一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，惯性微流控芯片包括上层基片和下层基片；上层基片上有进液孔、上半入口蓄液池、上半惯性流道、上半出口蓄液池和出液孔，进液孔和出液孔均与外界相连通；下层基片上设有下半入口蓄液池、下半惯性流道和下半出口蓄液池；上半入口蓄液池与下半入口蓄液池叠加装配形成入口蓄液池，上半惯性流道与下半惯性流道叠加装配形成惯性流道，上半出口蓄液池及下半出口蓄液池叠加装配形成出口蓄液池；进液孔依次与入口蓄液池、惯性流道、出口蓄液池、出液孔相连通；惯性流道的流道宽度大于流道高度；惯性流道空间结构为阶梯型横截面的弯流道。本芯片体积小、操控精度好、通量高且制作简便。

An Inertial Microfluidic Chip for Manipulating Micro-nanoparticles

【技术实现步骤摘要】
一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片
本专利技术涉及一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，属于微流控领域，可用于微纳米生物颗粒的精确操控应用，如微纳米生物细胞的精确捕获、聚焦与分离等。
技术介绍
便携式即时检测仪器在应对现场突发急性疾病诊断、恶性疾病早期筛查与预后评估、推动个性化医疗发展等方面具有重要应用价值，是面向民生健康需求的重要载体，近年来受到各国政府部门的高度重视。作为即时检测仪器的关键技术，微流控芯片具有检测速度快、灵敏度高、成本低、集成性好等优势，非常切合即时检测的技术需求，目前已成为该领域的研究热点。生物细胞精确操控(如捕获、聚焦和分离等)是即时检测预处理环节中一个极其重要的关键步骤，其对样品处理效率和精度直接决定了后续检测结果的灵敏度和可靠性。鉴于此，国内外学者针对基于微流控技术的细胞操控方法进行了大量的探索研究，报道了一系列基于电、磁、声、光等物理场的操控技术(即主动式操控，如介电泳、磁泳、声镊、光镊等)、基于微流道自身结构的操控技术(即被动式操控，如确定性侧向位移、微阻隔过滤、惯性微流控等)，以及基于主动与被动糅合的操控技术。主动式操控的实时可控性好，但样品处理通量较低且操作过程较复杂；而被动式操控的处理通量较高且无需外加物理场，因此在微型化器件中具有更好的集成优势。其中，惯性微流控技术利用流体惯性效应诱导细胞在流道中受惯性力作用迁移实现精确操控，具有流道结构简单、操作方便、操控精度高等优势，受到国内外学者的广泛关注。然而，流体惯性效应对细胞外观尺寸具有强依赖性，难以对高浓度且尺寸相近的细胞进行精确操控(如分离并捕获血液中的循环肿瘤细胞)，而该类细胞的精准获取对于一些重大疾病的诊断、监控与治疗极具应用与科学价值。因此，突破传统惯性微流控技术，提升微纳米生物颗粒的操控性能，拓展惯性微流控的生医应用范围将为重大疾病的早期筛查与预后治疗提供研究基础，为最终实现惯性微流控芯片的产业化应用提供技术支撑。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，该芯片体积小、无需鞘液、操控精度好、通量高，可以满足微纳米生物颗粒的精确操控应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术的一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，包括上层基片和下层基片；所述上层基片上设有进液孔、上半入口蓄液池、上半惯性流道、上半出口蓄液池和出液孔，所述进液孔和出液孔均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液导入和导出；所述下层基