CN210787393U

CN210787393U - 具有三维聚焦功能的单层微流控芯片

Info

Publication number: CN210787393U
Application number: CN201921048326.6U
Authority: CN
Inventors: 宋飞飞; 王策; 马玉婷; 吴云良; 陈忠祥; 裴智果; 严心涛; 钟金凤; 王红梅; 闫龙
Original assignee: Institute of Zoology of CAS; Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Institute of Zoology of CAS; Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2029-07-04

Abstract

本实用新型公开了具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，包括单层微流控芯片主体、设置在所述单层微流控芯片主体内的主流道和聚焦模块，所述聚焦模块包括与所述主流道连通的样品管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在垂直方向上聚焦的第一鞘液管路和第二鞘液管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在水平方向上聚焦的第三鞘液管路和第四鞘液管路。本实用新型的通过第一鞘液管路和第二鞘液管路中的鞘液实现样品流在XZ平面内的聚焦，再通过第三鞘液管路和第四鞘液管路实现XY平面内的聚焦，从而实现三维聚焦，使样品在主流道中呈单列流动，不仅能提高分析和分选的精度，而且结构简单，成本较低。

Description

具有三维聚焦功能的单层微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片领域，特别涉及一种具有三维聚焦功能的单层微流控芯片。

背景技术

现代生命科学的发展离不开研究手段的创新与进步，特别是微米或者亚微米尺度的微粒的分离、分析和测试方法的发展极大的促进了现代生命科学向更高、更深入和更精细的层次发展。自1990年，科学家首次提出微型全分析系统，微流控技术已经逐渐成为当前微观领域分析的重要发展前沿，它可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应等操作集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程，这被称为“芯片实验室”。“芯片实验室”有着体积轻巧、使用样品及试剂量少等多种优点，目前已经在生命科学和分析化学等领域得到广泛的应用。

流式微粒技术能够对处在快速流动状态中的微粒或生物颗粒进行多参数、定量分析或分选，而随着微流控芯片技术的发展，微流控芯片逐渐成为流式微粒技术中不可分离的一部分。常规的微流控芯片往往通过鞘液包裹样品，来实现样品流的聚焦。而传统制作的微流体芯片都是基于平面设计加工的，在垂直于基片方向是等深的，因而样本只能在沿平行于基片的平面方向聚集排列，而无法在垂直于基片方向实现有效的聚集排列，基于这种设计的微流控芯片只能实现所谓的“一维聚焦”，降低了分析和分选的精度。

为了解决这种微流控芯片上的三维聚焦问题，往往需要通过多层芯片叠加的方法来实现三维聚焦，但这种方法结构复杂，设计难度大，加工成本，在实际的应用中并不能得到很好的推广。

另一方面，现有的微流控芯片出口通道一般至少包括一个分选通道和废液通道，这样在两个出口通道的交叉口会形成相对于流体流动方向的凸起，在凸起区域形成流动中驻点，这种驻点的存在致使细胞或者微粒粘附上面，进而引起细胞或者微粒的聚集，导致稳定的微流体流动状态发生改变，使分析或者分选精度下降，同时也会引起流道拥堵，样品污染，纯度下降等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有三维聚焦功能的单层微流控芯片。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，包括单层微流控芯片主体、设置在所述单层微流控芯片主体内的主流道和聚焦模块，所述聚焦模块包括与所述主流道连通的样品管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在垂直方向上聚焦的第一鞘液管路和第二鞘液管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在水平方向上聚焦的第三鞘液管路和第四鞘液管路：

所述第一鞘液管路与所述主流道在同一条流线上，所述第二鞘液管路和样品管路平行且垂直于所述主流道，所述样品管路、第一鞘液管路和第二鞘液管路的轴线在同一平面内；沿所述主流道内的样品流的运动方向，所述样品管路处于所述第一鞘液管路的前方；

所述第三鞘液管路和第四鞘液管路对称分布在所述主流道两侧。

优选的是，所述样品管路和第二鞘液管路的直径相同，且不小于所述主流道的宽度。

优选的是，所述第一鞘液管路和第二鞘液管路中的鞘液流量相等，且均不小于所述样品管路中的样品流量。

优选的是，所述第三鞘液管路和第四鞘液管路的轴线在同一平面内。

优选的是，所述第三鞘液管路和第四鞘液管路与所述主流道之间的夹角均为90°。

优选的是，所述主流道为矩形流道，其宽度为50～200微米,深度为50～200微米；样品管路和第二鞘液管路为柱形管路，两者的直径均为100～200微米。

优选的是，其特征在于，还包括设置在所述主流道上的分选模块，所述主流道通过所述分选模块后在所述单层微流控芯片主体的出口端分叉形成两个出液流道，所述两个出液流道之间设有与所述主流道连通的逆流鞘液流道，所述逆流鞘液流道中通入与所述主流道内流体的运动方向相反的逆流鞘液。

