流领域，具体涉及一种聚集非球形微游泳体的微流管道及一种过滤方法，包括微流管道本体，所述微流管道本体上设置有用于形成扩张流场的扩张管；所述扩张管包括首端扩张管连接段和末端连接段；所述扩张管的两端分别通过首端扩张管连接段和末端连接段与位于扩张管两侧的微流管道本体相连通；沿流体流动方向，所述首端扩张管连接段的横截面连续增大。本发明结构简单，利用连接在微流管道本体上的且用于形成扩张流场的扩张管，使得流体中的微游泳体富集在扩张管内，从而有利于实现对微游泳体的收集或过滤。
Description
技术领域
本发明涉及微流领域，具体涉及一种聚集非球形微游泳体的微流管道及一种过滤方法。
背景技术
微游泳体指尺寸在亚毫米至微米级别的自身拥有推动力可在流场中游动的个体，包括细菌、精子、微型机器人等。
由于微游泳体应用、存在的流体环境多是动态且复杂的，如何将这类个体从流体中分离是具有挑战性的。一般的滤膜过滤法方只能分离有尺寸差异的个体，且在尺寸较小的微流管道内难以构造，且容易造成堵塞。开发一种利用流场根据个体游泳能力对微游泳体进行收集分离的方法在医药、生物、微流工业等领域具有非常重要的意义及商业价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种在连续流动的流体中使微游泳体在特定区域进行富集，以利于后续的收集或过滤等操作的一种聚集非球形微游泳体的微流管道及一种过滤方法。
本发明一种聚集非球形微游泳体的微流管道，包括微流管道本体，所述微流管道本体上设置有用于形成扩张流场的扩张管；
所述扩张管包括首端扩张管连接段和末端连接段；
所述扩张管的两端分别通过首端扩张管连接段和末端连接段与位于扩张管两侧的微流管道本体相连通；
沿流体流动方向，所述首端扩张管连接段的横截面连续增大。
优选地，微流管道本体和扩张管的中心轴线位于同一直线上。
优选地，扩张管的首端扩张管连接段以张角α扩张，张角α取值5-75度。
优选地，微流管道本体为直管，微流管道本体的直径为10-3500微米。
优选地，微流管道本体内流体的流量为0.01 纳升/秒-10毫升/秒。
优选地，在扩张管的轴截面所在平面上，扩张管的末端连接段与所连接的微流管道本体之间的夹角为0-90度。
优选地，同一微流管道本体上设置有至少两个扩张管；
相邻两个扩张管通过中间直管相连。
优选地，同一微流管道本体上设置有至少两个扩张管；
相邻两个扩张管中，后一扩张管的首端扩张管连接段与前一扩张管的末端连接段相连。
或者优选地，扩张管还包括中间扩张管，所述中间扩张管设置在首端扩张管连接段和末端连接段之间，且中间扩张管的一端与首端扩张管连接段相连，另一端与末端连接段相连。
一种过滤方法，该方法用于非球形微游泳体的过滤，将包含非球形微游泳体的流体输入至一种聚集非球形微游泳体的微流管道内，当流体流经扩张管时，首端扩张管连接段的内部区域形成扩张流场，由于扩张管出口处流速低于扩张管进口处流速，扩张流场对处于其中的非球形微游泳体施加沿流速方向的压缩力，该压缩力将使非球形微游泳体的长轴与流速方向垂直，而由于非球形微游泳体的运动方向沿其长轴方向，故非球形微游泳体在扩张流场下沿与流速垂直的方向运动；
当非球形微游泳体运动至扩张管管壁，发生逆流现象，逆流的非球形微游泳体中的一部分脱离扩张管管壁，在扩张流场的压缩作用下向扩张管的另一侧管壁运动，当再次靠近扩张管管壁时，会再次发生逆流，以此循环，非球形微游泳体将会在首端扩张管连接段的内部区域即扩张流场区域的数密度升高，发生聚集，实现非球形微游泳体的过滤。
本发明结构简单，利用连接在微流管道本体上的且用于形成扩张流场的扩张管，使得流体中的微游泳体富集在扩张管内，从而有利于实现对微游泳体的收集或过滤。
本发明设置至少两个扩张管，更进一步的实现对流体中微游泳体富集的彻底性，对流体中微游泳体收集或者过滤更彻底。
本发明可用于精子筛选，筛选活性、形态更优的精子；血液、体液滤菌，在不损失血红细胞、血小板等与细菌尺寸相近的有益成分情况下过滤出非球形细菌；菌种分离，利用细菌尺寸和活性的差异，可以将不同类型的细菌进行分离等医疗、生物、化工领域，为这些领域提供一种无滤网、滤膜的新型过滤方法，不仅可以将尺寸相近的目标物和非目标物分离，还能有效减少管道阻塞几率。
