CN113042120B - 一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于颗粒分离领域，公开了一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，包括盖片层和盖片层底端上设置的载片；盖片层的底端端面上开设盲道，盲道包括依次连通的加液区、微纳米颗粒富集通道、第一扩张区以及第二扩张区，第二扩张区远离第一扩张区的一端上设置若干微纳米颗粒收集区；盖片层的底端端面上还设置结构体，结构体一端位于第一扩张区的内部，另一端位于第二扩张区内部，结构体的表面与载片的表面连接；所述盖片层上开设与加液区以及若干微纳米颗粒收集区分别连通的若干通孔。具有通道长度短、分离效率高、无污染、操作方便、结构简单、成本低、便于携带、易于集成等优点，有效地解决了通道长度长、分离效率低的问题。

Description

一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置

技术领域

本发明属于颗粒分离领域，涉及一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置。

背景技术

粘弹性流体广泛存在于自然界中，如血浆就是典型的粘弹性流体。因其内部通常有大分子的存在，粘弹性流体表现出与牛顿流体显著不同的流体性质，如微通道粘弹性流体中的颗粒会受到弹性升力的作用而发生侧向迁移行为。血液是生物医学领域常需要处理的生物样本，其内部含有的微纳米颗粒，如各种细胞、外泌体等是健康监测与疾病诊断的重要指标，因此，对血液这类粘弹性流体中颗粒的高效分离在生物医学领域有着重要的应用，如对血液中不同尺寸血细胞的高效分离，有助于实现对人体健康状态的有效监测和对疾病的准确诊断。

微流控技术近年来发展迅速，成为一种有效的检测手段，并被广泛应用于生物医学等领域。它将分析实验室的功能转移到微型芯片上，具有样本需求量少、效率高、便携性和高度集成性等优点。微流控装置是利用微加工技术，在硅、玻璃、塑料等基片上刻蚀出预先设计的微通道和其它功能单元，然后用盖片将其封闭，通过不同的通道网络、反应器以及检测单元等组成部件的设计和布局，以实现集微量样品的制备、进样、反应、分离、检测等功能于一体的快速、高效、低能耗的微型装置，是当今研究热点之一。

目前，用于粘弹性流体内颗粒分离的微流控装置分为主动式和被动式两种。主动式是利用超声及电场等外加力场，实现对粘弹性流体内颗粒运动的控制，从而实现不同尺寸颗粒的分离。主动式虽然分离精度较高，但其需要外加力场，需要辅助设备，整体结构较为昂贵、复杂。相较于主动式装置，被动式装置无需外加力场，单纯利用流体和颗粒的相互作用实现不同粒径颗粒的分离。被动式主要包括基于鞘流作用和基于弹性升力的两种分离方式。基于鞘流作用虽然可实现粘弹性流体内的颗粒分离，但因有鞘流的引入，导致需精确控制多个流量，操作相对较为繁琐，同时鞘流易对样本液造成稀释，甚至是污染，导致后续的检测失败。基于弹性升力的颗粒分离装置则是利用颗粒在微通道粘弹性流体内的侧向迁移行为实现对不同尺寸颗粒的分离。由于颗粒在微通道中受到的弹性升力作用较弱，且流体的粘性较高，目前已有的基于弹性升力的颗粒分离装置的颗粒分离效率不足，难以在较短的通道长度内实现不同尺寸颗粒的高效完全分离，如目前用于粘弹性流体内颗粒分离的微通道长度通常在5厘米以上，对于以尺寸小为优点的微流控芯片而言，将占据较多宝贵的空间，不利于在芯片上的高效集成，且分离效率通常较低，无法实现不同颗粒的完全分离。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，现有用于粘弹性流体内颗粒分离的微流控装置存在操作相对较为繁琐，易对样本液造成稀释，甚至是污染，以及分离效率不足，难以在较短的通道长度内实现不同尺寸颗粒的高效完全分离的缺点，提供一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，包括盖片层和盖片层底端上设置的载片；盖片层的底端端面上开设盲道，盲道包括依次连通的加液区、微纳米颗粒富集通道、第一扩张区以及第二扩张区，第二扩张区远离第一扩张区的一端上设置若干微纳米颗粒收集区；定义加液区至第二扩张区的方向为正方向，微纳米颗粒富集通道沿正方向上截面宽度逐渐减小；盖片层的底端端面上还设置结构体，结构体一端位于第一扩张区的内部，另一端位于第二扩张区内部，结构体沿正方向上宽度先增加后减小，且最大宽度位于第一扩张区与第二扩张区的连接处，结构体的表面与载片的表面连接；所述盖片层上开设与加液区以及若干微纳米颗粒收集区分别连通的若干通孔；所述第一扩张区与第二扩张区的连接处与结构体之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。

