基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用和分离方法技术

一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用和分离方法，涉及微/纳尺度的颗粒分离技术。颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底和置于玻璃基底上的带有通道结构的PDMS盖片，入口通道位于悬浮电极的正上方，混合颗粒经由入口全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极、第二激发电极构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道、第二分叉通道、第三分叉通道。本发明专利技术是填补了现有技术中对于利用旋涡实现颗粒的连续直接分离的空缺，实现混合颗粒的分离。可应用于化学样本的准备，均匀尺寸氧化石墨烯的提取、氧化石墨烯的分选、环境检测、细胞提取等领域。

Direct Particle Separation Chip Based on Induced Charge Electroosmosis Micro-Vortex and Its Preparation, Application and Separation Method

A direct particle separation chip based on induced charge electroosmosis micro-vortices and its preparation method, application and separation method involve micro/nanoscale particle separation technology. The particle separation chip consists of a glass substrate with an electrode structure and a PDMS cover with a channel structure placed on the glass substrate. The entrance channel is directly above the suspended electrode. The mixed particles are all guided to the surface of the suspended electrode through the entrance. Under the action of an applied electric field composed of the first excitation electrode and the second excitation electrode, the induced charge electroosmotic microrotation is generated on the surface of the suspended electrode. The mixed particles on the surface of the suspended electrodes are separated by micro-eddies and flow to the first, second and third bifurcation channels respectively. The invention fills the vacancy in the prior art for continuous and direct separation of particles by using vortices, and realizes separation of mixed particles. It can be used in preparation of chemical samples, extraction of graphene oxide with uniform size, separation of graphene oxide, environmental detection, cell extraction and other fields.

【技术实现步骤摘要】
基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用和分离方法
本专利技术涉及一种直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用、分离方法，涉及微/纳尺度的颗粒分离技术。
技术介绍
微/纳尺度的颗粒分离是在解决很多重要问题中的一个重要步骤，如化学样本的准备，均匀尺寸氧化石墨烯的提取等。因此各种各样的用于微/纳尺度的颗粒的分离的芯片被开发出来。常见的有基于声波，介电泳，磁场，光场，离心分离的微流控芯片。虽然基于声波分离的方法能够实现癌细胞的检测，但是该方法依赖于牵涉到复杂流体操控设备和操作的鞘流去实现混合细胞的聚集。虽然离心的方法能实现大量颗粒的分离，但是高速旋转的特点使得该方法无法实现装置的集成。基于磁场的分离方法只能用于磁性颗粒或者被磁性标定的颗粒的分离。基于介电泳的颗粒分离方法除了面临了和基于声波分离方法相同的问题外，还面临了严重的细胞贴壁的问题。因此，需要开发新的颗粒分离方法。旋涡是自然界中比较普遍的现象，并且很多国内外的专家已经从理论的角度证明了通过旋涡分离颗粒的可行性，但是到目前为止没有出现基于旋涡实现颗粒连续分离的微流控芯片。出现当前状况的原因可能是利用微旋涡实现颗粒分离需要稳定的，可重复的，精确调控的微旋涡。此外，利用微旋涡进行微尺度颗粒的分离具有很多优点，比如作用范围大，操作环境温和，通过外加电场精确调控，旋涡稳定可靠。因此很多科学家一直需要寻找一种可靠的方法去产生旋涡实现颗粒的分离。诱导电荷电渗微旋涡在近些年受到了很多国内外专家的关注。目前有很多专家学者利用诱导电荷电渗微旋涡实现了微尺度颗粒的操纵。