CN113804608A - 一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，包括Y形微通道、T形微通道、S形微通道以及气液分离微通道。首先在Y形微通道中形成多层流，然后利用T形微通道形成稳定泰勒流，接下来在S形微通道中混匀液塞内的多种液体样本，最后在毛细管微通道中进行气液分离以收集混匀后的液体。本发明的微流控芯片能够满足对细胞样本的染色、裂解等各种自动预处理需求，尤其对于实现大体积的细胞样本自动预处理具有非常重要的实用价值，可广泛应用于各种需要进行样本混合的预处理工作中。该芯片可以同时应用于地面和空间微重力环境，可单独使用或集成于微流式细胞仪中，具有连续、高效的样本预处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及微流控生物芯片技术领域，具体地，涉及一种细胞样本预处理微流控芯片。该芯片可单独使用或者集成于微流式细胞仪中。
背景技术
流式细胞仪是一种基于流式细胞术对高速样本流中的细胞作单细胞多参数分析的仪器，能够实现包括淋巴细胞亚群和细胞因子在内的多种项目检测，为疾病的诊断和治疗评价提供重要信息。细胞样本预处理是流式细胞术中不可缺少的必要步骤，预处理一般包括对细胞样本中的目标细胞进行特异性荧光标记和裂解其他干扰细胞，以保障目标细胞能够顺利检出。然而，传统流式细胞仪检测的样本预处理涉及多步液体转移和混合，需要由专业人员在试管中进行，步骤较繁琐，极易引入人工误差而导致检测重复性下降，不仅无法满足快速检测的要求，而且会造成较大的样本浪费。因此，这就对细胞样本预处理方法提出了自动化、操作迅速、样本消耗少等要求。
微流控芯片技术是一种在微通道中操控微小流体的技术，具有体积小、集成度高、消耗量小等优点，广泛应用于生物、化学、医学等领域中。目前，在微流控芯片上已经初步实现了定量细胞样本的自动预处理，芯片即插即用，从自动定量取样到液体混合及存储，整个预处理过程几乎不需要人工参与。但大多数预处理芯片采取的混合方式是在微通道内驱动样本与试剂往复流动直至混匀，基于微流控芯片通道微小的特点，这种混匀方法显然只能处理较小体积的样本；当处理较大体积样本时，必然需要设计更长的混合微通道，一方面混匀样本需要的往复驱动次数多，另一方面增大了微通道内样本的残留，造成了不必要的样本浪费。因此，提出一种既能满足自动化、操作迅速、减少样本浪费的预处理要求，还能进行大量样本溶液预处理的微流控芯片，对于细胞样本研究具有非常重要的意义。
检索发现，清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室叶雄英等人在《光学精密工程》2017,25(8):2083-2089上发表文章“面向航天医学应用的体液预处理仪研制”，集成了驱动液体和控制流路的微泵微阀，通过控制微泵微阀可实现从进样、预处理到输出的自动操作。其预处理模块集成了排气泡功能，能够在太空微重力环境下对有气泡的液体进行排气，但排气部分涉及四层结构，制造工艺复杂；其混合部分依靠微泵驱动，使液体在固定长度的通道内往复流动直至混匀，这种混合方式对样本液体体积有一定限制。
CN107702967A公开了一种基于微流控芯片的空间站用细胞样本自动预处理装置，利用段塞流的特性有效地避免了气液混合，同时采用多通道流体驱动泵实现流体在弯曲微通道中的往复运动，以实现混合。但这种往复流动的混匀方式仍然对预处理样本量有所限制。
泰勒流由一系列气泡或液滴所组成，利用微流控芯片技术在微通道中形成泰勒流能够有效增强液滴内液体的混合，原因是泰勒流极大的增强了液滴内部的二次流涡流，弯曲微通道的混合效果更佳。因此，开发出一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，可有效提升微流控芯片对大体积样本的预处理能力，对于实现细胞样本预处理具有非常重要的实用价值和创新意义。
发明内容
要解决的技术问题
现有研究提出的大多数预处理芯片采取的混合方式是在微通道内驱动样本与试剂往复流动直至混匀，基于微流控芯片通道微小的特点，这种混匀方法显然只能处理较小体积的样本；当处理较大体积样本时，必然需要设计更长的混合微通道，一方面混匀样本需要的往复驱动次数多，另一方面增大了微通道内样本的残留，造成了不必要的样本浪费。
技术方案
一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，由一层盖片和一层刻有微通道的基片键合而成，其特征在于所述基片的结构包括进样微通道、段塞生成微通道、混合微通道以及气液分离微通道；所述的段塞生成微通道引入气相，将进样微通道的液体样本剪切为恒定长度的液塞，形成稳定泰勒流；所述的混合微通道为S形微通道，混匀液塞内的多种液体样本；所述的气液分离微通道对混合的液体样本进行分离。