本发明进一步的改进在于：

所述第一扩张区靠近第二扩张区的一端上设置相连通的第一颗粒分离区和第二颗粒分离区；第一扩张区通过第一颗粒分离区和第二颗粒分离区与第二扩张区连通，结构体的最大宽度位于第二颗粒分离区与第二扩张区的连接处，第一颗粒分离区沿正方向上截面宽度先增大再减小，第二颗粒分离区沿正方向上截面宽度逐渐减小；第二颗粒分离区与第二扩张区的连接处与结构体之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。

所述第一扩张区与第一颗粒分离区的连接处与结构体之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。

所述微纳米颗粒富集通道、第一扩张区与结构体均沿盖片层正方向上的中心线对称，且微纳米颗粒富集通道、第一扩张区与结构体的中心线重合。

所述第一扩张区沿正方向上宽度先增加再减小或逐渐减小。

所述结构体位于第一扩张区内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状。

所述结构体位于第二扩张区内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状。

所述通孔为圆柱形孔。

所述盖片层和载片材料为纸、硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。

所述盖片层和载片通过3D打印、刻蚀或翻模一体成型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，对颗粒先富集、再初分、而后再细分的颗粒分离思想，基于这一思想先将不同尺寸的微颗粒富集到同一位置为后续颗粒分离提供前提，然后利用微孔效应，即第一扩张区与第二扩张区的连接处与结构体之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍，实现对不同尺寸的微颗粒进行初步分离，以达到一定的颗粒分离效率，而后通过弹性升力作用进一步拉大不同尺寸颗粒间的侧向距离，最终实现对颗粒的高效完全分离；整个过程中不使用鞘流，无需对多个流量进行精确控制，不会对样本液造成污染，此外，无需电场、磁场、声场等外加力场，因此结构与操作更为简单。同时，可在小于已有技术一半的通道长度内实现对粘弹性流体中微纳米颗粒的高效分离，整体通道长度短，体积小，易于在芯片上集成，便于携带，适合在中小型医疗机构与科研院所使用，具有极大的应用价值与市场前景；无需复杂的结构和昂贵的辅助设备，成本低，适合于大规模生产和市场推广。

进一步的，第一扩张区靠近第二扩张区的一端上设置相连通的第一颗粒分离区和第二颗粒分离区，经过设置第一颗粒分离区和第二颗粒分离区，实现对不同尺寸的微颗粒先初分再细分，最终实现高分离效率和精度的有益效果。具体而言，在第一颗粒分离区内，不同微颗粒实现初步分离，但不同尺寸颗粒间的距离较小。而后在第二颗粒分离区中，不同尺寸微颗粒间的距离被进一步拉大，最终实现对粘弹性流体中微颗粒的高效、高精度分离。

进一步的，微纳米颗粒富集通道、第一扩张区与结构体均沿盖片层正方向上的中心线对称，且微纳米颗粒富集通道、第一扩张区与结构体的中心线重合，有助于颗粒在第一扩张区的两个对称分支通道中流量均匀分配，避免高颗粒浓度对颗粒分离造成影响。

进一步的，结构体位于第一扩张区内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状，保证经富集后的微颗粒能够紧贴结构体的侧壁面运动，从而提高颗粒分离的精度与效率。

进一步的，第一扩张区沿正方向上宽度先增加再减小或逐渐减小，有助于利用周围流体的挤压作用，使颗粒紧贴结构体的侧壁面运动，从而提高颗粒分离的精度与效率。

进一步的，结构体位于第二扩张区内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状，避免结构体尾部涡流对颗粒分离造成影响。