附图说明
图1为本发明第一种结构示意图。
图2为本发明第二种结构示意图。
图3为本发明第三种结构示意图。
图4为本发明第四种结构示意图。
图5为本发明第五种结构示意图。
图6为本发明实施例一的显微镜实测照片。
图7为本发明实施例一中细菌轨迹示意图。
图8为本发明微游泳体在首端扩张管连接段内的运动轨迹示意图。
附图标记：1-微流管道本体，2-扩张管，3-首端扩张管连接段，4-末端连接段，5-中间直管，6-中间扩张管。
具体实施方式
本发明一种聚集非球形微游泳体的微流管道，包括微流管道本体1，所述微流管道本体1上设置有用于形成扩张流场的扩张管2；
所述扩张管2包括首端扩张管连接段3和末端连接段4；
所述扩张管2的两端分别通过首端扩张管连接段3和末端连接段4与位于扩张管2两侧的微流管道本体1相连通；
沿流体流动方向，所述首端扩张管连接段3的横截面连续增大。
微流管道本体1和扩张管2的中心轴线位于同一直线上。
在一个实施例中，扩张管2的首端扩张管连接段3以张角α扩张，张角α取值5-75度，如图1所示。
在一个实施例中，微流管道本体1为直管，微流管道本体1的直径为10-3500微米。
在一个实施例中，微流管道本体1内流体的流量为0.01 纳升/秒-10毫升/秒。
在一个实施例中，在扩张管2的轴截面所在平面上，扩张管2的末端连接段4与所连接的微流管道本体1之间的夹角为0-90度。
在一个实施例中，同一微流管道本体1上设置有至少两个扩张管2；
相邻两个扩张管2通过中间直管5相连，如图2、图4所示。
在一个实施例中，同一微流管道本体1上设置有至少两个扩张管2；
相邻两个扩张管2中，后一扩张管2的首端扩张管连接段3与前一扩张管2的末端连接段4相连，如图3、图5所示。
在一个实施例中，扩张管2还包括中间扩张管6，所述中间扩张管6设置在首端扩张管连接段3和末端连接段4之间，且中间扩张管6的一端与首端扩张管连接段3相连，另一端与末端连接段4相连，如图4、图5所示。
一种过滤方法，该方法用于非球形微游泳体的过滤，将包含非球形微游泳体的流体输入至一种聚集非球形微游泳体的微流管道内，当流体流经扩张管2时，首端扩张管连接段3的内部区域形成扩张流场，由于扩张管2出口处流速低于扩张管2进口处流速，扩张流场对处于其中的非球形微游泳体施加沿流速方向的压缩力，该压缩力将使非球形微游泳体的长轴与流速方向垂直，而由于非球形微游泳体的运动方向沿其长轴方向，故非球形微游泳体在扩张流场下沿与流速垂直的方向运动；
当非球形微游泳体运动至扩张管2管壁，发生逆流现象，逆流的非球形微游泳体中的一部分脱离扩张管2管壁，在扩张流场的压缩作用下向扩张管2的另一侧管壁运动，当再次靠近扩张管2管壁时，会再次发生逆流，如图8所示，以此循环，非球形微游泳体将会在首端扩张管连接段3的内部区域即扩张流场区域的数密度升高，发生聚集，实现非球形微游泳体的过滤。
使用时，微流管道可由各类材质通过各类加工方式得到，材质可以为：玻璃、石英、硅片、PDMS等。加工方式可以为：光刻、等离子体刻蚀、激光直写等。
针对目标非球形微游泳体，测得其平均速度；将非球形微游泳体注入一种聚集非球形微游泳体的微流管道中；控制流量，使入口处平均流速在1-15倍的非球形微游泳体流速范围内阶梯式扫描。
记录扩张管2的首端扩张管连接段3的内部区域内的非球形微游泳体数密度变化，将流量固定在聚集区数密度最高值对应流量。
实例1
通过在硅片上光刻出如图5所示结构的一种聚集非球形微游泳体的微流管道，d=50微米，α=45度，通过倒模，制成厚度为50微米的PDMS管道。
将OD值为0.1的大肠杆菌RP437溶液通入微流管道中，RP437的运动速度为20微米/秒。
在流量范围为0.16 nL/s 至2.5 nL/s 间扫描，发现0.5 nL/s 下聚集区域数密度最高。
将流量固定至0.5 nL/s，1分钟后的显微镜照片如图6所示，此时首端扩张管连接段3的内部区域即扩张流场区域，如图6中虚线框内所示，该区域内数密度为无流速情况下管道内平均数密度的3.7倍。
