一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于生物微流控芯片技术领域，提供了一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成。本发明专利技术装置可实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。本发明专利技术提供的用于汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，设计巧妙，操作简单，利用振荡流设计在较短通道中实现“无限长通道”流动，将负磁泳汇聚与和惯性汇聚有机组合，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汇聚与富集，用于基础医学研究和临床检测应用。

【技术实现步骤摘要】
一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置
本专利技术属于生物微流控芯片
，具体涉及一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。
技术介绍
微纳生物颗粒(细胞、细菌、囊泡、生物大分子等)汇聚是微流控
的基础操作，是生物颗粒富集、筛选、分离过程中的关键环节，在生物、医学、化学和环境领域具有重要应用意义。以微尺度循环肿瘤细胞和纳尺度外泌体为代表的稀有生物颗粒，在癌症早期诊断、实时监测、靶向治疗及疗效评估等方面中展现出巨大潜力。这些微纳生物颗粒在血液样品中的含量极少，很难满足检测浓度要求，一直制约着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汇聚与富集方法。在微流控领域，颗粒汇聚方法一般分被动方法和主动方法两类。被动方法主要基于流体动力学效应，如流动汇聚，惯性汇聚、黏弹性汇聚等；主动方法则利用外场驱动来汇聚颗粒，如电场、声泳、光场等。这些方法可在一定条件下实现微纳颗粒汇聚，但均存在着较大缺陷。被动方法中，流动汇聚通常使用鞘流且与样品流量呈大比例，导致实际处理通量往往很小；惯性汇聚可大幅度地提高通量，但高通量导致的高水平剪切应力很可能造成生物颗粒的状态改变或活性损失，高压强条件也易破坏芯片装置。对于主动方法，一方面，外场直接作用有造成生物颗粒状态改变和活性损失的风险；另一方面，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，实际通量通常远低于被动方法。负磁泳汇聚是近些年发展的新方法。负磁泳是指抗磁性颗粒在磁流体中受磁场力作用，产生与磁场梯度方向相反的磁浮力，推动颗粒在垂直于流体流动的方向上运动。抗磁性颗粒是磁性极弱甚至无磁性的颗粒，细胞、细菌、囊泡等生物颗粒多为抗磁性颗粒；磁流体则一般是铁磁纳米颗粒的不透明悬浮液。与传统主动方法中相比，负磁泳汇聚优势在于无需对目标颗粒进行修饰和标记，目标颗粒不受磁场直接作用，因而不存在影响生物颗粒状态和活性的风险。此外，负磁泳力与目标颗粒与周围磁流体之间的磁化强度差异正相关，差异大小可通过改变磁流体浓度来任意调节。当前，已有负磁泳汇聚方法大都采用较高浓度磁流体、较低流量，并多针对微尺度颗粒和细胞汇聚。尽管已有研究证实铁磁流体对部分细胞具有较好生物相容性，但高浓度铁磁流体的光衍射效应会导致直接观测困难，且增加后续清洗难度。同时，由于主动方法的通病，要实现外泌体等纳颗粒汇聚，需要很长的磁场作用时间，意味着需要非常长的流道和大量磁流体，这导致成本提高，一定程度上限制了实际应用。基于此，本专利技术提出一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。利用振荡流设计在较短直通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将负磁泳汇聚与惯性汇聚有机结合，实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种可高效、友好的汇聚微纳生物颗粒的微流控装置。利用振荡流设计在较短通道中实现“无限长通道”的较高流速流动，将负磁泳汇聚与和惯性汇聚有机组合，以实现高效、便捷、友好的汇聚微纳生物颗粒之目的。本专利技术中，装置由微流控芯片、压力系统、控制系统I和II、永磁铁、储液池及导管构成(图1)。