优选的是，所述两个出液流道之间的夹角为0-180°，所述两个出液流道对称分布于所述主流道的两侧；

所述逆流鞘液的流量小于通过所述分选模块后的所述主流道内的流量。

优选的是，所述两个出液流道交叉处的主流道的内设置有导流装置，所述导流装置处于所述主流道与所述逆流鞘液流道的交汇处；所述导流装置包括相互连接的两块导流片，所述两块导流片之间的夹角与所述两个出液流道之间的夹角相同，所述两块导流片对称分布于所述逆流鞘液流道的中心线两侧，且所述两块导流片分别与所述两个出液流道平行；

所述导流片上沿厚度方向垂直贯穿开设有锥形导流孔，且所述锥形导流孔的尺寸由靠近所述逆流鞘液流道的一侧向靠近所述主流道的一侧逐渐减小。

优选的是，所述两块导流片与所述逆流鞘液流道之间还设置有分流片，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向所述两块导流片；所述分流片的中心线与所述逆流鞘液流道的中心线重合，且所述分流片的两侧对称设置有两倾斜导流面。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片通过第一鞘液管路和第二鞘液管路中的鞘液实现样品流在XZ平面内的聚焦，再通过第三鞘液管路和第四鞘液管路实现XY平面内的聚焦，从而实现三维聚焦，使样品在主流道中呈单列流动，不仅能提高分析和分选的精度，而且结构简单，成本较低。本实用新型通过逆流鞘液的设置可解决现有技术中细胞或者微粒粘附在V字形壁面的问题，能防止流道阻塞，提高分析或者分选精度。本实用新型的导流片的设置能对交汇处的主流道流体和逆流鞘液进行引导，保持微流控芯片主体内流体的稳定流动状态，进一步防止细胞或者微粒在V字形壁面上粘附。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1中的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例1中的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片内的流道的结构示意图；

图3为本实用新型的实施例1中的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片的俯视方向的结构示意图；

图4为本实用新型的实施例2中的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片的结构示意图；

图5为本实用新型的实施例3中的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片的结构示意图；

图6为本实用新型的实施例3中的导流装置的局部放大结构示意图；

图7为本实用新型的实施例3中的导流片的结构示意图；

图8为本实用新型的实施例3中的导流片的剖视结构示意图。

附图标记说明：

1—单层微流控芯片主体；2—聚焦模块；3—分选模块；4—主流道；5—出液流道；6—逆流鞘液流道；7—样品入口；8—导流装置；9—分流片；20—样品管路；21—第一鞘液管路；22—第二鞘液管路；23—第三鞘液管路；24—第四鞘液管路；50—分选通道；51—废液通道；80—导流片；81—锥形导流孔；83—导流片的第一侧表面；84—导流片的第二侧表面；90—倾斜导流面。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

如图1-2所示，本实施例的一种具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，包括单层微流控芯片主体1、设置在单层微流控芯片主体1内的主流道4和聚焦模块2，聚焦模块2包括与主流道4连通的样品管路20、与主流道4连通的用于实现主流道4中的样品流在垂直方向(图中XZ平面)上聚焦的第一鞘液管路21和第二鞘液管路22、与主流道4连通的用于实现主流道4中的样品流在水平方向(图中XY平面)上聚焦的第三鞘液管路23和第四鞘液管路24：

第一鞘液管路21与主流道4在同一条流线上，第二鞘液管路22和样品管路20平行且垂直于主流道4，样品管路20、第一鞘液管路21和第二鞘液管路22的轴线在同一平面内；沿主流道4内的样品流的运动方向，样品管路20处于第一鞘液管路21的前方；