本发明进一步的技术方案：所述进样微通道为Y形结构，包括依次相连的进样口、储液微通道和多层流微通道，多层流微通道与段塞生成微通道相连，进样口设置有压力驱动。
本发明进一步的技术方案：所述段塞生成微通道为T形结构，进气口所在的进气微通道与进样微通道侧面相通，进气口设置有压力驱动。
本发明进一步的技术方案：所述的段塞长度与通道宽度之比
此段塞长宽比下，段塞内部能实现最快混合；由T形通道处生成段塞长度的估算式
可得，其中Lbubble为气泡长度，当进气流量QG与进样总流量QL之比
时，可生成段塞长宽比为2～3的段塞，式中修正因子
本发明进一步的技术方案：所述混合微通道的弯曲通道内径r与外径R之比为0.5时段塞内部能实现最快混合。
本发明进一步的技术方案：所述气液分离微通道包括毛细管分离器、样本出口、增压通道和气体出口，液体流入毛细管分离器，气体由增压通道到气体出口流出，实现气液分离，在样本出口收集混匀后的液体。
本发明进一步的技术方案：所述的毛细管分离器为一系列直线排列的毛细管微通道。
本发明进一步的技术方案：所述的毛细管分离器的截面形状为锥形或矩形。
本发明进一步的技术方案：所述的增压通道的结构为截面递减的阶梯型。
本发明进一步的技术方案：所述的增压通道的结构为弯曲微通道。
有益效果
本发明提出的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，采用在微通道中形成分段液塞的方式，利用短液塞内部的二次流涡流，极大地提高了混合效率，减少了混合所需要的微通道长度；更重要的，无论初始液体的体积多大，本发明总是将进样通道内的液体样本由气体剪切为一系列恒定长度的液塞，并只需在定长度的混合通道内完成混合，普适用性高；此外，本发明集成了毛细管分离器以实现气体与样本的分离，设计增压微通道以确保分离器的正常工作，连续、高效地利用微流控芯片完成样本的预处理和收集。
本发明的微流控芯片能够满足对细胞样本的染色、裂解等各种自动预处理需求，尤其对于实现大体积的细胞样本自动预处理具有非常重要的实用价值，可广泛应用于各种需要进行样本混合的预处理工作中。该芯片可以同时应用于地面和空间微重力环境，可单独使用或集成于微流式细胞仪中，具有连续、高效的样本预处理能力。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片的结构示意图；
图2为本发明微流控芯片内T形微通道生成段塞的示意图；
图3为本发明微流控芯片内毛细管分离器的结构示意图；
图4为本发明微流控芯片内毛细管分离器实现气液分离的示意图；
图5为本发明微流控芯片内增压微通道的两种结构图。
11-样本入口、12-试剂入口、13-第一储液微通道、14-第二储液微通道、15-进样微通道、21-段塞生成微通道、22-气体入口、3-混合微通道、41-气液分离微通道、42-样本出口、43-毛细管分离器、44-增压通道、45-气体出口。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，所述微流控芯片由一层盖片和一层刻有微通道的基片键合而成，盖片材料为玻璃，基片上采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术在硅片上刻蚀矩形截面微通道，并用阳极键合将玻璃和基片进行连接。
参照图1所示，基片结构包括进样微通道15、段塞生成微通道21、混合微通道3以及气液分离微通道41。
所述进样微通道15为Y形结构，包括进样口、储液微通道和多层流微通道，进样口包括样本入口11和试剂入口12，样本入口11和试剂入口12分别与第一储液微通道13和第二储液微通道14相连，多层流微通道的一端分别与第一储液微通道13和第二储液微通道14连接，另一端延伸至段塞生成微通道21；所述段塞生成微通道21为T形结构，气体入口22所在的进气微通道与多层流微通道侧面相通，进样口和进气口均设置有压力驱动；所述段塞生成微通道21直接与混合微通道3相连；混合微通道3直接与气液分离微通道41相连，所述气液分离微通道41依次设有毛细管分离器43、样本出口42、增压通道44和气体出口45。
该芯片对流体的控制分为四步，首先驱动储液通道内的液体在Y形结构的多层流微通道中形成稳定流动的多层流，然后在段塞生成微通道21中引入气相，剪切多层液流产生适当长度的段塞，形成稳定泰勒流；接下来在混合微通道3中利用S形微通道增强二次流涡流效应，混匀液塞内的多种液体样本；最后在气液分离微通道中，液体流入毛细管，气体由增压通道44流出，实现气液分离，在分离器出口收集混匀后的液体。
