CN210171474U - 一种基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，包括输入区域、加速区域、聚焦区域、分选区域、输出区域。其中输入区域实现样本注入，使得到达加速区域时的流体稳定；加速区域用于加速流体和预集中粒子；聚焦区域实现将液体中的粒子偏转到管道的中间；分选区域实现在两侧的叉指电极（IDT）上施加相同的射频（RF）驱动信号后，在衬底上形成驻波，使得管道内的不同大小的粒子在声波辐射力的作用下实现选择性偏移。输出区域包括废液通道和收集通道，分别对应分选后无效的废液和分选出的粒子。由于使用无鞘流的结构和SAW分选，所以该微流控芯片具有结构简单、功率低、样本处理效率高等优点。

Description

一种基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及微流控分析技术领域，具体涉及一种基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片。

背景技术

近些年，基于微流控芯片的片上实验室技术已经取得了许多的研究成果，实现了如细胞培养、分选、裂解，溶液样品制备、反应、分离、检测等。由于其具有对试剂需求量少、密闭操作、系统价格低廉等优势，在未来生物医药的研究和现场快速检测（POC）领域具有巨大的应用潜力。

目前，使用微流控芯片实现细胞/粒子分选的原理主要是基于粒子的不同理化属性，如根据粒子的不同介电属性，可在电泳力下实现分选；根据粒子是否被荧光标记，荧光激活可实现分选；根据质量不同，可在惯性力下实现分选；根据粒子的大小不同，可在侧向声波辐射力下实现分选。相比与其他的分离方法，基于声表面波的粒子分离系统具有如下优点：结构简单，主要包含压电衬底，IDTs，微流管道；分离效果容易控制，只要调节加在IDTs上的RF功率；生物兼容性好，分选不影响细胞的活性。

对于现有的微流控粒子分选系统，在粒子流经微流控通道中的分选区域时，为了避免粒子受湍流、涡流的影响，都要求对混合粒子实现聚焦，保证在通道中间形成单个排列的粒子流，以便实现：当分选区域的功能启用时，目标粒子能够从收集口流出，而当分选区域的功能没有启用时，粒子只从废液口流出。

对于粒子聚焦，常用的有效方法是通过采用多个输入口注入鞘流，使样本流在周围鞘流的作用下实现聚焦。然而，多个鞘流输入口意味着多个微流泵，增加了系统复杂度。同时，在现有的采用鞘流的工作中往往流速与分离效果互相限制，即在分选功能启用后，分选区域粒子的流速越慢，分离效果越高，目标粒子流向废液口的数量就会越少，分选通量就越低。所以加鞘流的方法虽然克服了聚焦的问题，但是鞘流的流量往往大于样本流的流量两倍以上，为了达到更高的分离效率，不得不把样本流的流速降低。

所以，对于微流控分选芯片，无鞘流的设计与带鞘流的设计相比，减少了微流泵的数量，避免了流速与分离效果互相限制，减少了样本检测的时间，更加有利于系统的集成化与小型化。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的缓解微流控分选系统中样本聚焦与样本分离效率之间矛盾的问题，本实用新型提出了一种基于声波面驻波的无鞘流的微流控分离芯片设计方案。通过斯托克斯拖曳力和萨夫曼升力实现粒子聚焦，基于悬浮于微流管道中的粒子受到的声波辐射力正比于粒子体积的关系实现粒子分离。从而减小对微流泵驱动鞘流的设备的需求，同时在等量样本和精度要求下减小检测的时间。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案：利用粒子在流体中受到的施托克斯拖曳力和萨夫曼升力实现粒子聚焦，利用声波辐射力，实现对不同大小的粒子进行分离。该系统可以划分为五个区域，分别是输入区域、加速区域、聚焦区域、分选区域、输出区域。其中输入区域，通过导管将外界液体泵入到管道内，且在进入加速区域前粒子和流体的扰动能够稳定下来。加速区域，通过一系列半圆型突起结构，管道宽度最大为135μm，最小为35μm，将可能沿着下表面运动的粒子预先集中到中间区域，防止沿着管道壁滑动的粒子在进入聚焦区域后依然沿着内壁滑动导致聚焦失败，其次在进入聚焦区域时能够有高的流速。聚焦区域，由于流体是从聚焦区域的一个顶点流入，且入口的截面积远小于聚焦区域的截面积，所以在入口附近形成一个大的速度梯度场，粒子在惯性力，史托克斯拖曳力以及萨夫曼升力的作用下朝向入口远端的方向运动，实现聚焦的效果。分选区域，在其两侧各有一个插指换能器（IDTs），两侧的IDTs相互平行，但与微流管道成10°的夹角。当在IDTs上加上射频功率信号后，在铌酸锂衬底表面形成驻波。在微流管道内，垂直于衬底的方向上形成与之对应的行波。行波在粒子表面的散射等形成了声波辐射力，使得粒子沿着驻波波节的位置移动。由于不同的粒子受到的辐射力不同，使得体积更大的粒子会偏离聚焦的流线而移动到收集出口，其他的粒子则从废液端口流出。输出区域，在分离区域的末端，主管道被成两条管道，分别为废液输出管道和收集管道，分别对废液和目标样本进行收集。

