CN117839862A - 多级磁分选系统及磁分选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级磁分选系统及磁分选方法，所述系统包括多级分选通道单元、磁铁阵列单元和磁性过滤单元，所述多级分选通道单元包括若干个分选通道层，若干个分选通道层从上到下依次堆叠，每个分选通道层设置有一个主分选通道和两个出口通道，以实现不同尺寸颗粒的分选，所述磁铁阵列单元包括至少两组磁铁阵列，其中一组磁铁阵列为磁性过滤磁铁阵列，用于给磁性过滤单元提供磁过滤所需的磁场，其余的磁铁阵列为分选磁铁阵列，用于给多级分选通道单元提供负磁泳分选所需的磁场，所述磁性过滤单元与多级分选通道单元连接。本发明可以解决目前负磁泳分选结构单一、分选尺寸相对固定、分选通量低以及分选分辨率不高的问题。

Description

多级磁分选系统及磁分选方法

技术领域

本发明涉及一种磁分选系统，尤其是一种多级磁分选系统及磁分选方法，属于磁分选技术领域。

背景技术

磁分选分为磁泳分选和负磁泳分选，磁泳需要使用磁珠对样品进行标记，再利用磁场对磁珠的吸引力进行样品分选，该方法需要对样品进行额外的磁珠标记和洗脱步骤；而负磁泳的原理则是磁性溶液在外加磁场作用下，悬浮在磁性溶液中的非磁性颗粒受到与其体积成正相关的排斥力，从而实现不同尺寸颗粒的分选，该方法具有无需标记和无需依赖复杂外部系统的优点，通过磁性溶液便可以对生物样品进行尺寸分选。由于生物颗粒样品的尺寸属性(通常都是微米或者纳米级别)，以上两种磁分选方法主要应用在微流控芯片内。

近些年以磁流体(通常为磁性纳米颗粒悬浮液)为代表的磁性溶液在微流控芯片中的使用越来越广泛，利用磁流体可以在微流控芯片内部构建局部磁性环境，以实现磁场在微通道内的各种功能[1-2]，并且目前一些磁流体已经具备生物相容性，使其在生物样品操控中起到重要作用。基于磁流体的负磁泳技术已经应用于各类样品的无标记磁分选[3]。发展至今，基于负磁泳的微流控分选大致可分为三个阶段：1)微米级聚苯乙烯颗粒和细菌分选[4]；2)细胞分选[5]；3)纳米生物样品分选[6]。

目前的负磁泳分选方案存在以下缺点：

(1)分选通道结构相对固定，都是针对一个固定样品模型设计分选通道，缺乏通用性，并且基于微流控的负磁泳分选通量无法提高，限制了其应用范围。

(2)单一的负磁泳分选结构和参数无法对多种尺寸的复杂样品进行分选，例如全血样品。

(3)目前的负磁泳分选大部分是针对微米级颗粒，虽然有少部分可以分选纳米颗粒，但是需要复杂结构加工步骤，并且处理通量极低，应用受限。

(4)基于微流控的负磁泳分选需要复杂的加工步骤和外部设备支持，例如微量泵等，对一些特殊的场景不太适合,例如不适合在野外等环境恶劣的场景使用。

(5)虽然目前有生物相容性的磁流体应用于负磁泳分选，能够在一定程度上降低磁流体中磁性纳米颗粒对生物样品的损伤，但是其影响无法完全消除。

上述参考文献如下：

[1]Dunne P,Adachi T,Dev AA,et al.Liquid flow and control withoutsolid walls.Nature,2020,581:58-62.

[2]Liu Y,Vieira R M S,Mao L.Simultaneous and Multimodal Antigen-Binding Profiling and Isolation of Rare Cells via QuantitativeFerrohydrodynamic Cell Separation.ACS Nano,2023,17:94-110.

[3]Zhao W,Cheng R,Miller J R,et al.Label-free microfluidicmanipulation of particles and cells in magnetic liquids.Advanced FunctionalMaterials,2016,26:3916-3932.

[4]Liang L,Zhang C,Xuan X.Enhanced separation of magnetic anddiamagnetic particles in a dilute ferrofluid.Applied Physics Letters,2013,102:234101.

