CN111330656A - 一种微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，该器件由样品入口、系列螺旋流道、错流过滤流道、Y型分叉流道、浓缩样品出口和连接有空白液体出口的汇流流道构成，样品入口连接系列螺旋流道，错流过滤流道设置于系列螺旋流道之间，系列螺旋流道末端包含出样品端和出液体端，Y型分叉流道连接在系列螺旋流道末端的出样品端，浓缩样品出口与Y型分叉流道相连，汇流流道与系列螺旋流道末端的出液体端连接。该器件能够实现微米颗粒悬液的高通量、高倍率浓缩，最佳回收率高达99.99％，且无需精确流阻匹配，操作简单，同时对细胞损伤低，处理后细胞活性高达95％，结构简单，成本低。

Description

一种微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件
技术领域
本发明涉及一种体积浓缩微流控器件，更具体地，涉及一种微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件。
背景技术
包含细胞或颗粒的生物悬液是重要的医学样本，对这些生物悬液中细胞或颗粒的计数和检测可为疾病诊断提供重要的信息，实现生物悬液中细胞或颗粒的检测需要对样品进行浓缩预处理，借助样品中目标成分的浓度提升来提高检测的灵敏度和检出率，目前常用的样品浓缩方法包括：高速离心和滤膜过滤。离心方法通过强离心力迫使细胞或颗粒沉降至离心管底部，紧接着通过移除上清液来减少样品的体积，实现细胞或颗粒浓度的提升。但离心方法设备昂贵，无法在野外等复杂工况环境下使用，同时无法胜任极低细胞/颗粒浓度样品或超大体积样品的高效浓缩，并且强离心力会造成细胞等生物颗粒的损伤和死亡。而滤膜过滤借助滤膜上特定孔径的滤孔来实现细胞或颗粒的阻隔，通过滤除空白液体来增加样品的浓度，该方法简单直接，但阻隔在滤膜上的细胞回收困难，滤膜的堵塞问题会造成效率随着使用时间急剧减低，且固定的滤孔仅适用于特定尺寸细胞或颗粒的滤选，适用范围小。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现高通量、高倍率浓缩、细胞损伤低、操作简单、通用性强、成本低的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件。
技术方案：本发明所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件由样品入口、系列螺旋流道、错流过滤流道、Y型分叉流道、浓缩样品出口和连接有空白液体出口的汇流流道构成，样品入口连接系列螺旋流道，错流过滤流道设置于系列螺旋流道之间，系列螺旋流道末端包含出样品端和出液体端，Y型分叉流道连接在系列螺旋流道末端的出样品端，浓缩样品出口与Y型分叉流道相连，汇流流道与系列螺旋流道末端的出液体端连接。
其中，系列螺旋流道截面为矩形截面，截面高度h≦100d/7，浓缩样品出口与Y型分叉流道之间连接有流阻流道，流阻流道为S型流阻流道单元或正弦线型浓缩流道，正弦线型浓缩流道末端连接有十字形三分叉出口***，系列螺旋流道由相互平行的最外圈螺旋流道、第二圈螺旋流道和最内圈螺旋流道构成，最外圈螺旋流道和第二圈螺旋流道之间通过错流过滤流道相连，第二圈螺旋流道和最内圈螺旋流道之间通过错流过滤流道相连，最外圈螺旋流道连接样品入口，最外圈螺旋流道和第二圈螺旋流道末端连接在一起构成出液体端，最内圈螺旋流道末端为出样品端；第二圈螺旋流道始于最外圈螺旋流道螺旋绕行0.5～1.5圈处，最内圈螺旋流道始于第二圈螺旋流道螺旋绕行0.5～1圈处；错流过滤流道与最外圈螺旋流道、第二圈螺旋流道和最内圈螺旋流道夹角为锐角；最外圈螺旋流道、第二圈螺旋流道和最内圈螺旋流道矩形截面宽度关系为W2≧W3≧W4。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、能够实现微米颗粒悬液的高通量、高倍率浓缩，最佳回收率高达99.99％；2、无需精确流阻匹配，操作简单；3、对细胞损伤低，处理后细胞活性高达95％；4、结构简单，成本低。
附图说明
图1是实施例1结构示意图；
图2是微米颗粒在最外圈螺旋流道向第二圈螺旋流道的迁移运动示意图；
图3是微米颗粒在第二圈螺旋流道向最内圈螺旋流道的迁移运动示意图；
图4是实施例3结构示意图；
图5是实施例1的浓缩性能测试结果；
图6是实施例2的浓缩性能测试结果；
图7是实施例1对白细胞悬液、实施例2对MCF-7细胞悬液的浓缩性能结果；