进一步的，插指换能器是通过光刻工艺和铝离子注入的方法直接制造在铌酸锂衬底上。

进一步的，具有微流管道凹槽的聚二甲基硅氧烷结构（PDMS）和铌酸锂衬底使用等离子清洗后再键合。

相对于现有的技术，本实用新型具有以下的有益效果：与传统的带鞘流的管道相比，需要更少的微流注射泵，在同样体积的样本下，保证达到近似的目标分选精度的条件下，减小总的分选时间。

附图说明

图1是本实用新型的微流控芯片的3D结构；

图2是本实用新型的微流控芯片的俯视图；

图3是微流控管道结构图；

图4是无鞘流微流控管道在Comsol仿真下的粒子的聚焦轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1-3所示，本实用新型的基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，包括微流控管道和插指换能器，所述微流控芯片分为输入区域、加速区域、聚焦区域、分选区域、输出区域。各区域的结构如下。

输入区域：导管入口7圆孔的半径为700 μm，管道的长度为1300 μm，管道的最小宽度为135 μm，导管入口7接入样本输入管道1。

加速区域：管道长度为1600μm，最小管道宽度为35um，最大管道宽度为135 μm，包含六个半的半圆型突起阵列8，半径为100 μm，半圆之间的最小间隔为50μm。

聚焦区域：管道长度为2780 μm，管道宽度800 μm。在左侧边界处设置60°尖角，该区域设有定位点9。

分选区域：管道长度为7220 μm，管道宽度800 μm，并设有插指换能器2。

输出区域：废液通道10与收集通道11的截面积比为3:1，且它们之间成60度的夹角，废液通道10与收集通道11的长度都为2500μm，末端分别带有半径为700μm的废液出口12和收集出口13，分别用于接入废液导管3和收集导管4。

PDMS结构 5上形成所述微流控管道，PDMS结构 5与和铌酸锂衬底6使用等离子清洗后再键合，形成无鞘流微流控芯片，粒子在没有声表面波驱动下能够实现聚焦。

插指换能器2（IDTs）是通过光刻工艺和铝离子注入的方法直接制造在铌酸锂衬底上，压电衬底材料为128°Y切铌酸锂。每个IDTs有25对插指和6个反射条，插指之间的间隔为40 μm，波长为160 μm。IDTs的长度为5mm，且与微流管道成10°的夹角。通过在两侧的IDTs上施加相同的射频功率信号，能够在IDTs之间的衬底上形成驻波，进而在粒子上形成声波辐射力，粒子在声波辐射力下从聚焦流线偏向收集出口，实现粒子分选。

如图4所示，无鞘流微流控管道在Comsol仿真下的粒子的聚焦轨迹。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，包括微流控管道、插指换能器和铌酸锂衬底（6），所述微流控芯片分为输入区域、加速区域、聚焦区域、分选区域、输出区域，其特征在于：

所述输入区域设有导管入口（7），导管入口（7）圆孔的半径为700 μm，导管入口（7）接入样本输入管道（1）；加速区域设有六个半的半圆型突起阵列（8），半径为100 μm，半圆之间的最小间隔为50μm；聚焦区域在左侧边界处设置60°尖角，该聚焦区域设有定位点（9）；分选区域设有两个分布于微流控管道两侧的插指换能器（2）；输出区域设有废液通道（10）与收集通道（11），废液通道（10）与收集通道（11）的截面积比为3:1，夹角为60°，废液通道（10）与收集通道（11）末端分别设有废液出口（12）和收集出口（13），废液出口（12）和收集出口（13）分别用于接入废液导管（3）和收集导管（4）。

2.如权利要求1所述的基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，其特征在于：所述微流控管道形成于PDMS结构 （5）上，PDMS结构（5）与和铌酸锂衬底（6）键合。

3.如权利要求2所述的基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，其特征在于：所述插指换能器（2）直接形成在铌酸锂衬底上。

4.如权利要求1所述的基于声表面波的用于粒子分离的无鞘流微流控芯片，其特征在于：每个插指换能器（2）有25对插指和6个反射条，插指之间的间隔为40 μm，波长为160 μm，与微流管道成10°的夹角。

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