第三鞘液管路23和第四鞘液管路24对称分布在主流道4两侧。

参照图1和2，本实施例中，单层微流控芯片本体上设置有样品入口7(与样品管路20对应连通，以通入样品)、四个鞘液入口(分别与第一、第二、第三、第四鞘液管路连通，以通入各鞘液)、分选模块3(实现目标物和非目标物的分离)以及两个出口(一个废液出口，一个目标物出口)，样品经由第一鞘液管路21和第二鞘液管路22中的鞘液实现XZ平面内的聚焦，再经由第三鞘液管路23和第四鞘液管路24实现XY平面内的聚焦，从而实现三维聚焦，使样品在主流道4中呈单列流动并流向分选模块3，经过分选模块3分选为目标物和废液，再分别经由目标物出口和废液出口排出。

本实施例中，优选为：主流道4为矩形流道，其宽度为50～200微米,深度为50～200微米；样品管路20和第二鞘液管路22为柱形管路，两者的直径均为100～200微米。样品管路20和第二鞘液管路22的直径相同，且不小于主流道4的宽度。第一鞘液管路21和第二鞘液管路22中的鞘液流量相等，且均不小于样品管路20中的样品流量。

其中，第三鞘液管路23和第四鞘液管路24的轴线在同一平面内。第三鞘液管路23和第四鞘液管路24与主流道4之间的夹角为0-90°(图中第三鞘液管路23和第四鞘液管路24左侧与主流道4之间的夹角，即图中的角A)。在优选的实施例中角A均为90°。

本实用新型的微流控芯片可主要应用于微粒的三维聚焦，微粒不仅指微粒，还包括各种荧光小球，或者直径小于50微米的微粒。

实施例2

参照图3，为在上述实施例1的基础上的进一步优选实施例，该微流控芯片还包括设置在所述主流道4上的分选模块3，所述主流道4通过所述分选模块3后在所述单层微流控芯片主体1的出口端分叉形成两个出液流道5，分别为分选通道50(及目标物通道，与目标物出口连通，)和废液通道51(与废液出口连通)，所述两个出液流道5之间设有与所述主流道4连通的逆流鞘液流道6，所述逆流鞘液流道6中通入与所述主流道4内流体的运动方向相反的逆流鞘液。

样品经过分选模块3后，目标微粒进入分选通道50，非目标细胞或者微球进入废液通道51。同时在逆流鞘液通道通入逆流鞘液，逆流鞘液方向与主流道4内流体流动方向相反，该逆流可以防止进入两个出液流道5的细胞在出口间的位置粘附，进而阻塞流道，同时该鞘液对样品流再次聚焦。

两个出液流道5的交叉口会形成V字形壁面，在主流道4中，微粒被聚焦中间，容易被冲到V字形壁面附近，并粘附在上面，导致微流体流动状态发生改变，使分析或者分选精度下降，同时也会引起引起流道拥堵，样品污染，纯度下降等问题。本实用新型中，逆流鞘液流动方向与主流道4流动方向相反，形成逆流，在逆流的作用下微粒(如细胞)无法接触到壁面，避免微粒粘附在壁面上，从而防止微粒聚集阻塞流道，同时该鞘液对分选通道50和废液通道51中样品流再次聚焦，使样品流动更加稳定。

实施例3

参照图4-8，为在实施例2的基础上的进一步优选实施例，两个出液流道5交叉处的主流道4的内设置有导流装置8，导流装置8处于主流道4与逆流鞘液流道6的交汇处；导流装置8包括相互连接的两块导流片80，两块导流片80之间的夹角与两个出液流道5之间的夹角相同，两块导流片80对称分布于逆流鞘液流道6的中心线两侧，且两块导流片80分别与两个出液流道5平行。其中，导流片80上沿厚度方向垂直贯穿开设有锥形导流孔81，且锥形导流孔81的尺寸由靠近逆流鞘液流道6的一侧向靠近主流道4的一侧逐渐减小(即由导流片的第一侧表面向其第二侧表面逐渐减小)。所述两个出液流道5之间的夹角为0-180°，本实施例中为90°，所述两个出液流道5对称分布于所述主流道4的两侧；

所述逆流鞘液的流量小于通过所述分选模块33后的所述主流道4内的流量(样品流量、第一、第二、第三、第四鞘液管路24中的流量的总和)。

其中，两块导流片80用于引导部分逆流鞘液沿与两个出液流道5分别平行的方向进行流动。

参照图6，其中箭头示意了各流道内流体的流动方向。在更进一步优选的实施例中，两块导流片80与逆流鞘液流道6之间还设置有分流片9，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向两块导流片80；分流片9的中心线与逆流鞘液流道6的中心线重合，且分流片9的两侧对称设置有两倾斜导流面90。导流片80和分流片9垂直设置，上下两端可与微流控芯片主体1连接(导流片80和分流片9上下两端嵌入到流道上下端的微流控芯片主体1内)也可与流道的内壁连接(导流片80和分流片9上下两端与流道上下端的内壁配合连接)。两倾斜导流面90之间的夹角为2-30°，本实施例中为5°。