相较于单一的负磁泳汇聚，本设计的通量较高且只需使用较低浓度磁流体，既可提高磁流体的可视性，又可降低后续清洗难度。相较于单一的惯性汇聚，本设计保持较低水平的剪切应力，降低了生物颗粒状态改变和活性损失的风险，也免除了微流控芯片的高强度要求。基于上述两点，本专利技术装置可实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。本专利技术的技术方案：一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成；所述的微流控芯片为两入口和两出口的直通道，直通道截面的宽度为百微米量级，直通道宽高比为2-4，直通道长度为厘米级；直通道的出口端分三支流，其中一支流连通一个出口，即为直通道左内端口；另外两支流回合后连通另一个出口，即为直通道左外端口；直通道的入口端的设置形式与出口端的设置形式相同；三对永磁铁对称布置在直通道两侧等距离位置，用于产生非均匀磁场；压力系统、储液池I、控制系统I和微流控芯片共同构成振荡流控制系统，用以产生可调制振荡流动；控制系统I主要由脉冲信号发生器I、信号反相器I、高速三通阀I和高速三通阀II组成；高速三通阀I和高速三通阀II上的阀门分别与直通道两外端口相连，均分为上阀门和下阀门，分别用于控制一端的两个口；高速三通阀I与脉冲信号发生器I直接相连，高速三通阀II与信号反相器I相连，信号反相器I进一步与脉冲信号发生器I相连；当某一脉冲信号输入，高速三通阀I和高速三通阀II交替打开上阀门、下阀门，实现直通道左右外端口交替地反对称打开；储液池I中样品溶液被压力系统驱动进入导管，经控制系统I即在微流控芯片直通道中产生周期性振荡流动，振荡周期为Tfluid；磁流体流动速度通过调节压力来改变，振荡周期Tfluid则通过调节脉冲信号周期来改变；控制系统II与储液池II构成收集器，用于收集充分汇聚的目标颗粒；控制系统II主要由脉冲信号发生器II、信号反相器II、高速两通阀I和高速两通阀II组成；高速两通阀I和高速两通阀II中一阀门分别与直通道左右内端口相连；高速两通阀I与脉冲信号发生器II直接相连，高速两通阀II与信号反相器II相连，信号反相器II进一步与脉冲信号发生器II相连；当某一脉冲信号输入，高速两通阀I和高速两通阀II交替开关阀门，实现直通道左右内端口交替地打开，充分汇聚的目标颗粒经由导管从左内端口或右内端口汇入收集器；直通道左右内端口的开关状态与振荡流方向同步，收集周期Tcollect与振荡流周期Tfluid的定量关系可通过预实验来确定；储液池III为废液池，用于收集可循环使用的磁流体；所有部分以导管连接。将混入样品颗粒的磁流体加到储液池I中，开启压力系统，先后启动控制系统I、启动控制系统II，装置即开始工作，目标颗粒完成高效汇聚后由储液池II自动收集；微流控芯片中直通道的中间部分是颗粒汇聚区域，颗粒汇聚是在负磁泳效应和惯性效应的共同作用下完成；负磁泳效应：直通道两侧布置三对永磁铁，两两N极相对，且与直通道两侧保持相等距离，产生对称分布的磁场；在某振荡周期的任意单向流动中，含有样品颗粒的磁流体通过直通道，在非均匀磁场作用下，样品颗粒受到负磁泳力作用，负磁泳力Fmag表示为：其中，Vp为样品颗粒体积，χp为样品颗粒的磁化率，χf为磁流体的磁化率，μ0＝4π×10-7H/m是真空磁导率，B为磁感应强度；直通道两侧均有磁场分布，负磁泳力推动样品颗粒在远离磁源的方向运动，即产生垂直于流动方向、指向直通道中线的侧向运动；惯性效应：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：其中，ρf代表磁流体密度，Um是通道中磁流体的平均流速，a为样品颗粒直径，Dh＝2WH/(W+H)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颗粒，进行垂直于流动方向、指向通道中心区域的侧向运动。