图8是实施例1对白细胞悬液浓缩前后对比图；
图9是实施例1对白细胞悬液浓缩3次结果示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件由样品入口1、系列螺旋流道、错流过滤流道5、Y型分叉流道6、浓缩样品出口8和连接有空白液体出口10的汇流流道9构成，样品入口1连接系列螺旋流道，错流过滤流道5设置于系列螺旋流道之间，系列螺旋流道末端包含出样品端和出液体端，Y型分叉流道6连接在系列螺旋流道末端的出样品端，浓缩样品出口8与Y型分叉流道6通过S型流阻流道单元7相连，汇流流道9与系列螺旋流道末端的出液体端连接；系列螺旋流道截面为矩形截面，截面高度为100μm，系列螺旋流道由相互平行的最外圈螺旋流道2、第二圈螺旋流道3和最内圈螺旋流道4构成，最外圈螺旋流道2和第二圈螺旋流道3之间通过错流过滤流道5相连，第二圈螺旋流道3和最内圈螺旋流道4之间通过错流过滤流道5相连，最外圈螺旋流道2连接样品入口1，最外圈螺旋流道2和第二圈螺旋流道3末端连接在一起构成出液体端，最内圈螺旋流道4末端为出样品端，第二圈螺旋流道3始于最外圈螺旋流道2螺旋绕行1圈处，最内圈螺旋流道4始于第二圈螺旋流道3螺旋绕行0.75圈处，错流过滤流道5与最外圈螺旋流道2、第二圈螺旋流道3和最内圈螺旋流道4夹角为60°，外圈螺旋流道2、第二圈螺旋流道3和最内圈螺旋流道4矩形截面宽度分别为W2＝600μm，W3＝500μm，W4＝400μm。
测试时，准备10μm、15μm颗粒和直径10μm的白细胞WBC的待浓缩样品液，10μm、15μm颗粒的待浓缩样品液利用聚苯乙烯粒子制成，借助注射泵分别以3ml/min、3.5ml/min、4ml/min、4.5ml/min、5ml/min、5.5ml/min、6ml/min的体积流量从样品入口1注入微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，如图2所示，最外圈螺旋流道2和第二圈螺旋流道3间通过错流过滤流道5连通，在错流效应的作用下，聚焦形成的粒子束通过错流过滤流道5逐步从最外圈螺旋流道2转移至第二圈螺旋流道3内，转移至第二圈螺旋流道3的微米颗粒将沿着第二圈螺旋流道3迁移，并在第二圈螺旋流道3中被重新聚焦形成一列，从图3中可看出，聚焦成一束的微米颗粒将在错流过滤效应下，借助系列错流过滤流道5被转移至最内圈螺旋流道4，由此，微米颗粒从最外圈螺旋流道2中全部转移至最内圈螺旋流道4，而最外圈螺旋流道2和第二圈螺旋流道3中仅剩空白无颗粒的液体，实现微米颗粒和空白液体的分离，使样品中悬浮微米颗粒进行浓缩，微米颗粒在最内圈螺旋流道4中被重新聚焦至靠近螺旋中心侧壁面形成一束，借助Y型分叉流道6进一步去除流道中靠近外侧的空白液体，并通过S型流阻流道单元7来减少浓缩样品的体积，提高浓缩效果，浓缩后的微米颗粒样品从浓缩样品出口8导出，而最外圈螺旋流道2、第二圈螺旋流道3中的空白液体及Y型分叉流道6外侧分支所产生的空白液体在汇流流道9中汇集，并由空白液体出口10导出收集。
如图5(a)所示，10μm颗粒在4ml/min的体积流量下取得最佳的浓缩效果，最佳浓缩比12.21，15μm颗粒在4.5ml/min体积流量下取得的最佳浓缩比为12.31，从图5(b)所示10μm颗粒最佳回收率为97.67％，15μm颗粒最佳回收率为98.45％。
利用微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件将490毫升的白细胞生物悬液以体积流量4ml/min进行三次浓缩，浓缩前后显微镜采样图片如图8(a)、(b)所示，浓缩后样品中白细胞浓度大幅提高，图9中所示，I表示初始样品，R1～R3分别表示三次浓缩，目标样品中白细胞的浓度从1.17×104个/毫升提升至1.27×107个/毫升，整体浓缩倍率高达1085倍。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别在于系列螺旋流道截面高度为150μm，准备15μm、20μm颗粒和直径20μm的人乳腺癌细胞MCF-7的待浓缩样品液，借助注射泵分别以3ml/min、3.5ml/min、4ml/min、4.5ml/min、5ml/min、5.5ml/min、6ml/min的体积流量从样品入口1注入微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件。
