CN113797985A - 一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置 - Google Patents

一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，设计巧妙、操作简单、高效且生物友好。利用无阀微泵生成振荡流，振荡流设计实现短通道的“无限长”，利用声辐射力和惯性升力驱动颗粒到足够窄的微带以实现富集和分离。相较于单一的声泳操控，本设计的通量较高且只需使用较短直通道,声场强度低，操作温和；相较于单一的惯性操控，本设计可保持较低水平的剪切应力，可较大程度的降低生物颗粒状态改变和活性损失的风险，同时免除微流控芯片的高强度制作要求。本发明装置结构简单，集成度高，可用于循环肿瘤细胞、外泌体等稀有微纳生物颗粒的高效富集与分离，为基础医学研究和临床快速检测应用提供平台。

Description

一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种利用声场和振荡流效应富集与分离微纳生物颗粒的微流控装置。
背景技术
微纳生物颗粒的控制和处理常见于医学检测，生化反应、环境净化等应用，微纳生物颗粒颗粒的富集与分离是其中的关键步骤，在生物、医学、化学和环境领域均具有重要应用意义。近年来，由于微流控技术的操控尺度可以与微纳颗粒相匹配，推动了许多微流体中颗粒富集和分离技术的发展。然而，现有方法仍较难在不破坏生物颗粒活性的同时实现微纳生物颗粒的精准高效操控，较大程度上制约了基础医学研究和临床检测应用的发展。因此，亟需建立高效、便捷、友好的微纳生物颗粒富集与分离的方法。
在微流控领域，颗粒操控方法一般分为主动方法和被动方法两类。被动方法主要基于流体动力学效应，如流动惯性效应、流体弹性效应等引起颗粒的迁移运动，例如以下发明：一种用于粘弹性流体中颗粒高效分离的微流控装置(专利号：CN202110315052.8)、一种利用旋流分离和筛分评价富集厌氧氨氧化颗粒菌的方法(专利号：CN202110376406.X)、基于变截面微通道和粘弹性流体耦合的微纳米颗粒富集装置(专利号：2019112336482)；主动方法则是利用外场驱动来操控颗粒，如电场、声泳、光场等。例用于分离介质内颗粒和小液滴的介电电泳电极及电极阵列(专利号：CN201510379158.9)、一种可控微尺度气泡芯片及声流控颗粒分离方法及***(专利号：CN201911266154.4)、利用激光操纵进行基于多层流的颗粒和细胞分离(专利号：CN200480030689.7)、一种磁富集净化装置(专利号：CN202110253855.5)。需要指出，上述两类方法都存在一定限制。比如，被动方法中的惯性汇聚往往具有高水平剪切应力，继而很可能造成生物颗粒的状态改变或活性损失，同时高压强条件也易破坏芯片装置。对于主动方法，电场等直接作用的方式会不可避免地带来生物颗粒状态改变和活性损失的险；同时，颗粒只有经受足够时间的外场力作用才能发生显著汇聚，意味着需要较长流道且流体流动速度缓慢，故而实际通量通常很低。
声泳是主动方法的一种，其所操控颗粒无需标记或表面修饰，在适当强度下可较大程度的保持生物颗粒的自然状态。因其简单、无接触、灵活性强、温和操作等独特优势，声泳操控获得了很大关注，在细胞、细菌和囊泡等生物微纳颗粒富集和分离方面得到了广泛应用，如对驻波场中颗粒的声学操控(专利号：CN201680036775.1)、脂质颗粒与红血球的声电泳分离(专利号：CN201710248195.5)等。然而，与其他主动方法一样，声泳操控也往往同样需要较长的声场作用时间，即意味着需要较长的流道，从而导致成本提高；当然，通常采用提高声场强度来缩短作用时间，但高强度声场作用下下细胞活性受损及力生物学效应难以避免，这在一定程度上限制了声泳操控的实际应用。
基于此，本发明提出一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置。利用振荡流效应在较短直通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将声场与振荡流有机结合，可在很大程度的降低声场强度和缩短通道的同时保证足够的声场作用时间，以实现高效、便捷、温和的微纳生物颗粒富集与分离。
发明内容
本发明旨在提供一种高效、便捷、温和且高度集成的微纳生物颗粒富集与分离装置。基利用振荡流效应在较短直通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将声泳效应与和惯性效应有机组合，以实现高效、便捷、友好的汇聚微纳生物颗粒之目的。