进一步的，通孔为圆柱形孔，其圆滑的壁面有助于避免微颗粒滞留在通孔中。

附图说明

图1为本发明的盖片层底端的结构示意图；

图2为本发明的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置的截面图；

图3为本发明结构体的端部为圆弧形状时盖片层底端的结构示意图；

图4为本发明结构体的端部为平直形状时盖片层底端的结构示意图；

图5为本发明第一扩张区沿正方向上宽度逐渐减小时盖片层底端结构示意图；

图6为本发明实施例的微纳米颗粒分离实验结果图；

图7为本发明设置第一颗粒分离区和第二颗粒分离区时盖片层底端的结构示意图；

图8为本发明的第一颗粒分离区内颗粒初次分离实验结果图；

图9为本发明的第二扩张区内高精度分离实验结果图。

其中：1-加液区；2-微纳米颗粒富集通道；3-第一扩张区；4-结构体；5-第二扩张区；6-第一微纳米颗粒收集区；7-第二微纳米颗粒收集区；8-第三微纳米颗粒收集区；9-盖片层；10-载片；11-第一颗粒分离区；12-第二颗粒分离区。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和2，本发明一实施例中，提供一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，基于对粘弹性流体中的颗粒先富集再分离及利用特殊结构体调控流场和不同尺寸颗粒位置的新思想实现，能对粘弹性流体中的微纳米颗粒进行高效的分离，具有通道长度短、操作方便、结构简单、成本低、效率高、适用范围广、便于携带等优点，具有很好的应用前景。具体的，该用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置包括盖片层9和盖片层9底端上设置的载片10。

其中，盖片层9的底端端面上开设盲道，盲道包括依次连通的加液区1、微纳米颗粒富集通道2、第一扩张区3以及第二扩张区5，第二扩张区5远离第一扩张区3的一端上设置若干微纳米颗粒收集区；定义加液区1至第二扩张区5的方向为正方向，微纳米颗粒富集通道2沿正方向上截面宽度逐渐减小，用于实现不同微纳米颗粒的单一位置排列。

盖片层9的底端端面上还设置结构体4，结构体4一端位于第一扩张区3的内部，另一端位于第二扩张区5内部，结构体4沿正方向上宽度先增加后减小，且最大宽度位于第一扩张区3与第二扩张区5的连接处，结构体4的表面与载片10的表面连接，结构体4用于实现对局部流场调控和不同尺寸颗粒位置的初步调整，是粘弹性流体中微纳米颗粒高效、高精度分离的关键。

所述盖片层9上开设与加液区1以及若干微纳米颗粒收集区分别连通的若干通孔，实现加液以及分离后微纳米颗粒的收集。

所述第一扩张区3与第二扩张区5的连接处与结构体4之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍，利用微孔效应对不同尺寸的微颗粒进行初步分离，以达到一定的颗粒分离效率。

具体的，本实施例中，设置了三个微纳米颗粒收集区，但不以此为限，本领域技术人员应当知晓，其他数量的微纳米颗粒收集区也可以。三个微纳米颗粒收集区在正方向上水平布置，分别为第一微纳米颗粒收集区6、第二微纳米颗粒收集区7以及第三微纳米颗粒收集区8，实现不同大小的微纳米颗粒的收集。

本发明于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，对颗粒先富集、再初分、而后再细分的颗粒分离思想，基于这一思想先将不同尺寸的微颗粒富集到同一位置为后续颗粒分离提供前提，然后利用微孔效应对不同尺寸的微颗粒进行初步分离，以达到一定的颗粒分离效率，而后通过弹性升力作用进一步拉大不同尺寸颗粒间的侧向距离，最终实现对颗粒的高效完全分离；整个过程中不使用鞘流，无需对多个流量进行精确控制，不会对样本液造成污染，此外，无需电场、磁场、声场等外加力场，因此结构与操作更为简单。同时，可在小于已有技术一半的通道长度内实现对粘弹性流体中微纳米颗粒的高效分离，整体通道长度短，体积小，易于在芯片上集成，便于携带，适合在中小型医疗机构与科研院所使用，具有极大的应用价值与市场前景；无需复杂的结构和昂贵的辅助设备，成本低，适合于大规模生产和市场推广。