图7为流量固定至0.5 nL/s，20秒内细菌的运动轨迹，可见细菌在首端扩张管连接段3的内部区域即扩张流场区域内逗留时间明显高于其他区域。
Claims (10)
1.一种聚集非球形微游泳体的微流管道，包括微流管道本体（1），其特征在于，所述微流管道本体（1）上设置有用于形成扩张流场的扩张管（2）；
所述扩张管（2）包括首端扩张管连接段（3）和末端连接段（4）；
所述扩张管（2）的两端分别通过首端扩张管连接段（3）和末端连接段（4）与位于扩张管（2）两侧的微流管道本体（1）相连通；
沿流体流动方向，所述首端扩张管连接段（3）的横截面连续增大。
2.如权利要求1所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，所述微流管道本体（1）和扩张管（2）的中心轴线位于同一直线上。
3.如权利要求2所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，所述扩张管（2）的首端扩张管连接段（3）以张角α扩张，张角α取值5-75度。
4.如权利要求3所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，所述微流管道本体（1）为直管，微流管道本体（1）的直径为10-3500微米。
5.如权利要求4所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，所述微流管道本体（1）内流体的流量为0.01 纳升/秒-10毫升/秒。
6.如权利要求5所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，在扩张管（2）的轴截面所在平面上，扩张管（2）的末端连接段（4）与所连接的微流管道本体（1）之间的夹角为0-90度。
7.如权利要求6所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，同一微流管道本体（1）上设置有至少两个扩张管（2）；
相邻两个扩张管（2）通过中间直管（5）相连。
8.如权利要求6所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，同一微流管道本体（1）上设置有至少两个扩张管（2）；
相邻两个扩张管（2）中，后一扩张管（2）的首端扩张管连接段（3）与前一扩张管（2）的末端连接段（4）相连。
9.如权利要求7-8任意一项所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道，其特征在于，所述扩张管（2）还包括中间扩张管（6），所述中间扩张管（6）设置在首端扩张管连接段（3）和末端连接段（4）之间，且中间扩张管（6）的一端与首端扩张管连接段（3）相连，另一端与末端连接段（4）相连。
10.一种过滤方法，该方法用于非球形微游泳体的过滤，其特征在于，将包含非球形微游泳体的流体输入至如权利要求1所述一种聚集非球形微游泳体的微流管道内，当流体流经扩张管（2）时，首端扩张管连接段（3）的内部区域形成扩张流场，由于扩张管（2）出口处流速低于扩张管（2）进口处流速，扩张流场对处于其中的非球形微游泳体施加沿流速方向的压缩力，该压缩力将使非球形微游泳体的长轴与流速方向垂直，而由于非球形微游泳体的运动方向沿其长轴方向，故非球形微游泳体在扩张流场下沿与流速垂直的方向运动；
当非球形微游泳体运动至扩张管（2）管壁，发生逆流现象，逆流的非球形微游泳体中的一部分脱离扩张管（2）管壁，在扩张流场的压缩作用下向扩张管（2）的另一侧管壁运动，当再次靠近扩张管（2）管壁时，会再次发生逆流，以此循环，非球形微游泳体将会在首端扩张管连接段（3）的内部区域即扩张流场区域的数密度升高，发生聚集，实现非球形微游泳体的过滤。
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