本发明中，装置由微流控芯片、声波控制***、泵膜控制***、储液池及导管构成(图1)。相较于单一的声泳操控，本设计的通量较高且只需使用较短直通道,声场强度低，操作温和。相较于单一的惯性操控，本设计可保持较低水平的剪切应力，可较大程度的降低生物颗粒状态改变和活性损失的风险，同时免除微流控芯片的高强度制作要求。基于上述两点，本发明装置可实现高效、便捷、温和的微纳生物颗粒富集和分离。
本发明的技术方案：
一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，所述的微纳生物颗粒富集与分离装置包括微流控通道2、声波控制***、无阀泵膜控制***3、储液池、导管；
所述的微流控通道2位于微流控芯片中，包括依次连接的微流控通道入口2-1、扩张锥管2-2、收缩锥管2-3、直通道、富集样品出口2-4和分离样品出口2-5；扩张锥管2-2的高度高于其他通道的高度；
所述的声波控制***包括叉指式换能器1、函数发生器和示波器；叉指式换能器1为两个，均嵌入微流控芯片中，位于微流控通道2的直通道上下两侧，每个叉指式换能器1均与函数发生器相连，用以实现声-电换能；函数发生器提供并向叉指式换能器1施加射频信号，叉指式换能器1产生表面声波并由示波器监控。
所述的无阀泵膜控制***3包括电磁铁、泵膜3-3和函数发生器；电磁铁包括线圈3-1和铁芯3-2；泵膜3-3固定于扩张锥管2-2中，与扩张锥管2-2的上表面或下表面形成泵腔3-4；铁芯3-2固定在微流控芯片上表面，铁芯3-2下端的中心点与泵腔3-4圆心共线，线圈3-1缠绕在铁芯3-2上；函数发生器与线圈3-1相连，通过发出方波信号使电磁铁产生周期性变化的磁场，泵膜3-3在磁场的作用下于扩张锥管2-2中振动，驱动流体实现短通道“无限长”的流动。
所述的储液池和导管构成流路，储液池包括样品池4、富集池5和分离池6，样品池4通过导管与微流控通道入口2-1相连，富集池5通过导管与富集样品出口2-4相连，分离池6通过导管与分离样品出口2-5相连。
进一步地，所述的扩张锥管2-2的截面宽度比收缩锥管2-3的最大截面宽度大2-3倍，椎管为对称的弧形封闭状；且由微流控通道入口2-1到富集样品出口2-4的方向，截面宽度均是由与直通道相同宽度逐渐增大的。收缩锥管2-3最大截面宽度为直通道宽度的1.1-2倍；扩张锥管2-2最大截面宽度为直通道宽度的2-5倍。每个锥管角度为5-15度，锥管的长度为各自锥面宽度的2-5倍。
进一步地，所述的直通道长度为厘米级，截面的宽度为百微米量级。
进一步地，所述的直通道的出口端分成三个支流，其中，中间支流为直通道的延长段，且末端为富集样品出口2-4；另外两个支流与中间支流呈一定角度对称分流，最终汇合后与直通道共线，且末端为分离样品出口2-5。
进一步地，所述的声波控制***还包括信号放大器，当所需频率超过4Hz时需要使用信号放大器。
进一步地，叉指式换能器1为LiNbO3衬底表面上形似手指交叉状的金属图案。
进一步地，泵膜3-3为各向同性磁流变弹性材料，材料以PDMS为基底，混入体积分数为1％-5％的铁磁颗粒(Fe3O4)，经过混合、匀胶、烘干制备而成。
将混入样品颗粒的流体加到样品池中，先后启动泵膜控制***和声波控制***，装置即开始工作，目标颗粒完成富集和分离后由富集池和分离池分别收集；微流控芯片中直通道是颗粒富集和分离的物理空间，富集和分离是在声泳效应和惯性效应的共同作用下完成；利用颗粒在声场产生的声辐射力操控微纳颗粒，声场通过振荡流驱动流体实现短通道“无限长”流动，降低声场功率强度，实现温和、高效的微纳颗粒的富集与分离。通道中的流动分别为振荡流速度场和流体声流速度场、所述的富集通道主体是长度为厘米级的直通道，直通道截面的宽度为百微米量级，通道两侧对称布置叉指式换能器。
声泳效应：直通道两侧布置叉指换能器，且与直通道两侧保持相等距离，在声波控制***启动下产生表面声波；在某振荡周期的任意单向流动中，含有样品目标颗粒的流体通过直通道，在声场作用下，样品目标颗粒受到声辐射力作用而富集到固定位置，声辐射力Fr表示为：
Figure BDA0003282040540000051
其中，P是声波振幅，V是粒子体积，λ是声波波长，k是声波数量，L是与压力节点的距离，βf是流体的密度，φ是声学对比因子与取决于粒子和液体介质的压缩性(β)和密度(ρ)，表达式为：
Figure BDA0003282040540000052