[5]Zhao W,Zhu T,Cheng R,et al.Label-free and continuous-flowferrohydrodynamic separation of HeLa cells and blood cells in biocompatibleferrofluids.Advanced Functional Materials,2016,26:3990-3998.

[6]Zeng L,Chen X,Du J,et al.Label-free separation of nanoscaleparticles by an ultrahigh gradient magnetic field in a microfluidicdevice.Nanoscale,2021,13:4029-4037.

发明内容

本发明的目的是为了解决目前负磁泳分选结构单一、分选尺寸相对固定、分选通量低以及分选分辨率不高的问题，提供了一种多级磁分选系统，该系统能够高通量连续对样品中不同尺寸的颗粒进行负磁泳分选，颗粒尺寸范围覆盖了从宏观颗粒到纳米颗粒，能够灵活自由组合不同尺寸的分选通道，适应于各种尺寸的样品，使负磁泳分选分辨率能够达到纳米级别，能够有效去除负磁泳分选过程中引入的磁性纳米颗粒，完全消除了负磁泳分选中生物相容性的问题。

本发明的另一目的在于提供一种磁分选方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种多级磁分选系统，包括多级分选通道单元、磁铁阵列单元和磁性过滤单元，所述多级分选通道单元包括若干个分选通道层，若干个分选通道层从上到下依次堆叠，每个分选通道层设置有一个主分选通道和两个出口通道，以实现不同尺寸颗粒的分选，所述磁铁阵列单元包括至少两组磁铁阵列，其中一组磁铁阵列为磁性过滤磁铁阵列，用于给磁性过滤单元提供磁过滤所需的磁场，其余的磁铁阵列(即为一组或多组磁铁阵列)为分选磁铁阵列，用于给多级分选通道单元提供负磁泳分选所需的磁场，所述磁性过滤单元与多级分选通道单元连接。

进一步的，所述多级分选通道单元中，每两个相邻的分选通道层之间设置有中间层，通过中间层隔断与联通，所述中间层设置有分选样品入口和出样口，所述分选样品入口和出样口分别与上一个分选通道层的两个出口通道所通向的分选样品出口连接。

进一步的，所述多级分选通道单元中，每个分选通道层的两个出口通道分别为外侧出口通道和内侧出口通道，在主分选通道中，样品中的大颗粒被磁场排斥的距离更远而进入外侧出口通道，小颗粒被磁场排斥的距离更近而进入内侧出口通道。

进一步的，所述多级分选通道单元的各个分选通道层与分选磁铁阵列之间设置有基底。

进一步的，所述基底中添加有金属层。

进一步的，所述第一组磁铁阵列和第二组磁铁阵列均由若干个磁铁按照预设的顺序排列组成。

进一步的，所述磁性过滤单元包括样品回收池、连接管、磁性过滤通道和过滤样品出口，所述多级分选通道单元与样品回收池连接，所述样品回收池、连接管、磁性过滤通道和过滤样品出口依次连接。

进一步的，所述磁性过滤通道是一段填充有微米级铁磁性粉末的软管，所述磁性过滤通道放置在两组磁铁阵列之间，在两组磁铁阵列的夹持下，磁场将软管内的微米级铁磁性粉末磁化并固定在磁铁区域，形成一段多孔结构的磁性过滤通道。

进一步的，还包括固定支架，所述多级分选通道单元、磁铁阵列单元和磁性过滤单元通过固定支架固定和支撑。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种磁分选方法，基于上述的多级磁分选系统实现，所述方法包括：

将待分选的样品和磁流体或磁性盐溶液按照预设的比例混合；

通过进样池依次流经各个分选通道层，并在每个分选通道层中实现不同尺寸颗粒的分选；

在磁性过滤单元中，通过样品回收池回收分选后的样品，样品回收池中的样品通过连接管进入磁性过滤通道，通过磁性过滤通道内的强磁场将磁流体或磁性盐溶液中的磁性纳米颗粒吸附下来，使非磁性的样品通过磁性过滤通道从过滤样品出口流出，从而实现样品中的磁性纳米颗粒的滤除。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明能够通过简单的通道叠加实现多级负磁泳分选，并且能够根据微粒尺寸，按照实际需求选择分选级数，在提高处理通量的同时也保证了负磁泳分选的尺寸分辨率；多级分选能够避免不同尺寸颗粒之间的相互影响，并且能够适应与各种尺寸颗粒样品的分选；同时本发明集成了磁性过滤单元，能够有效去除样品中磁性纳米颗粒，保持良好的生物相容性，因此能够广泛用于复杂的生物样品(例如全血)和不同尺寸微纳米颗粒的高效分选。