片上设有下半入口蓄液池、下半惯性流道和下半出口蓄液池；所述上半入口蓄液池与下半入口蓄液池叠加装配形成入口蓄液池，所述上半惯性流道与下半惯性流道叠加装配形成惯性流道，所述上半出口蓄液池及下半出口蓄液池叠加装配形成出口蓄液池；所述进液孔依次与入口蓄液池、惯性流道、出口蓄液池、出液孔相连通；所述惯性流道的流道宽度大于流道高度，用于增强惯性流道中微纳米颗粒的惯性效应；所述惯性流道的空间结构为阶梯型横截面的弯流道，用于使惯性流道中产生垂直于截面主流方向的非对称二次流场效应，增强微纳米颗粒的惯性迁移调控能力；所述上层基片和下层基片的水平相对位置可调节，使所述惯性流道的横截面形状与尺寸发生变化，用于调控非对称二次流场的形状、方向、大小和位置。上述惯性流道横截面尺寸与流道中的微纳米颗粒尺寸关系为：a/DH＜0.07，a/Dh≥0.07，其中，a为微纳米颗粒的直径，DH为惯性流道横截面的外壁面高度，Dh为惯性流道横截面的内壁面高度。上述阶梯型包括“L”形或“Z”形。上述弯流道为阿基米德螺旋线结构或周期性正弦波结构。上述惯性微流控芯片用于实现两种以上不同尺寸微纳米颗粒的惯性分离，且两种微纳米颗粒的尺寸差异在5μm以内。上述惯性微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷、热塑性聚合物、玻璃或硅胶。本专利技术所产生的有益效果如下：本专利技术提出的惯性微流控芯片突破了传统惯性微流控的通用流道结构模型，设计了新型阶梯形横截面结构(如“L”形和“Z”形截面)的弯流道芯片，使弯流道中垂直于截面主流动方向上产生了非对称二次涡流效应；改变阶梯形横截面和弯流道结构尺寸，即通过改变非对称二次流旋涡的形状、方向、强度和位置，可以使弯流道横截面中任一位置上微纳米颗粒所受的二次流拖拽力均发生变化。由于微纳米颗粒在弯流道中还受到壁面诱导的惯性升力作用，因此将微纳米颗粒所受的二次流拖拽力与惯性升力进行耦合，通过调节二次流拖拽力和惯性升力的合力可进一步细化和提升微纳米颗粒的惯性调控性能，可以显著提升微纳米颗粒的惯性操控精度，解决了传统惯性微流控中对称二次流效应在尺寸相近颗粒精确分离操控方面所面临的技术瓶颈问题。本专利技术的芯片体积小、无需鞘液、操控精度好、通量高，且制作简便，在微纳米颗粒(如生物细胞)的聚焦、捕获、分离等精确操控方面具有潜在应用价值。附图说明图1是惯性微流控芯片的3D结构示意图；图2是惯性微流控芯片的分层基片3D结构示意图；图3是惯性微流控芯片的“L”形流道截面结构示意图；图4是惯性微流控芯片的“Z”形流道截面结构示意图；图5是惯性微流控芯片的螺旋流道结构示意图；图6是惯性微流控芯片的周期性正弦波流道结构示意图；图7是微纳米生物颗粒分离实验平台示意图；图8是微纳米生物颗粒在“Z”形截面螺旋流道入口处的随机分布示意图；图9是“Z”形截面螺旋流道中非对称二次流场的仿真模型图；图10是微纳米颗粒在螺旋流道出口处的惯性分离示意图；图11是传统矩形截面螺旋流道中迪恩流场的仿真模型图；其中，1为上层基片，2为下层基片，3为进液孔，4为入口蓄液池、5为惯性流道、6为出口蓄液池、7为出液孔、41为上半入口蓄液池、42为下半入口蓄液池、51为上半惯性流道、52为下半惯性流道、61为上半出口蓄液池、62为下半出口蓄液池。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1、2所示，本专利技术提出的惯性微流控芯片由上层基片1和下层基片2组成，包括依次连通的进液孔3、入口蓄液池4、惯性流道5、出口蓄液池6和出液孔7。上层基片1包含上半入口蓄液池41、上半惯性流道51、上半出口蓄液池61、进液孔3和出液孔7，且进液孔3和出液孔7均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液导入和导出；下层基片2包含下半入口蓄液池42、下半惯性流道52和下半出口蓄液池62。