逆流鞘液的主要作用是，防止两个出液流道5交叉处的细胞粘附在出液流道5的内壁上(主要是靠近逆流鞘液流道6一侧的V字形壁面上，如图6中的m位置和n位置)。两块导流片80用于对交汇处的主流道4流体和逆流鞘液进行引导，保持稳定流动状态。以图6为例，其中箭头方向表示相应流体的流动方向，逆流鞘液经分流片9分割形成均匀的两股，在两倾斜导流面90的引导下流向两块导流片80，部分逆流鞘液由导流片的第一侧表面引导，顺着导流片的第一侧表面83向两侧流动，从而增强对A位置和B位置的出液流道5的内壁的冲刷作用，有效防止微粒粘附在此处；另一部分逆流鞘液会通过导流片80上的锥形导流孔81，从导流片的第二侧表面84流出，与主流道4流体汇合，对导流片的第二侧表面84产生冲刷作用防止微粒粘附在导流片的第二侧表面84。另一方面，导流片的第二侧表面84对主流道4流体也起到引导作用，引导经过分选后的主流道4流体分别向两侧流动，能提高分选效率和精度。逆流鞘液由大口径端向小口径端流动经过锥形导流孔81，使逆流鞘液流速能增大，增强对导流片的第二侧表面84的冲刷作用，防止微粒粘附。另外，锥形导流孔81的小口径端设置于与主流道4流体接触的导流片的第二侧表面84上，能防止主流道4流体流入锥形导流孔81而影响逆流鞘液的流动。分流片9上的倾斜导流面90的设置便于将逆流鞘液向两侧引导，两倾斜导流面90之间的夹角大小与两个出液流道5之间的夹角正相关，便于引导逆流鞘液向两侧流动对A位置和B位置进行冲刷。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节。

Claims

1.一种具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，包括单层微流控芯片主体、设置在所述单层微流控芯片主体内的主流道和聚焦模块，其特征在于，所述聚焦模块包括与所述主流道连通的样品管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在垂直方向上聚焦的第一鞘液管路和第二鞘液管路、与所述主流道连通的用于实现主流道中的样品流在水平方向上聚焦的第三鞘液管路和第四鞘液管路：

2.根据权利要求1所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述样品管路和第二鞘液管路的直径相同，且不小于所述主流道的宽度。

3.根据权利要求2所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述第一鞘液管路和第二鞘液管路中的鞘液流量相等，且均不小于所述样品管路中的样品流量。

4.根据权利要求1所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述第三鞘液管路和第四鞘液管路的轴线在同一平面内。

5.根据权利要求4所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述第三鞘液管路和第四鞘液管路与所述主流道之间的夹角均为90°。

6.根据权利要求2所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述主流道为矩形流道，其宽度为50～200微米,深度为50～200微米；样品管路和第二鞘液管路为柱形管路，两者的直径均为100～200微米。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，还包括设置在所述主流道上的分选模块，所述主流道通过所述分选模块后在所述单层微流控芯片主体的出口端分叉形成两个出液流道，所述两个出液流道之间设有与所述主流道连通的逆流鞘液流道，所述逆流鞘液流道中通入与所述主流道内流体的运动方向相反的逆流鞘液。

8.根据权利要求7所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述两个出液流道之间的夹角为0-180°，所述两个出液流道对称分布于所述主流道的两侧；

9.根据权利要求8所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述两个出液流道交叉处的主流道的内设置有导流装置，所述导流装置处于所述主流道与所述逆流鞘液流道的交汇处；所述导流装置包括相互连接的两块导流片，所述两块导流片之间的夹角与所述两个出液流道之间的夹角相同，所述两块导流片对称分布于所述逆流鞘液流道的中心线两侧，且所述两块导流片分别与所述两个出液流道平行；

10.根据权利要求9所述的具有三维聚焦功能的单层微流控芯片，其特征在于，所述两块导流片与所述逆流鞘液流道之间还设置有分流片，其用于将逆流鞘液分割形成两股以分别流向所述两块导流片；所述分流片的中心线与所述逆流鞘液流道的中心线重合，且所述分流片的两侧对称设置有两倾斜导流面。