[发明专利]一种无鞘液式粒子三维聚焦微流体芯片及其聚焦的方法

说明书

一种无鞘液式粒子三维聚焦微流体芯片及其聚焦的方法，属于惯性微流控芯片领域。该微流控芯片由流道层、基底层键合封装而成，流道层中包含由高深宽比矩形截面直流道和弯流道的周期性交替串联而成的流道结构。每一个聚焦周期中的弯道内，惯性升力和迪恩曳力共同把粒子向流道截面中央推挤，并同时把粒子向流道外侧聚集；再利用相邻的下一聚焦周期中的直流道中的惯性升力将粒子在上一周期获得的截面分布差异进行归纳整理，使得直流道两侧的分布密度差异进一步增大，从而经过多周期聚焦累积效应后逐渐实现无鞘液式粒子单束三维聚焦排列。该流道结构可以对流速范围50μl/min‑2000μl/min、粒径范围1μm‑30μm的粒子群实现三维单束聚焦排列。

技术领域

本发明涉及一种用于无鞘液式粒子三维聚焦排列的微流控芯片设计及其制作方法,属于惯性微流控芯片领域。

背景技术

粒子样品的高通量排序和聚焦是许多生物样品临床处理中的必备步骤。微流控技术由于具有体积轻巧、使用样品/试剂量少、速度快、大量平行处理及强大的流场控制能力等优点，为粒子位置的精确控制提供了极佳的技术平台。目前，微流体粒子聚焦技术可以分为两大类：鞘液式聚焦和无鞘液聚焦。鞘液式聚焦采用一股或多股鞘液流来把粒子样品夹挤为二维或三维流体束中。尽管这一机制被广泛应用，但是由于需要额外引入鞘液并控制其流速，不可避免的增加了系统的复杂程度与成本，同时也大大稀释了生物样品。无鞘液式聚焦相对于鞘液式更具优势，通过对粒子直接施加侧向作用力而使粒子进行排列。根据力源的不同，无鞘液式聚焦又可分为主动式聚焦和被动式聚焦。主动式聚焦借助流场之外的辅助物理场来对粒子施加作用力，其操控精度高，但是外围控制装置复杂且通量受限，这对于稀少靶粒子的快速便捷富集不利；被动式聚焦则是基于流场自身的流体动力来产生力场，进而操控粒子的运动，从而大大简化了装置的复杂度。前人提出了很多基于低雷诺数下流场自身的非惯性动力的方案，比如确定性侧向位移技术(McGrath,Jimenez et al.(2014).Deterministic lateral displacement for particle separation:areview.Lab on a Chip,The Royal Society of Chemistry.14:4139-4158.)。这些方法尽管可以实现粒子聚焦，但是其通量低、流道结构复杂，大大限制了其应用前景。

近年来，惯性微流控技术的诞生为粒子高通量操控提供了新的平台。这项技术利用高雷诺数下流体和粒子自身的惯性效应以及特定的流道结构，对粒子施加惯性力，从而控制流场中粒子的侧向迁移。惯性微流体技术集成了被动式聚焦的无需引入辅助鞘液或物理场的优势，并且大大提高了样品的处理通量以及粒子位置操控的精确性，因此吸引了大量的研究。在惯性微流体中，粒子的侧向迁移运动主要受到两种力的影响：惯性升力以及二次流施加的曳力。这两项力的结合衍生出了很多聚焦结构的设计：Dino等人设计了直线型流道模型(Zhou,Giridhar et al.(2013).Modulation of aspect ratio for completeseparation in an inertial microfluidic channel.Lab on a Chip.13:1919-1929.)，单纯利用惯性升力的平衡来实现粒子流聚焦，虽然结构简单，然而其对应的粒子平衡位置多于一个，因此不能实现粒子的单束排列。Ian Papautsky等人进一步提出了two stagefocusing模型(Wang,Zandi et al.(2015).Single stream inertial focusing in astraight microchannel.Lab on a Chip.15:1812-1821.)，可以实现单束聚焦，然而中间涉及到了流场的非对称分割，这对分叉口的设计提出了较高的要求，需要对下游的两路分支流道的流阻进行匹配，另外，由于下游流道中粒子基于自旋效应的惯性迁移速度很小，因此该方案对小粒子聚焦时，流道要设计的很长，这将增大流阻和液压，增大了微流控芯片崩裂失效的风险。