参见图7，优选的，本发明再一实施例中，所述第一扩张区3靠近第二扩张区5的一端上设置相连通的第一颗粒分离区11和第二颗粒分离区12；第一扩张区3通过第一颗粒分离区11和第二颗粒分离区12与第二扩张区5连通，结构体4的最大宽度位于第二颗粒分离区12与第二扩张区5的连接处，第一颗粒分离区11沿正方向上截面宽度先增大再减小，第二颗粒分离区12沿正方向上截面宽度逐渐减小；第二颗粒分离区12与第二扩张区5的连接处与结构体4之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。经过设置第一颗粒分离区11和第二颗粒分离区12，实现对不同尺寸的微颗粒先初分再细分，最终实现高分离效率和精度的有益效果。具体而言，在第一颗粒分离区11内，不同微颗粒实现初步分离，但不同尺寸颗粒间的距离较小。而后在第二颗粒分离区12中，不同尺寸微颗粒间的距离被进一步拉大，最终实现对粘弹性流体中微颗粒的高效、高精度分离。

优选的，本发明再一实施例中，所述第一扩张区3与第一颗粒分离区11的连接处与结构体4之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。再次使用微孔效应，进一步提升利用微孔效应进行的初步分离的效果。

优选的，本发明再一实施例中，所述微纳米颗粒富集通道2、第一扩张区3与结构体4均沿盖片层9正方向上的中心线对称，且微纳米颗粒富集通道2、第一扩张区3与结构体4的中心线重合，有助于颗粒在第一扩张区3的两个对称分支通道中流量均匀分配，避免高颗粒浓度对颗粒分离造成影响。

参见图3至4，优选的，本发明再一实施例中，所述结构体4位于第一扩张区3内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状，保证经富集后的微颗粒能够紧贴结构体4的侧壁面运动，从而提高颗粒分离的精度与效率。

参见图5，优选的，本发明再一实施例中，所述第一扩张区3沿正方向上宽度先增加再减小或逐渐减小，有助于利用周围流体的挤压作用，使颗粒紧贴结构体4的侧壁面运动，从而提高颗粒分离的精度与效率。

优选的，本发明再一实施例中，所述结构体4位于第二扩张区5内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状，避免结构体4尾部涡流对颗粒分离造成影响。

优选的，本发明再一实施例中，所述通孔为圆柱形孔，其圆滑的壁面有助于避免微颗粒滞留在通孔中。

优选的，本发明再一实施例中，所述盖片层9和载片10材料为纸、硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS等高分子材料。

优选的，本发明再一实施例中，所述盖片层9和载片10通过不可逆处理结合在一起，比如通过3D打印、刻蚀或翻模一体成型。

下面说明本发明用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置未设置第一颗粒分离区11和第二颗粒分离区12时的实施过程：

粘弹性流体内包括10微米和4微米两种尺寸的微颗粒，其高效分离具体操作如下，取待处理样本，通过加液区1通入本发明的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置中，盲道整体长度约为2.5cm。在微纳米颗粒富集通道2中，截面逐渐减小，入口宽度为80微米，出口宽度为15微米，不同尺寸的颗粒主要受到弹性升力的作用而向通道的中心位置迁移，在微纳米颗粒富集通道2的末端实现微颗粒富集。经富集后的微颗粒进入第一扩张区3，与结构体4迎来流方向的端部结构相互作用，而后紧贴着结构体4壁面向前运动。第一扩张区3与第二扩张区5连接处的微孔孔径稍大于待分离的最大颗粒粒径，本具体实施例中微孔孔径设计为20微米。由于微孔的限制作用，使得紧贴壁结构体4壁面运动的不同尺寸的颗粒沿着不同的轨迹运动，进而在第二扩张区5中进一步实现分离。尺寸较大的10微米的颗粒将进入微纳米颗粒收集区6和微纳米颗粒收集区8，而尺寸较小的4微米的颗粒等则会进入微纳米颗粒收集区7，参见图6，最终实现样本中不同尺寸微颗粒的高效分离。

下面说明本发明用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置设置第一颗粒分离区11和第二颗粒分离区12时的实施过程：