其中，βp是颗粒的压缩系数，βf是流体的压缩系数，ρp是颗粒的密度，ρf是流体的密度。
惯性效应：微流控芯片的入口连接无阀微泵用以驱动流体，根据流体力学原理，在较高流速流动中，样品颗粒会受到惯性升力作用，惯性升力由壁面升力和剪切梯度升力组成，其表达式为：
Figure BDA0003282040540000053
其中，ρf代表磁流体密度，Um是通道中磁流体的平均流速，a为样品微粒直径，
Figure BDA0003282040540000054
代表直通道截面水力半径；fL代表净惯性升力系数，与流动雷诺数Rec和颗粒所处位置xc相关，雷诺数越高，颗粒离通道两侧越近，惯性升力越大；惯性升力亦推动样品目标颗粒，进行垂直于流动方向、指向通道中心区域的侧向运动。
振荡流效应：由流体力学原理可知，忽略入口效应，直通道中部区域的流动在振荡条件下可基本保持层流状态。在振荡流中，每次流动方向发生转变，原先跟随流动的样品颗粒会先沿原方向做减速运动，再沿着反方向进行加速运动，这一过程导致颗粒在较长时间内只走过沿通道方向的实际距离很短。等效地，对于振荡流中的样品颗粒，直通道被“无限”拉长，颗粒经过“无限”长时间才能通过直通道。这一过程中，样品目标颗粒在负磁泳效应和惯性效应共同作用下充分汇聚于通道中心线，在端口分叉流道处与非目标颗粒溶液分流，经通道内端口汇入富集池。
本发明的有益效果：
本发明提供的利用声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离的微流控装置，设计巧妙、操作简单、高效且生物友好。利用无阀微泵生成振荡流，振荡流设计实现短通道的“无限长”，利用声辐射力和惯性升力驱动颗粒到足够窄的微带以实现富集和分离。设备的结构简单，集成度高，可成功实现循环肿瘤细胞、外泌体等稀有微纳生物颗粒的高效富集与分离，用于基础医学研究和临床快速检测应用。
附图说明
图1是基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置的结构图。
图2是微流控通道设计图，其中，(a)为主视图，(b)为剖面图。
图3是声波控制***工作原理图。
图4是电磁式无阀微泵工作原理图。
图5是微纳颗粒富集与分离装置示意图。
图中：1叉指式换能器；1-1通道上侧叉指式换能器；1-2通道下侧叉指式换能器；2微流控通道；2-1微流控通道入口；2-2扩张锥管；2-3收缩锥管；2-4富集样品出口；2-5分离样品出口；3无阀泵膜控制***；3-1线圈；3-2铁芯；3-3泵膜；3-4泵腔；；4样品池；5富集池；6分离池；7计算机；8高速相机；9荧光显微镜。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
图1所示为，本发明一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置结构示意图，所述的微纳生物颗粒富集与分离装置包括微流控通道2、声波控制***、无阀泵膜控制***、储液池、导管；
如图2所示，所述的微流控通道2位于微流控芯片中，包括依次连接的微流控通道入口2-1、扩张锥管2-2、收缩锥管2-3、直通道、富集样品出口2-4和分离样品出口2-5；扩张锥管2-2的高度高于其他通道的高度；
如图3所示，所述的声波控制***包括叉指式换能器1、函数发生器和示波器；叉指式换能器1为两个，均嵌入微流控芯片中，位于微流控通道2的直通道上下两侧，每个叉指式换能器1均与函数发生器相连，用以实现声-电换能；函数发生器提供并向叉指换能器1施加射频信号，叉指换能器1产生表面声波并由示波器监控。
如图4所示，所述的无阀泵膜控制***包括电磁铁、泵膜3-3和函数发生器；电磁铁包括线圈3-1和铁芯3-2；泵膜3-3固定于扩张锥管2-2中，与扩张锥管2-2的上表面或下表面形成泵腔3-4；铁芯3-2固定在微流控芯片上表面，铁芯3-2下端的中心点与泵腔3-4圆心共线，线圈3-1缠绕在铁芯3-2上；函数发生器与线圈3-1相连，通过发出方波信号使电磁铁产生周期性变化的磁场，泵膜3-4在磁场的作用下于扩张锥管2-2中振动，驱动流体实现短通道“无限长”的流动。
所述的储液池和导管构成流路，储液池包括样品池4、富集池5和分离池6，样品池4通过导管与微流控通道入口2-1相连，富集池5通过导管与富集样品出口2-4相连，分离池6通过导管与分离样品出口2-5相连。
表面声波是通过向LiNbO3衬底的叉指换能器施加射频信号产生的，信号由耦合到放大器的函数发生器提供。在半波长共振模式下，可以给颗粒提供了更高的声辐射力，声辐射力可以使粒子向驻波的节点或反节点移动，进而在直通道和出口处实现微纳生物颗粒的富集与分离。