其中，有相关学者利用旋涡和重力的相互作用专利技术了实现颗粒聚集的微流控器件。也有一部分学者利用非对称的诱导电荷电渗微旋涡实现了微尺度颗粒的转向的微流控器件。在实验中通过分析颗粒诱导电荷电渗微旋涡中的行为可知，诱导电荷微旋涡在分离微尺度颗粒方面具有巨大的潜力。并且诱导电荷电渗的微旋涡的特点满足上述利用微旋涡实现分离的特点：稳定，可重复，精确调控。因此，开发一款利用诱导电荷电渗微旋涡是实现颗粒分离的微流控器件是一件可行的，有意义的事情。文献号为CN106824318A的现有技术公开的一种基于诱导电荷电渗和介电泳的微尺度颗粒分离芯片及其制备方法与应用，解决了现有的基于介电泳连续性颗粒分离方法中颗粒聚集过程需要复杂地流体操控和不紧凑的外接设备，无法直接与其它微流控芯片进行集成等问题，而利用诱导电荷电渗效应代替流体挤压效应去完成颗粒聚集过程。该现有技术的分离过程需要两个步骤，第一步通过诱导电荷电渗将颗粒聚成一条线，第二步通过介电泳进行颗粒分离。先聚集后再通过介电泳进行颗粒分离，步骤比较繁琐，操作比较麻烦，成本比较高，需要的设备也比较多，芯片的体积也比较大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：本专利技术为了解决现有的颗粒分离芯片存在颗粒分离操作比较复杂、成本比较高、需要的设备较多等问题，进而提供一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片及其制备方法与应用、分离方法。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：技术方案一：一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，所述颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底2和置于玻璃基底2上的带有通道结构的PDMS盖片3，玻璃基底2为带有ITO薄膜的玻璃片，玻璃基底2包含有第一激发电极1、第二激发电极7和悬浮电极13；PDMS盖片3包含有入口8、入口通道9、第一分叉通道10、第二分叉通道11；第三分叉通道12、第一出口4、第二出口5和第三出口6；在玻璃基底2上设有第一激发电极1、第二激发电极7，第一激发电极1由玻璃基底2的中部延伸至玻璃基底2的基底角边缘处，第二激发电极7由玻璃基底2的中部延伸至玻璃基底2的另一基底角边缘处，两个基底角相邻；位于玻璃基底2的中部的第一激发电极1的端部、第二激发电极7的端部二者平行设置，且二者之间设有悬浮电极13；PDMS盖片3设有入口8，入口8通过入口通道9同时与第一分叉通道10、第二分叉通道11；第三分叉通道12连通，在第一分叉通道10、第二分叉通道11、第三分叉通道12的出口端上一一对应设有第一出口4、第二出口5、第三出口6；入口通道9位于悬浮电极13的正上方且悬浮电极13的长度小于或等于入口通道9的长度，第一分叉通道10、第三分叉通道12呈八字形设置且第二分叉通道11位于二者之间，第二分叉通道11与入口通道9的出口对中设置；混合颗粒经由入口8全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极1、第二激发电极7构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道10、第二分叉通道11、第三分叉通道12。进一步地，所述入口通道9的混合颗粒进入端的口径由细突变为宽。进一步地，所述第一出口4、第二出口5、第三出口6由入至出方向口径逐渐变大。技术方案二：技术方案一所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的制备方法，所述方法的实现过程为：(1)利用带有ITO薄膜的玻璃片和光刻胶AZ4620，基于标准软光刻技术在带有ITO薄膜的玻璃片上加工第一激发电极1、第二激发电极7以及位于二者之间的悬浮电极13；(2)利用杜邦干膜基于标准软光刻技术加工通道模具，在通道模具上浇筑PDMS，加工出带有通道结构的PDMS盖片；(3)在步骤(2)所述的PDMS盖片上，利用打孔器在入口的位置打一个孔径为1毫米的孔，该孔为入口8，在出口三个对应位置分别打三个孔径为6毫米的孔，三个孔为第一出口4、第二出口5、第三出口6；(4)对PDMS和玻璃基底进行亲水处理后进行键合；(5)将直径为外径为1毫米的胶管插入入口，并用AB胶进行粘合。技术方案三：上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于化学样本的准备过程中。上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于均匀尺寸氧化石墨烯的提取中。上述基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的应用，将所述的直接颗粒分离芯片应用于环境检测中。技术方案四：一种利用上述直接颗粒分离芯片分离微尺度颗粒的方法，其过程如下：在一定的电场条件下，在悬浮电极上产生一定强度的诱导电荷电渗微旋涡，不同的颗粒会呈现出不同的行为：较重的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较轻的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧，(较小的颗粒不能被旋涡捕获，聚集在悬浮电极中间，较大的颗粒被旋涡捕获，聚集在悬浮电极两侧)；在微泵的驱动下，聚在两侧的颗粒进入第一和第三出口，聚在中间的颗粒进入第二出口；具体操作方法如下：(1)将准备好的芯片固定于显微镜上，并将芯片的分离区域(图6所示的位置)移动至显微镜的观察区域；(2)将准备好的要进行分离的混合颗粒样本，转移至玻璃注射器，并将注射器固定于微注射泵上，通过控制微泵推进，排出注射器中的空气；(3)将玻璃注射器的输出端与固定在芯片上胶管的输入端相连，将微注射泵的流速调至500纳升/秒，同时通过显微镜观察芯片的分离区域，当观察到大量