所述的进样微通道15为Y形结构，进样种类因需求而定，不局限于两种；所述第一储液微通道13和第二储液微通道14均为窄长形的微通道，试剂均为提前储存在所述储液微通道中，且充满整个储液微通道，因而可有效避免在驱动试剂时产生气泡；储液微通道长度和数量均视预处理样本和试剂量而定，可外接气泵驱动储存在所述储液微通道内的液体，也可连接液体输送泵直接输入连续液体进入芯片。
所述压力驱动口在芯片中共设置有三处，分别为样本入口11、试剂入口12和进气入口22，在工作时，通过控制各个压力驱动泵的流量来控制进样比例和段塞生成微通道21所生成段塞的长度，从而生成合适长度的段塞，形成均匀流动的段塞流进入混合微通道，此处可参阅图2。
其中，所述进样比例的控制可通过调节样本入口11和试剂入口12处压力驱动泵的流量比来实现，两处驱动泵的流量之和即为进样总流量QL；进气入口22处驱动泵的流量为进气流量QG。所述合适长度的段塞，为段塞长度与通道宽度之比
此段塞长宽比下，段塞内部能实现最快混合。由T形通道处生成段塞长度的估算式
可得，其中Lbubble为气泡长度，当进气流量QG与进样总流量QL之比
时，可生成段塞长宽比为2～3的段塞，式中修正因子
考虑了球状界面处液体的体积。实际上，生成段塞的长度还受到样本粘度、通道尺寸和芯片材料等因素的影响，在调节流量时仅以此流量比作为初始值。
所述混合微通道3一般为窄而长的弯曲微通道，泰勒流在混合微通道中流动并发生混合以实现细胞的预处理操作。所述混合微通道3的宽度设计时应主要考虑弯曲通道内径r与外径R之比，当
时段塞内部能实现最快混合；所述混合微通道3的长度仅仅与所述段塞生成微通道21生成的段塞长度有关，与样本体积无关。对于长宽比为2～3的段塞和弯曲通道内外径之比为0.5的混合微通道，其长度的设计值建议为20～30个圆周长度的弯道，在此建议值下基本能实现完全混合。
参阅图3所述毛细管分离器42结构为一系列直线排列的锥形毛细管，气液总流量一定的情况下，毛细管数量越多，所述毛细管分离器42能够完全吸取的段塞越长。当通道压差满足毛细管分离器正常工作的压差要求时，所述毛细管分离器即可实现气液的完全分离。
具体来说，毛细管分离器的分离作用取决于其上的压力平衡，完全实现相分离有两个目标：第一个目标是实现气相完全由主通道排出，此时由Young-Laplace方程
所描述的毛细管力Pcap决定了通道压力的上限值，式中γ为液体表面张力系数，θ为界面接触角，ωc和hc分别为毛细管通道的入口宽度和高度；第二个目标是实现液相完全由毛细管通道流出，此时由Hagen-Poiseuille定律
所描述的毛细管进出口压差ΔP决定了通道压力的下限值，式中几何因子α与主通道截面积宽高比有关，Qtot为气液总流量，μ为液体粘度，lc、Ac和nc分别为毛细管通道长度、截面积和数量。当主通道压力P满足ΔP<P<Pcap，此时毛细管分离器能够实现气液完全分离。
参阅图4在所述毛细管分离器43的作用下，从所述混合通道3流入分离微通道41的泰勒流中，液体样本被毛细管分离器43吸入分离器通道并从液体出口42流出，气体进入增压通道44从气体出口45排出；分离器通道具有一定的储液空间，可暂时储存预处理后的样本，也可连接至后续检测模块，直接对样本进行下一步检测。
参阅图5所述增压通道44有至少两种结构可供选用，第一种为减少微通道横截面积，第二种为设计弯曲微通道，两种设计都可以达到增加流动阻力的目的；所述增压通道设计时采用Hagen-Poiseuille定律进行压力计算，将增压通道所增加的流动阻力近似于主通道压力P，由此构建不等式进行毛细管尺寸和数量的设计。
实施例1：
以淋巴细胞亚群检测为例，结合实施例对本发明的细胞样本自动预处理芯片做详细描述。所述微流控芯片中多层流通道、进气通道、混合通道3和分离器主通道宽度相同，设计为200微米，通道深度均为120微米；混合通道3弯道处的内径为4微米，外径为8微米，整周弯道数量为23个；毛细管通道入口宽度30微米，出口宽度50微米，通道长度100微米，通道数量45个；采取减小微通道截面积的增压方式，设计宽50微米、长12毫米的增压通道。
微流控芯片使用前，样本和试剂均为提前储存在储液微通道中，且充满整个储液微通道，其中，第一储液微通道13中储存有30微升全血样本，第二储液微通道14中储存有3微升荧光染色试剂；其对细胞样本的处理过程如下：
步骤一：多层流进样阶段：从样本入口11和试剂入口12分别驱动储存在储液微通道内的液体向Y形微通道流入，调控两个入口的流量可控制全血样本和荧光染色试剂的进样比例为10：1，形成稳定流动的多层样本流；
步骤二：段塞生成阶段：当样本流到达T形微通道处时，从气体入口22进入微通道的气体剪切液体多层流，调控气液流量比近似于2:7，生成长度合适的液体段塞，微通道内形成稳定的泰勒流并流入混合微通道3；
步骤三：样本混合阶段：泰勒流在混合通道3内流动，所述混合通道的设计长度足以泰勒流在流出混合通道3之前实现完全混匀，使全血样本和荧光染色试剂混合充分；