本实施案例中，还设置计算机7、高速相机8、荧光显微镜9，共同构成了完整的基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置(图5)。所述的函数发生器：E4422B-Agilent；ESG-A系列4G信号发生器250kHz-4GHz。所述的信号放大器：25A100A-Agilent。所述的叉指换能器(IDT)复合金属膜(Al-2％Cu/Ti定制而成)。
一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置的具体富集与分离步骤如下：
打开微流控芯片的所有入口和出口，选用尺寸5μm左右的聚苯乙烯颗粒和尺寸0.8μm左右的黄色葡萄球菌(绿色荧光)作为目标微粒，混入PBS溶液中，加入样品池4中，低雷诺数下(Re<40)进行微纳颗粒的富集与分离。无阀泵膜控制***驱动流体，由电磁感应原理可知，当线圈3-1通电时，铁芯3-2产生磁场吸引泵膜3-3发生形变，泵膜3-3由原本向下凹的形状变为向上凸起，当线圈不通电时，泵膜3-3在自身弹性的作用下又恢复为向下凹，泵膜3-2在磁场的作用下周期性振动，驱动样品池4中的流体以振荡流的形式逐步进入直通道，当含有目标颗粒的流体进入直通道并振荡时，其中悬浮的颗粒在通道内做加速-减速-反向加速的往复运动，经过较长时间只沿出口方向移动了较短距离，使声辐射力与惯性升力有充足的作用时间驱动微粒充分汇聚至通道中心线位置。微纳颗粒进入连续暴露在声驻波下的直通道。尺寸5μm左右的聚苯乙烯颗粒在声场的声辐射力下富集在通道中心线位置，声场与振荡流效应的共同作用下完成颗粒的富集后，在三支流中间支流的出口2-4收集5μm左右的聚苯乙烯颗粒进入富集池5，另外两支流汇合后连通出口2-5分离0.8μm左右的黄色葡萄球菌进入分离池6。荧光显微镜9监控微流控芯片内颗粒的状态，经过高速相机8采集，最后显示在计算机7屏幕上。
通过上述理论和具体实施案例相结合，本实施案例中选用的声场的频率为2MHZ，声泳富集颗粒尺寸为5μm左右的聚苯乙烯颗粒，分离尺寸0.8μm左右的黄色葡萄球菌(绿色荧光)微粒。颗粒分离效率通过下列公式进行衡量：
Figure BDA0003282040540000091
其中NX为10uL样品出口处粒子个数，X为不同尺寸的颗粒，可采用库尔特计数法，QX不同颗粒的悬浮液流量。本装置采用的微流控声场分离效率可以达到98％以上。
本实施案例中，微流控芯片采用标准软光刻方法加工，聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料制成的装置结构中，微流控通道结构采用配胶、匀胶、倒胶、干燥、切胶、打孔、清洗等标准化的微加工方法，运用PDMS与洁净的约110mm厚的玻璃片键合而成，形成具有良好光学透性的PDMS芯片。微流控芯片设计如图2所示：PDMS厚度为0.8-1.2mm，泵体部分高度100um，收缩锥管2-3最小截面宽度400um、最大截面宽度600um、长度1.5mm，扩张锥管2-2最小截面宽度800um、最大截面宽度1.5mm、长度3mm，两个锥管角度10度，腔体直径为3mm。汇聚通道部分，直通道高度H＝125μm，宽度W＝350μm，长度L＝4cm。泵膜3-2是以PDMS为基底，混入体积分数为2％的Fe3O4颗粒制备而成的各相同性磁流变弹性体，膜呈圆形，向一侧凸起，直径4mm。铁芯3-2呈圆柱体，由Fe3O4构成，直径1cm，长度5cm。线圈3-1为直径1mm的铜线。
本实施案例中，泵膜控制***3驱动与微流控芯片相连的样品池4中的溶液进入直通道中，通过振荡流驱动流体实现短通道“无限长”流动，直通道中声波控制***下微纳颗粒受到声辐射力的作用完成富集，三通道出口处完成微纳颗粒的分离。整个操作过程在显微镜9和计算机7下完成基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离。
本发明提供的利用声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离的微流控装置，设计巧妙、操作简单、高效且生物友好。利用无阀微泵生成振荡流，振荡流设计实现短通道的“无限长”，利用声辐射力和惯性升力驱动颗粒到足够窄的微带以实现富集和分离。设备的结构简单，集成度高，可实现循环肿瘤细胞、外泌体等稀有微纳生物颗粒的高效富集与分离，用于基础医学研究和临床快速检测应用。