如图6(a)所示，15μm颗粒可以在4ml/min的体积流量下取得最佳的浓缩效果，最佳浓缩比12.17，20μm颗粒在5ml/min体积流量下取得的最佳浓缩比为12.49，从图6(b)所示15μm颗粒最佳回收率为97.33％，20μm颗粒最佳回收率为99.99％。
如图7(a)所示，实施例1对白细胞在4ml/min体积流量下取得的最佳浓缩比为10.79，实施例2对MCF-7细胞在4ml/min体积流量下取得的最佳浓缩比为11.30，如图7(b)所示，实施例1对白细胞最佳回收率为87.97％，实施例2对MCF-7细胞最佳回收率为90.40％，经器件处理后，细胞的活性仍大于95％，结果表明器件的低细胞损伤和高生物兼容性。
实施例3
本实施例与实施例1的区别是浓缩样品出口8与Y型分叉流道6通过正弦线型浓缩流道13及十字形三分叉出口***14相连，借助正弦线型浓缩流道13将微米颗粒聚焦至流道中间区域，借助三分叉出口***14去除两侧空白液体，进一步提升浓缩效果，结构如图4所示。
利用该装置对MCF-7细胞和A549肺癌细胞带浓缩样品液进行浓缩，MCF-7细胞的浓缩在4ml/min的体积流量下取得最佳的浓缩效果，最佳浓缩比41，A549肺癌细胞在4ml/min体积流量下取得的最佳浓缩比为41.2，MCF-7细胞最佳回收率为89.5％，A549肺癌细胞颗粒最佳回收率为90％。

Claims (10)

1.一种微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述器件由样品入口(1)、系列螺旋流道、错流过滤流道(5)、Y型分叉流道(6)、浓缩样品出口(8)和连接有空白液体出口(10)的汇流流道(9)构成，所述样品入口(1)连接系列螺旋流道，所述错流过滤流道(5)设置于系列螺旋流道之间，所述系列螺旋流道末端包含出样品端和出液体端，所述Y型分叉流道(6)连接在系列螺旋流道末端的出样品端，所述浓缩样品出口(8)与Y型分叉流道(6)相连，所述汇流流道(9)与系列螺旋流道末端的出液体端连接。
2.根据权利要求1所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述系列螺旋流道截面为矩形截面，截面高度h≦100d/7，d为微米颗粒直径。
3.根据权利要求1所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述浓缩样品出口(8)与Y型分叉流道(6)之间连接有流阻流道。
4.根据权利要求3所述的所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述流阻流道为S型流阻流道单元(7)。
5.根据权利要求3所述的所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述流阻流道为正弦线型浓缩流道(13)。
6.根据权利要求5所述的所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述正弦线型浓缩流道(13)末端连接有十字形三分叉出口***(14)。
7.根据权利要求1所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述系列螺旋流道由相互平行的最外圈螺旋流道(2)、第二圈螺旋流道(3)和最内圈螺旋流道(4)构成，所述最外圈螺旋流道(2)和第二圈螺旋流道(3)之间通过错流过滤流道(5)相连，所述第二圈螺旋流道(3)和最内圈螺旋流道(4)之间通过错流过滤流道(5)相连，所述最外圈螺旋流道(2)连接样品入口(1)，所述最外圈螺旋流道(2)和第二圈螺旋流道(3)末端连接在一起构成出液体端，所述最内圈螺旋流道(4)末端为出样品端。
8.根据权利要求4所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述第二圈螺旋流道(3)始于最外圈螺旋流道(2)螺旋绕行0.5～1.5圈处，所述最内圈螺旋流道(4)始于第二圈螺旋流道(3)螺旋绕行0.5～1圈处。
9.根据权利要求4所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述错流过滤流道(5)与最外圈螺旋流道(2)、第二圈螺旋流道(3)和最内圈螺旋流道(4)夹角为锐角。
10.根据权利要求4所述的微米颗粒悬液体积浓缩微流控器件，其特征在于，所述最外圈螺旋流道(2)、第二圈螺旋流道(3)和最内圈螺旋流道(4)矩形截面宽度关系为W2≧W3≧W4。
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