2、本发明利用负磁泳原理对不同尺寸的微纳米颗粒进行分选，负磁泳是指处于磁性溶液(例如磁流体或者磁性盐溶液)非磁性颗粒，能够受到磁场的排斥力(负磁泳力)而远离高磁场梯度的区域，即被磁铁排斥，并且负磁泳力与颗粒体积成正比，也与磁场梯度和磁场强度成正比，因利用负磁泳原理此能够根据尺寸对颗粒进行无标记分选。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的多级磁分选系统的结构图。

图2为本发明实施例1的三级分选通道单元其中一个角度的立体结构图。

图3为本发明实施例1的三级分选通道单元另一个角度的立体结构图。

图4为本发明实施例1的三级分选通道单元的正视结构图。

图5为本发明实施例1的三级分选通道单元的俯视结构图。

图6为本发明实施例1的三级分选通道单元的侧视结构图。

图7为本发明实施例1的三级分选通道单元中通道上底的结构图。

图8为本发明实施例1的三级分选通道单元中一级分选通道层的结构图。

图9为本发明实施例1的三级分选通道单元中一级中间层的结构图。

图10为本发明实施例1的三级分选通道单元中二级分选通道层的结构图。

图11为本发明实施例1的三级分选通道单元中二级中间层的结构图。

图12为本发明实施例1的三级分选通道单元中三级分选通道层的结构图。

图13为本发明实施例1的三级分选通道单元中通道下底的结构图。

图14为本发明实施例1的侧面基底的构成图。

图15为本发明实施例1的纳米级分选侧面基底的结构图。

图16为本发明实施例1的纳米级分选侧面基底的尺寸图。

图17为本发明实施例1的纳米级分选基底金属层表面图案的示意图。

图18为本发明实施例1的纳米级分选侧面基底的制作流程图。

图19为本发明实施例1的磁铁阵列单元及固定支架的立体结构图。

图20为本发明实施例1的磁铁阵列单元及固定支架的正视结构图。

图21为本发明实施例1的磁铁阵列单元及固定支架的俯视结构图。

图22为本发明实施例1的磁铁阵列单元及固定支架的侧视结构图。

图23为本发明实施例1的固定支架的结构图。

图24为本发明实施例1的磁铁阵列单元第一种形式的立体结构图。

图25为本发明实施例1的磁铁阵列单元第一种形式的正视结构图。

图26为本发明实施例1的磁铁阵列单元第一种形式的侧视结构图。

图27为本发明实施例1的磁铁阵列单元第一种形式的俯视结构图。

图28为本发明实施例1的磁铁阵列单元第二种形式的立体结构图。

图29为本发明实施例1的磁铁阵列单元第二种形式的正视结构图。

图30为本发明实施例1的磁铁阵列单元第二种形式的侧视结构图。

图31为本发明实施例1的磁铁阵列单元第二种形式的俯视结构图。

图32为本发明实施例1的磁铁阵列单元第三种形式的立体结构图。

图33为本发明实施例1的磁铁阵列单元第三种形式的正视结构图。

图34为本发明实施例1的磁铁阵列单元第三种形式的侧视结构图。

图35为本发明实施例1的磁铁阵列单元第三种形式的俯视结构图。

图36为本发明实施例1的磁铁阵列单元及磁性过滤单元的立体结构图。

图37为本发明实施例1的磁铁阵列单元及磁性过滤单元的正视结构图。

图38为本发明实施例1的磁铁阵列单元及磁性过滤单元的侧视结构图。

图39为本发明实施例1的磁铁阵列单元及磁性过滤单元的俯视结构图。

图40为本发明实施例1的磁性过滤单元的立体结构图。

图41为本发明实施例1的磁性过滤单元的正视结构图。

图42为本发明实施例1的磁性过滤单元的侧视结构图。

图43为本发明实施例1的磁性过滤单元的俯视结构图。

图44为本发明实施例2的多级磁分选系统的结构图。

图45为本发明实施例2的三级分选通道单元其中一个角度的立体结构图。