Claims (10)

1.一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的微纳生物颗粒富集与分离装置包括微流控通道(2)、声波控制***、无阀泵膜控制***(3)、储液池、导管；
所述的微流控通道(2)位于微流控芯片中，包括依次连接的微流控通道入口(2-1)、扩张锥管(2-2)、收缩锥管(2-3)、直通道、富集样品出口(2-4)和分离样品出口(2-5)；扩张锥管(2-2)的高度高于其他通道的高度；
所述的声波控制***包括叉指式换能器(1)、函数发生器和示波器；叉指式换能器(1)为两个，均嵌入微流控芯片中，位于微流控通道(2)的直通道上下两侧，每个叉指式换能器(1)均与函数发生器相连，用以实现声-电换能；函数发生器提供并向叉指式换能器(1)施加射频信号，叉指式换能器(1)产生表面声波并由示波器监控；
所述的无阀泵膜控制***(3)包括电磁铁、泵膜(3-3)和函数发生器；电磁铁包括线圈(3-1)和铁芯(3-2)；泵膜(3-3)固定于扩张锥管(2-2)中，与扩张锥管(2-2)的上表面或下表面形成泵腔(3-4)；铁芯(3-2)固定在微流控芯片上表面，铁芯(3-2)下端的中心点与泵腔(3-4)圆心共线，线圈(3-1)缠绕在铁芯(3-2)上；函数发生器与线圈(3-1)相连，通过发出方波信号使电磁铁产生周期性变化的磁场，泵膜(3-3)在磁场的作用下于扩张锥管(2-2)中振动，驱动流体实现短通道“无限长”的流动；
所述的储液池和导管构成流路，储液池包括样品池(4)、富集池(5)和分离池(6)，样品池(4)通过导管与微流控通道入口(2-1)相连，富集池(5)通过导管与富集样品出口(2-4)相连，分离池(6)通过导管与分离样品出口(2-5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的扩张锥管(2-2)的截面宽度比收缩锥管(2-3)的最大截面宽度大2-3倍，椎管为对称的弧形封闭状；且由微流控通道入口(2-1)到富集样品出口(2-4)的方向，截面宽度均是由与直通道相同宽度逐渐增大的；收缩锥管(2-3)最大截面宽度为直通道宽度的1.1-2倍；扩张锥管(2-2)最大截面宽度为直通道宽度的2-5倍；每个锥管角度为5-15度，锥管的长度为各自锥面宽度的2-5倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的直通道长度为厘米级，截面的宽度为百微米量级。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的直通道的出口端分成三个支流，其中，中间支流为直通道的延长段，且末端为富集样品出口(2-4)；另外两个支流与中间支流呈一定角度对称分流，最终汇合后与直通道共线，且末端为分离样品出口(2-5)。
5.根据权利要求3所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的直通道的出口端分成三个支流，其中，中间支流为直通道的延长段，且末端为富集样品出口(2-4)；另外两个支流与中间支流呈一定角度对称分流，最终汇合后与直通道共线，且末端为分离样品出口(2-5)。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的声波控制***还包括信号放大器，当所需频率超过4Hz时需要使用信号放大器。
7.根据权利要求3所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的声波控制***还包括信号放大器，当所需频率超过4Hz时需要使用信号放大器。
8.根据权利要求4所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，所述的声波控制***还包括信号放大器，当所需频率超过4Hz时需要使用信号放大器。
9.根据权利要求1所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，叉指式换能器(1)为LiNbO3衬底表面上形似手指交叉状的金属图案。
10.根据权利要求1所述的一种基于声泳和振荡流效应的微纳生物颗粒富集与分离装置，其特征在于，泵膜(3-3)为各向同性磁流变弹性材料，材料以PDMS为基底，混入体积分数为1％-5％的铁磁Fe3O4颗粒，经过混合、匀胶、烘干制备而成。
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