由流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成；所述的微流控芯片为两入口和两出口的直通道；直通道的出口端分三支流，其中一支流连通一个出口，即为直通道左内端口；另外两支流回合后连通另一个出口，即为直通道左外端口；直通道的入口端的设置形式与出口端的设置形式相同；三对永磁铁对称布置在直通道两侧等距离位置，用于产生非均匀磁场；压力系统、储液池I、控制系统I和微流控芯片共同构成振荡流控制系统，用以产生可调制振荡流动；控制系统I主要由脉冲信号发生器I、信号反相器I、高速三通阀I和高速三通阀II组成；高速三通阀I和高速三通阀II上的阀门分别与直通道两外端口相连，均分为上阀门和下阀门，分别用于控制一端的两个口；高速三通阀I与脉冲信号发生器I直接相连，高速三通阀II与信号反相器I相连，信号反相器I进一步与脉冲信号发生器I相连；当某一脉冲信号输入，高速三通阀I和高速三通阀II交替打开上阀门、下阀门，实现直通道左右外端口交替地反对称打开；储液池I中样品溶液被压力系统驱动进入导管，经控制系统I即在微流控芯片直通道中产生周期性振荡流动，振荡周期为Tfluid；磁流体流动速度通过调节压力来改变，振荡周期Tfluid则通过调节脉冲信号周期来改变；控制系统II与储液池II构成收集器，用于收集充分汇聚的目标颗粒；控制系统II主要由脉冲信号发生器II、信号反相器II、高速两通阀I和高速两通阀II组成；高速两通阀I和高速两通阀II中一阀门分别与直通道左右内端口相连；高速两通阀I与脉冲信号发生器II直接相连，高速两通阀II与信号反相器II相连，信号反相器II进一步与脉冲信号发生器II相连；当某一脉冲信号输入，高速两通阀I和高速两通阀II交替开关阀门，实现直通道左右内端口交替地打开，充分汇聚的目标颗粒经由导管从左内端口或右内端口汇入收集器；直通道左右内端口的开关状态与振荡流方向同步，收集周期Tcollect与振荡流周期Tfluid的定量关系可通过预实验来确定；储液池III为废液池，用于收集可循环使用的磁流体；所有部分以导管连接；将混入样品颗粒的磁流体加到储液池I中，开启压力系统，先后启动控制系统I、启动控制系统II，装置即开始工作，目标颗粒完成高效汇聚后由储液池II自动收集；微流控芯片中直通道的中间部分是颗粒汇聚区域，颗粒汇聚是在负磁泳效应和惯性效应的共同作用下完成；负磁泳效应：直通道两侧布置三对永磁铁，两两N极相对，且与直通道两侧保持相等距离，产生对称分布的磁场；在某振荡周期的任意单向流动中，含有样品颗粒的磁流体通过直通道，在非均匀磁场作用下，样品颗粒受到负磁泳力作用，负磁泳力Fmag表示为：...

【技术特征摘要】
1.一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成；所述的微流控芯片为两入口和两出口的直通道；直通道的出口端分三支流，其中一支流连通一个出口，即为直通道左内端口；另外两支流回合后连通另一个出口，即为直通道左外端口；直通道的入口端的设置形式与出口端的设置形式相同；三对永磁铁对称布置在直通道两侧等距离位置，用于产生非均匀磁场；压力系统、储液池I、控制系统I和微流控芯片共同构成振荡流控制系统，用以产生可调制振荡流动；控制系统I主要由脉冲信号发生器I、信号反相器I、高速三通阀I和高速三通阀II组成；高速三通阀I和高速三通阀II上的阀门分别与直通道两外端口相连，均分为上阀门和下阀门，分别用于控制一端的两个口；高速三通阀I与脉冲信号发生器I直接相连，高速三通阀II与信号反相器I相连，信号反相器I进一步与脉冲信号发生器I相连；当某一脉冲信号输入，高速三通阀I和高速三通阀II交替打开上阀门、下阀门，实现直通道左右外端口交替地反对称打开；储液池I中样品溶液被压力系统驱动进入导管，经控制系统I即在微流控芯片直通道中产生周期性振荡流动，振荡周期为Tfluid；磁流体流动速度通过调节压力来改变，振荡周期Tfluid则通过调节脉冲信号周期来改变；控制系统II与储液池II构成收集器，用于收集充分汇聚的目标颗粒；控制系统II主要由脉冲信号发生器II、信号反相器II、高速两通阀I和高速两通阀II组成；高速两通阀I和高速两通阀II中一阀门分别与直通道左右内端口相连；高速两通阀I与脉冲信号发生器II直接相连，高速两通阀II与信号反相器II相连，信号反相器II进一步与脉冲信号发生器II相连；当某一脉冲信号输入，高速两通阀I和高速两通阀II交替开关阀门，实现直通道左右内端口交替...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛春东，孙仲平，覃开蓉，李泳江，王艳霞，袁闱墨，那景童，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21