图46为本发明实施例2的三级分选通道单元另一个角度的立体结构图。

图47为本发明实施例2的三级分选通道单元中通道上底的结构图。

图48为本发明实施例2的三级分选通道单元中一级分选通道层的结构图。

图49为本发明实施例2的三级分选通道单元中一级中间层的结构图。

图50为本发明实施例2的三级分选通道单元中二级分选通道层的结构图。

图51为本发明实施例2的三级分选通道单元中二级中间层的结构图。

图52为本发明实施例2的三级分选通道单元中三级分选通道层的结构图。

图53为本发明实施例2的三级分选通道单元中通道下底的结构图。

图54为本发明实施例2的固定支架的结构图。

图55为本发明实施例2的磁铁阵列单元的立体结构图。

图56为本发明实施例2的磁铁阵列单元的正视结构图。

图57为本发明实施例2的磁铁阵列单元的侧视结构图。

图58为本发明实施例2的磁铁阵列单元的俯视结构图。

其中，1-多级分选通道单元，2-磁铁阵列单元，3-磁性过滤单元，4-固定支架，5-进样池，6-一级出样口，7-二级出样口，8-三级出样口，9-四级出样口，10-通道上底，11-一级分选通道层，12-一级中间层，13-二级分选通道层，14-二级中间层，15-三级分选通道层，16-通道下底，17-微米级分选侧面基底，18-纳米级分选侧面基底，19-一级分选样品入口，20-二级分选样品入口，21-三级分选样品入口，22-一级分选样品出口A，23-一级分选样品出口B，24-二级分选样品出口A，25-二级分选样品出口B，26-三级分选样品出口A，27-三级分选样品出口B，28-主分选通道，29-内侧出口通道，30-外侧出口通道，31-纳米级分选基底金属层，32-纳米级分选基底PDMS层，33-纳米级分选基底金属层表面图案，34-分选磁铁阵列，35-磁性过滤磁铁阵列，36-样品回收池，37-连接管，38-磁性过滤通道，39-过滤样品出口；W1-一级分选通道宽度，W2-二级分选通道宽度，W3-三级分选通道宽度，W4-纳米级分选基底PDMS层厚度，W5-纳米级分选基底金属层厚度，W6-纳米级分选基底金属层表面图案切割深度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例的分选级数范围为1-n级，可根据需求自由选取组合，其中一级分选是指有一个分选通道层，包括了一个样品入口和两个样品出口，能够对颗粒按照大小分成两个级别，或者是完全将样品中的颗粒分选出来；二级分选是指有两个分选通道层，包括了一个样品入口和三个样品出口，其中一级分选通道将较大尺寸颗粒分选后，剩余的样品可以通过中间层进入二级分选通道，进一步对颗粒尺寸进行细分。

本实施例以三级磁分选系统从全血中分选小细胞外囊泡为例进行说明，首先将全血和少量磁流体混合，通过一级分选通道能够将全血中的红细胞和白细胞(两者粒径均>6μm)去除，让红细胞和白细胞从B出口流出，而带有血小板的血清/血浆则从A出口流出并进入二级分选通道，在二级分选通道中，能够将血小板(>1μm)去除，使其从B出口流出，而无血小板的血清/血浆则从A出口留出，最终实现了全血中的血清/血浆分离，若需要进一步对血清/血浆中的细胞外囊泡(<1μm)按照尺寸分选，则可以将无血小板的血清/血浆继续通过三级分通道进行分选，将其中的细胞外囊泡按照尺寸大小分为微囊泡(>200nm)和小细胞外囊泡(<200nm)。对于纳米级颗粒(<1μm)，需要通过在侧面基底中加入图案化的金属层来增强磁场梯度和磁场强度，实现高分辨率的负磁泳分选；在分选得到所需的样品后，将该样品通过磁性过滤单元，可以去除磁流体中的磁性纳米颗粒(通常为10nm)，最终得到的样品中将不含任何外源性物质，因此不会对后端的检测或治疗产生任何影响。