步骤四：气液分离阶段：混匀完成的泰勒流流入分离微通道41，当其流经毛细管分离器43时，混匀后的样本液塞被所述毛细管分离器43不断吸入分离器内，并由样本出口42流出或暂时存储在分离器微通道内，经一定时间孵育后输送至后续检测单元；气体将进入增压通道44并由气体出口45排出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，由一层盖片和一层刻有微通道的基片键合而成，其特征在于所述基片的结构包括进样微通道(15)、段塞生成微通道(21)、混合微通道(3)以及气液分离微通道(41)；所述的段塞生成微通道(21)引入气相，将进样微通道(15)的液体样本剪切为恒定长度的液塞，形成稳定泰勒流；所述的混合微通道(3)为S形微通道，混匀液塞内的多种液体样本；所述的气液分离微通道(41)对混合的液体样本进行分离。
2.根据权利要求1所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述进样微通道(15)为Y形结构，包括依次相连的进样口、储液微通道和多层流微通道，多层流微通道与段塞生成微通道(21)相连，进样口设置有压力驱动。
3.根据权利要求1所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述段塞生成微通道(21)为T形结构，进气口(22)所在的进气微通道与进样微通道侧面相通，进气口设置有压力驱动。
4.根据权利要求3所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述的段塞长度与通道宽度之比
此段塞长宽比下，段塞内部能实现最快混合；由T形通道处生成段塞长度的估算式
可得，其中Lbubble为气泡长度，当进气流量QG与进样总流量QL之比
时，可生成段塞长宽比为2～3的段塞，式中修正因子
5.根据权利要求1所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述混合微通道(3)的弯曲通道内径r与外径R之比为0.5时段塞内部能实现最快混合。
6.根据权利要求1所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述气液分离微通道(41)包括毛细管分离器(43)、样本出口(42)、增压通道(44)和气体出口(45)，液体流入毛细管分离器(43)，气体由增压通道(44)到气体出口(45)流出，实现气液分离，在样本出口(42)收集混匀后的液体。
7.根据权利要求6所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述的毛细管分离器(43)为一系列直线排列的毛细管微通道。
8.根据权利要求7所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述的毛细管分离器(43)的截面形状为锥形或矩形。
9.根据权利要求6所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述的增压通道(44)的结构为截面递减的阶梯型。
10.根据权利要求6所述的一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片，其特征在于所述的增压通道(44)的结构为弯曲微通道。
Priority Applications (1)
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| CN202110982295.7A CN113804608A (zh) | 2021-08-25 | 2021-08-25 | 一种基于泰勒流的细胞样本自动预处理微流控芯片 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114887556A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-08-12 | 东南大学 | 一种泰勒流两相反应器 |
| CN115445681A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-12-09 | 南京理工大学 | 一种基于脉冲气流的泰勒流及液滴制备系统 |
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2021
- 2021-08-25 CN CN202110982295.7A patent/CN113804608A/zh active Pending
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