粘弹性流体内10微米和4微米颗粒的高效分离具体操作如下，含有10微米和4微米颗粒的粘弹性流体样本通过加液区1进入盲道中，颗粒富集通道2的入口宽度为80微米，出口宽度为15微米，长度为2厘米，颗粒富集通道2的通道宽度逐渐减小，在流体拖曳作用和弹性升力的作用下，10微米和4微米颗粒运动至颗粒富集通道2出口的中心位置，实现微颗粒的富集。而后颗粒进入第一扩张区3，因结构体4对流场的作用，使得颗粒被分流为两股，且颗粒紧贴结构体4的壁面向前运动。经过第一扩张区3和第一颗粒分离区4连接处的微孔后，微孔孔径为20微米，由于微孔的限制作用，参见图8，在第一颗粒分离区11内10微米和4微米颗粒实现初次分离，达到一定的分离效率。而后经过初次分离的10微米和4微米颗粒进入第二颗粒分离区12。第二颗粒分离区12入口宽度80微米，出口宽度15-20微米，长度为1厘米，第二颗粒分离区12的通道宽度逐渐减小。因10微米颗粒和4微米颗粒进入第二颗粒分离区12的初始位置不同，在流体拖曳作用和弹性升力的作用下，10微米颗粒比4微米颗粒更快地向第二颗粒分离区12运动，进而进一步拉大10微米颗粒和4微米颗粒间的侧向距离，参见图9，最终在第二扩张区5中实现10微米颗粒和4微米颗粒的高效完全分离，与已有技术相比，具有通道长度短、分离效率高、无污染、操作方便、结构简单、成本低、便于携带、易于集成等优点，可有效地解决目前粘弹性流体内颗粒分离需要的通道长度长、分离效率低的问题，在生物医学等领域有着巨大的应用潜力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，包括盖片层(9)和盖片层(9)底端上设置的载片(10)；

盖片层(9)的底端端面上开设盲道，盲道包括依次连通的加液区(1)、微纳米颗粒富集通道(2)、第一扩张区(3)以及第二扩张区(5)，第二扩张区(5)远离第一扩张区(3)的一端上设置若干微纳米颗粒收集区；定义加液区(1)至第二扩张区(5)的方向为正方向，微纳米颗粒富集通道(2)沿正方向上截面宽度逐渐减小；盖片层(9)的底端端面上还设置结构体(4)，结构体(4)一端位于第一扩张区(3)的内部，另一端位于第二扩张区(5)内部，结构体(4)沿正方向上宽度先增加后减小，且最大宽度位于第一扩张区(3)与第二扩张区(5)的连接处，结构体(4)的表面与载片(10)的表面连接；所述盖片层(9)上开设与加液区(1)以及若干微纳米颗粒收集区分别连通的若干通孔；

所述第一扩张区(3)与第二扩张区(5)的连接处与结构体(4)之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍；

所述第一扩张区(3)沿正方向上宽度先增加再减小或逐渐减小；所述结构体(4)位于第一扩张区(3)内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状。

2.根据权利要求1所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述第一扩张区(3)靠近第二扩张区(5)的一端上设置相连通的第一颗粒分离区(11)和第二颗粒分离区(12)；

第一扩张区(3)通过第一颗粒分离区(11)和第二颗粒分离区(12)与第二扩张区(5)连通，结构体(4)的最大宽度位于第二颗粒分离区(12)与第二扩张区(5)的连接处，第一颗粒分离区(11)沿正方向上截面宽度先增大再减小，第二颗粒分离区(12)沿正方向上截面宽度逐渐减小；

第二颗粒分离区(12)与第二扩张区(5)的连接处与结构体(4)之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。

3.根据权利要求2所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述第一扩张区(3)与第一颗粒分离区(11)的连接处与结构体(4)之间的间隙尺寸为待分离最大颗粒粒径的1～2倍。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述微纳米颗粒富集通道(2)、第一扩张区(3)与结构体(4)均沿盖片层(9)正方向上的中心线对称，且微纳米颗粒富集通道(2)、第一扩张区(3)与结构体(4)的中心线重合。

5.根据权利要求1至3任一项所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述结构体(4)位于第二扩张区(5)内部的一端的端部结构为尖角、圆弧或平直形状。

6.根据权利要求1至3任一项所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述通孔为圆柱形孔。

7.根据权利要求1至3任一项所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述盖片层(9)和载片(10)材料为纸、硅、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。

8.根据权利要求1至3任一项所述的用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置，其特征在于，所述盖片层(9)和载片(10)通过3D打印、刻蚀或翻模一体成型。

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