下面结合图例对上述的全血分离过程进行详细描述，拟利用三级磁分选系统将全血样品中的血细胞(包括白细胞、红细胞和血小板)和微囊泡分离，最终得到血清/血浆中的小细胞外囊泡样品。

如图1所示，本实施例的多级磁分选系统包括多级分选通道单元1、磁铁阵列单元2、磁性过滤单元3和固定支架4，多级分选通道单元1、磁铁阵列单元2和磁性过滤单元3通过固定支架4固定和支撑，由于本实施例的多级磁分选系统为三级磁分选系统，因此多级分选通道单元1为三级分选通道单元，对于其它的多级磁分选系统，只需要增加或者减少多级分选通道单元1的层数，然后根据多级分选通道单元1的层数选择合适长度的磁铁，最后根据每个单元的最终尺寸，通过3D打印或者开模注塑方式制作固定支架4，将各个单元组合在一起即可。

如图1～图13所示，三级分选通道单元包括三个分选通道层，三个分选通道层从上到下依次堆叠，分别为一级分选通道层11、二级分选通道层13和三级分选通道层15；一级分选通道层11上面是通道上底10，通道上底10包括一级分选样品入口19，一级分选样品入口19与进样池5连接；每个分选通道层设置有一个主分选通道28和两个出口通道，以实现不同尺寸颗粒的分选，两个出口通道分别为内侧出口通道29和外侧出口通道30，一级分选通道层11的内侧出口通道29和外侧出口通道30分别通向一级分选样品出口A22和一级分选样品出口B23，二级分选通道层13的内侧出口通道29和外侧出口通道30分别通向二级分选样品出口A24和二级分选样品出口B25，三级分选通道层15的内侧出口通道29和外侧出口通道30分别通向三级分选样品出口A26和三级分选样品出口B27；在主分选通道28中，样品中的大颗粒将被负磁泳力排斥而进入外侧出口通道30，而小颗粒则被排斥的距离更小而进入内侧出口通道29；每两个相邻的分选通道层之间设置有中间层，通过中间层隔断与联通，一级分选通道层11与二级分选通道层13之间的中间层为一级中间层12，二级分选通道层13与二级分选通道层14之间的中间层为一级中间层14。

本实施例中，全血样品首先和磁流体按照一定比例混合，磁流体是磁性纳米颗粒的悬浮液，按照纳米颗粒的体积占比计算，全血中加入的磁性纳米颗粒的体积浓度为0.00001％-10％。混合后的样品注入进样池5，全血依靠重力能够自驱动向下流，这里也可以通过外加注射泵，或者在全血上方再加入油性液体(与血液不互溶)的方法来调节全血样品在分选通道中流速；进样池5可以根据样品量来调整其容积，多级分选通道单元1所处理的样品量范围为1pL-100L。

进一步地，进样池5中的全血样品通过通道上底10中的一级分选样品入口19进入一级分选通道层11，在主分选通道28中进行一级磁分选，里面的白细胞和红细胞(尺寸最大的颗粒)将进入外侧出口通道30，而带有血小板和细胞外囊泡的血清/血浆则进入内侧出口通道29；一级分选通道层11下面是一级中间层12，一级中间层12中包括了一个与一级分选样品出口A22连接的二级分选样品入口20，以及一个与一级分选样品出口B23连接的一级出样口6，全血样品中的白细胞和红细胞将从一级出样口6流出，而带有血小板和细胞外囊泡的血清/血浆则通过二级分选样品入口20进入二级分选通道层13；在二级分选通道层13中，以同样的负磁泳分选原理，通过减小主分选通道28的宽度W2，来实现样品中血小板的分离，使其通过该层的外侧出口通道30进入二级分选样品出口B25，并最终从二级分选通道层13下面的二级中间层14中的二级出样口7流出，而带有细胞外囊泡的血清/血浆则通过该层的内侧出口通道29进入二级分选样品出口A24，并通过二级中间层14中的三级分选样品入口21进入三级分选通道层15；在三级分选通道层15中，以同样的负磁泳分选原理，再通过减小主分选通道28的宽度W3，来实现样品中微囊泡和小细胞外囊泡的分离，最终尺寸更大的微囊泡通过该层的外侧出口通道30进入三级分选样品出口B27，并从通道下底16的三级出样口8流出，而小细胞外囊泡则通过该层的内侧出口通道29进入三级分选样品出口A26，最终从通道下底16的四级出样口9流出。