的颗粒进入分离区域时，将微注射泵的流速调至15纳升/每秒；(4)将信号器的第一输出通道与信号发生器放大25倍的通道相连，打开信号发生器和信号放大器的开关，初始电压幅值和频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底(2)和置于玻璃基底(2)上的带有通道结构的PDMS盖片(3)，玻璃基底(2)为带有ITO薄膜的玻璃片，玻璃基底(2)包含有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)和悬浮电极(13)；PDMS盖片(3)包含有入口(8)、入口通道(9)、第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)、第一出口(4)、第二出口(5)和第三出口(6)；在玻璃基底(2)上设有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)，第一激发电极(1)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的基底角边缘处，第二激发电极(7)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的另一基底角边缘处，两个基底角相邻；位于玻璃基底(2)的中部的第一激发电极(1)的端部、第二激发电极(7)的端部二者平行设置，且二者之间设有悬浮电极(13)；PDMS盖片(3)设有入口(8)，入口(8)通过入口通道(9)同时与第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)连通，在第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)的出口端上一一对应设有第一出口(4)、第二出口(5)、第三出口(6)；入口通道(9)位于悬浮电极(13)的正上方且悬浮电极(13)的长度小于或等于入口通道(9)的长度，第一分叉通道(10)、第三分叉通道(12)呈八字形设置且第二分叉通道(11)位于二者之间，第二分叉通道(11)与入口通道(9)的出口对中设置；混合颗粒经由入口(8)全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极(1)、第二激发电极(7)构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述颗粒分离芯片包括带有电极结构的玻璃基底(2)和置于玻璃基底(2)上的带有通道结构的PDMS盖片(3)，玻璃基底(2)为带有ITO薄膜的玻璃片，玻璃基底(2)包含有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)和悬浮电极(13)；PDMS盖片(3)包含有入口(8)、入口通道(9)、第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)、第一出口(4)、第二出口(5)和第三出口(6)；在玻璃基底(2)上设有第一激发电极(1)、第二激发电极(7)，第一激发电极(1)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的基底角边缘处，第二激发电极(7)由玻璃基底(2)的中部延伸至玻璃基底(2)的另一基底角边缘处，两个基底角相邻；位于玻璃基底(2)的中部的第一激发电极(1)的端部、第二激发电极(7)的端部二者平行设置，且二者之间设有悬浮电极(13)；PDMS盖片(3)设有入口(8)，入口(8)通过入口通道(9)同时与第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)；第三分叉通道(12)连通，在第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)的出口端上一一对应设有第一出口(4)、第二出口(5)、第三出口(6)；入口通道(9)位于悬浮电极(13)的正上方且悬浮电极(13)的长度小于或等于入口通道(9)的长度，第一分叉通道(10)、第三分叉通道(12)呈八字形设置且第二分叉通道(11)位于二者之间，第二分叉通道(11)与入口通道(9)的出口对中设置；混合颗粒经由入口(8)全部引导至悬浮电极表面，在第一激发电极(1)、第二激发电极(7)构成的外加电场的作用下在悬浮电极表面产生诱导电荷电渗微旋涡，悬浮电极表面上混合颗粒在微旋涡的作用下分离后分别流至第一分叉通道(10)、第二分叉通道(11)、第三分叉通道(12)。2.根据权利要求1所述的一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述入口通道(9)的混合颗粒进入端的口径由细突变为宽。3.根据权利要求1或2所述的一种基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片，其特征在于，所述第一出口(4)、第二出口(5)、第三出口(6)由入至出方向口径逐渐变大。4.一种权利要求1所述的基于诱导电荷电渗微旋涡的直接颗粒分离芯片的制备方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：(1)利用带有ITO薄膜的玻璃片和光刻胶AZ4620，基于标准软光刻技术在带有ITO薄膜的玻璃片上加工第一激发电极(1)、第二激发电极(7)以及位于二者之间的悬浮电极(13)；(2)利用杜邦干膜基于标准软光刻技术加工通道模具，在通道模具上浇筑PDMS，加工出带有通道结构的PDMS盖片；(3)在步骤(2)所述的PDMS盖片上，利用打孔器在入口的位置打一个孔径为1毫米的孔，该孔为入口(8)，在出口三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜洪源，任玉坤，陈晓明，侯立凯，冯相松，姜天一，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23