本实施例中，三级分选通道层15和前面两级分选通道层(一级分选通道层11和二级分选通道层13)的侧面基底有所区别，由于侧面基底是磁铁阵列单元2和多级分选通道单元1之间的隔断部分，其厚度直接影响磁铁阵列在分选通道内的磁场强度大小，可以通过减小侧面基底的厚度来增强分选通道内的磁场强度，但是对于纳米级颗粒，单纯依靠增强磁场强度，无法提供足够大的负磁泳力，需要加入图案化的金属基底层，通过进一步增强磁场梯度和磁场强度，来实现纳米级高分辨率的负磁泳分选；本实施例的前两级分选通道层(一级分选通道层11和二级分选通道层13)是对白细胞、红细胞和血小板进行分离，它们的尺寸都在微米级别，因此使用常规的微米级分选侧面基底17即可，其厚度范围为1μm-1cm；到了三级分选通道层15，需要对纳米级的微囊泡和小细胞外囊泡进行分选，此时则需要纳米级分选侧面基底18来增强其负磁泳力，如图14所示；纳米级分选侧面基底18包括纳米级分选基底金属层31和纳米级分选基底PDMS(聚二甲基硅氧烷)层32，如图15～图17所示，纳米级分选基底金属层31的材质为铁、镍、氧化铁、坡莫合金等铁磁性物质，通过飞秒激光或者皮秒激光在其表面切割沟槽阵列，使其表面形成正方形、多边形或者圆形的微阵列结构，本实施例以正方形为例，即纳米级分选基底金属层表面图案33，一方面通过金属层的加入能够提高分选通道内的磁场强度，另一方面通过对金属层进行图案化，使其表面具有微型阵列，能够提高分选通道层内的磁场梯度，因此能够极大提高颗粒所受的负磁泳力；纳米级分选基底PDMS层32的厚度W4(即纳米级分选基底金属层31到分选通道的距离)范围为10nm-1mm，纳米级分选基底金属层31的厚度W5范围为1μm-1cm，纳米级分选基底金属层31表面切割深度W6为10nm-1mm(不切透)，形成的正方形、多边形的边长范围或者圆形的直径范围为1μm-100μm，纳米级分选基底金属层表面图案33需要覆盖三级分选通通道层15中主分选通道28的范围，使颗粒在主分选通道28内都能受到增强的负磁泳力；纳米级分选侧面基底18的制作流程如图18所示，首先是对金属基底片进行激光表面切割，形成带表面微阵列图案的金属基底，然后在该图案化的金属表面旋涂液态PDMS层，其厚度可以通过旋涂转速调整，最后将PDMS层烘干，便形成了PDMS+金属双层基底，即完成了纳米级分选侧面基底18的制作。

进一步地，分选通道层、通道上下底、中间层以及微米级分选侧面基底的材质为塑料、玻璃、树脂或者聚合物(例如聚二甲基硅氧烷，PDMS)等，各个层级以及侧面基底之间通过胶粘、压力键合、等离子键合等方式进行贴合密封，通道层和中间层的结构通过可通过激光切割、注塑、光刻等方法制作。在该例子中，各个层级主分选通道28的宽度从上到下逐级递减，即W1>W2>W3，主分选通道28的宽度是根据颗粒尺寸进行设置，所分选的颗粒尺寸越大，则宽度越宽，其范围为10nm-10cm，两个分选出口通道的宽度可根据颗粒尺寸进行调整，两个通道宽度之和与主分选通道相等。分选通道层的厚度(即分选通道的高度)可根据样品量进行调整，其范围为10nm-1m。分选通道层之间可以通过中间层连接，也可以无中间层直接连接。

如图1、图19～图23所示，磁铁阵列单元2包括两组磁铁阵列，两组磁铁阵列分别为第一组磁铁阵列和第二组磁铁阵列，第一组磁铁阵列为分选磁铁阵列34，第二组磁铁阵列为磁性过滤磁铁阵列35，分选磁铁阵列34的一部分(图中展示为上面部分)给多级分选通道单元1提供负磁泳分选所需的磁场，另一部分(图中展示为下面部分)和磁性过滤磁铁阵列35一起给磁性过滤单元3提供磁过滤所需的磁场；两组磁铁阵列通过固定支架固定，其距离W7的范围为100μm-1m，磁铁阵列宽度范围为1mm-10m，磁铁阵列高度可根据多级分选通道单元1和磁性过滤单元3的高度进行调整，并确保其磁场作用范围能够覆盖以上两个单元。

本实施例共列举了三种磁铁阵列的排布形式，第一种形式的阵列记为A阵列，如图24～图27所示，第二种形式的阵列记为B阵列，如图28～图31所示，第三种形式的阵列记为C阵列，如图32～图35所示，图中的虚线箭头代表磁铁的磁场方向，如果用相同等级的磁铁进行排布，A阵列的产生的磁场强度大于B阵列，而C阵列磁场强度最小，但是C阵列的结构相对简单，最容易实现，可以根据分选颗粒的尺寸选择合适的磁铁阵列，不限于图中给出的三种磁铁阵列。

从多级分选通道单元1流出的分选样品中含有磁性纳米颗粒，虽然已经有生物相容性的磁性纳米颗粒，但是为了消除磁性纳米颗粒对生物样品以及后续检测、治疗等过程的影响，本实施例还集成了磁性过滤单元3，其结构如图36～图43所示，磁性过滤单元3包括样品回收池36、连接管37、磁性过滤通道38和过滤样品出口39，其中磁性过滤通道38是一段与磁铁阵列宽度等长的软管，其内径范围为100μm-1m，管壁厚范围为10μm-10cm，软管中填充满了微米级铁磁性粉末，例如铁颗粒或者氧化铁颗粒等，其颗粒粒径范围为1μm-100μm；磁性过滤通道38通过固定支架4放置在分选磁铁阵列34和磁性过滤磁铁阵列35之间，并被两组磁铁阵列所夹持；磁场能够将软管内的铁磁性粉末磁化并固定在磁铁区域，形成一段多孔结构的磁性过滤通道，由于充满了磁化的铁磁性粉末，因此磁性过滤通道38内具有极高的磁场强度和磁场梯度，能够将样品中的磁性纳米颗粒吸附下来。

进一步地，样品回收池36可以根据需求对四个出样口的样品进行收集，在本实施例中，为了收集小细胞外囊泡样品，利用样品回收池36对四级出样口9流出的小细胞外囊泡样品进行回收，然后在过滤样品出口39提供一个负压驱动(例如用注射器抽吸)，或者在回收池36端提供一个正压驱动，回收池36中的样品便会通过连接管37进入磁性过滤通道38，通过磁性过滤通道38内的强磁场能够将磁流体中的磁性纳米颗粒吸附下来，而非磁性的样品则能够通过多孔结构从过滤样品出口39流出，从而实现的样品中磁性纳米颗粒的滤除，得到纯净的小细胞外囊泡样品。

实施例2：

如图44～图58所示，本实施例相较于实施例1，在多级分选通道单元1的两侧布置了两组磁铁阵列，并且在分选通道层中相应地增加了主分选通道的数量，通过两组磁铁阵列的配合共同进行负磁泳分选，两组磁铁阵列的优点在于作用于分选通道中的磁场更强，从而分选速度更快，并且增加了主分选通道的数量，提高了样品的分选通量，整体可以提高分选效率。

本领域技术人员可以理解，除了在两侧布置两组磁铁阵列的方案，也可以在多级分选通道单元1的四周均布置磁铁阵列，让大颗粒受到四周的负磁泳力而从分选通道中间流出，小颗粒从分选通道的四周流出。

实施例3：

本实施例中，样品除了自上而下自驱动进入分选通道，也可以自下而上，通过外部压力进样；此外，磁铁阵列可以根据需求调整其放置位置，例如磁铁阵列置于上方，分选通道层位于下方，或者磁铁阵列置于下方，分选通道层位于上方。

综上所述，本发明的多级磁分选系统具有如下优点：

1)设计了多级堆叠的磁分选通道结构，能够根据需求选择分选级数并自由组合分选通道层，因此可以应对具有多种颗粒尺寸的复杂样品，例如全血，具有广泛的通用性。

2)通过宏观通道和微通道的结合，可以有效提高样品的处理通量。

3)设计了具有图案化的金属层基底，有效提高了颗粒所受的负磁泳力，实现对纳米颗粒的高分辨率分选，并且处理通量可以通过通道高度自由调整，通量不再受限。

4)集成了磁性过滤单元，能够有效去除负磁泳分选中引入的磁性纳米颗粒，完全消除其对生物样品的影响。

5)整个系统采用无源设计，依靠磁铁阵列提供分选动力，无需外部电源，样品能够自驱动进入分选通道，因此适用性广，能够用于野外等环境恶劣场景。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级磁分选系统，其特征在于，包括多级分选通道单元、磁铁阵列单元和磁性过滤单元，所述多级分选通道单元包括若干个分选通道层，若干个分选通道层从上到下依次堆叠，每个分选通道层设置有一个主分选通道和两个出口通道，以实现不同尺寸颗粒的分选，所述磁铁阵列单元包括至少两组磁铁阵列，其中一组磁铁阵列为磁性过滤磁铁阵列，用于给磁性过滤单元提供磁过滤所需的磁场，其余的磁铁阵列为分选磁铁阵列，用于给多级分选通道单元提供负磁泳分选所需的磁场，所述磁性过滤单元与多级分选通道单元连接。

2.根据权利要求1所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述多级分选通道单元中，每两个相邻的分选通道层之间设置有中间层，通过中间层隔断与联通，所述中间层设置有分选样品入口和出样口，所述分选样品入口和出样口分别与上一个分选通道层的两个出口通道所通向的分选样品出口连接。

3.根据权利要求1所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述多级分选通道单元中，每个分选通道层的两个出口通道分别为外侧出口通道和内侧出口通道，在主分选通道中，样品中的大颗粒被磁场排斥的距离更远而进入外侧出口通道，小颗粒被磁场排斥的距离更近而进入内侧出口通道。

4.根据权利要求1所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述多级分选通道单元的各个分选通道层与分选磁铁阵列之间设置有基底。

5.根据权利要求4所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述基底中添加有金属层。

6.根据权利要求1所述的多级磁分选系统，其特征在于，每组磁铁阵列均由若干个磁铁按照预设的顺序排列组成。

7.根据权利要求1所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述磁性过滤单元包括样品回收池、连接管、磁性过滤通道和过滤样品出口，所述多级分选通道单元与样品回收池连接，所述样品回收池、连接管、磁性过滤通道和过滤样品出口依次连接。

8.根据权利要求7所述的多级磁分选系统，其特征在于，所述磁性过滤通道是一段填充有微米级铁磁性粉末的软管，所述磁性过滤通道放置在两组磁铁阵列之间，在两组磁铁阵列的夹持下，磁场将软管内的微米级铁磁性粉末磁化并固定在磁铁区域，形成一段多孔结构的磁性过滤通道。

9.根据权利要求1-8任一项所述的多级磁分选系统，其特征在于，还包括固定支架，所述多级分选通道单元、磁铁阵列单元和磁性过滤单元通过固定支架固定和支撑。

10.一种磁分选方法，基于权利要求1-9任一项所述的多级磁分选系统实现，其特征在于，所述方法包括：

将待分选的样品和磁流体或磁性盐溶液按照预设的比例混合；

通过进样池依次流经各个分选通道层，并在每个分选通道层中实现不同尺寸颗粒的分选；

在磁性过滤单元中，通过样品回收池回收分选后的样品，样品回收池中的样品通过连接管进入磁性过滤通道，通过磁性过滤通道内的强磁场将磁流体或磁性盐溶液中的磁性纳米颗粒吸附下来，使非磁性的样品通过磁性过滤通道从过滤样品出口流出，从而实现样品中的磁性纳米颗粒的滤除。