出口蓄液池6和出液孔7的数量均为两个。如图3、4所示，上层基片1的上半惯性流道51和下层基片2的下半惯性流道52叠加装配在一起形成“L”形横截面或“Z”形横截面，改变两层基片的水平相对位置，可有效调节横截面的形状尺寸。如图5、6所示，惯性微流控芯片的惯性流道5为弯流道，弯流道可以是阿基米德螺旋线结构，也可以是周期性正弦波结构。为使惯性流道5中的微纳米颗粒产生足够强的惯性效应，惯性流道5需具有大宽高比流道特征，即流道宽度要大于流道高度。此外，惯性流道5的横截面尺寸与流道中的微纳米颗粒尺寸关系需满足如下不等式：a/DH＜0.07，a/Dh≥0.07，其中，a为微纳米颗粒的直径，DH为惯性流道横截面的外壁面高度，Dh为惯性流道横截面的内壁面高度。本实施例中，惯性微流控芯片的材质为医用级PET塑料，该材料强度好、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，其特征在于：包括上层基片(1)和下层基片(2)；所述上层基片(1)上设有进液孔(3)、上半入口蓄液池(41)、上半惯性流道(51)、上半出口蓄液池(61)和出液孔(7)，所述进液孔(3)和出液孔(7)均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液导入和导出；所述下层基片(2)上设有下半入口蓄液池(42)、下半惯性流道(52)和下半出口蓄液池(62)；所述上半入口蓄液池(41)与下半入口蓄液池(42)叠加装配形成入口蓄液池(4)，所述上半惯性流道(51)与下半惯性流道(52)叠加装配形成惯性流道(5)，所述上半出口蓄液池(61)及下半出口蓄液池(62)叠加装配形成出口蓄液池(6)；所述进液孔(3)依次与入口蓄液池(4)、惯性流道(5)、出口蓄液池(6)、出液孔(7)相连通；所述惯性流道(5)的流道宽度大于流道高度，用于增强惯性流道(5)中微纳米颗粒的惯性效应；所述惯性流道(5)的空间结构为阶梯型横截面的弯流道，用于使惯性流道(5)中产生垂直于截面主流方向的非对称二次流场效应，增强微纳米颗粒的惯性迁移调控能力；所述上层基片(1)和下层基片(2)的水平相对位置可调节，使所述惯性流道(5)的横截面形状与尺寸发生变化，用于调控非对称二次流场的形状、方向、大小和位置。...

【技术特征摘要】
1.一种用于操控微纳米颗粒的惯性微流控芯片，其特征在于：包括上层基片(1)和下层基片(2)；所述上层基片(1)上设有进液孔(3)、上半入口蓄液池(41)、上半惯性流道(51)、上半出口蓄液池(61)和出液孔(7)，所述进液孔(3)和出液孔(7)均与外界相连通，用于微纳米颗粒溶液导入和导出；所述下层基片(2)上设有下半入口蓄液池(42)、下半惯性流道(52)和下半出口蓄液池(62)；所述上半入口蓄液池(41)与下半入口蓄液池(42)叠加装配形成入口蓄液池(4)，所述上半惯性流道(51)与下半惯性流道(52)叠加装配形成惯性流道(5)，所述上半出口蓄液池(61)及下半出口蓄液池(62)叠加装配形成出口蓄液池(6)；所述进液孔(3)依次与入口蓄液池(4)、惯性流道(5)、出口蓄液池(6)、出液孔(7)相连通；所述惯性流道(5)的流道宽度大于流道高度，用于增强惯性流道(5)中微纳米颗粒的惯性效应；所述惯性流道(5)的空间结构为阶梯型横截面的弯流道，用于使惯性流道(5)中产生垂直于截面主流方向的非对称二次流场效应，增强微纳米颗粒的惯性迁移调控能力；所述上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫杰，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32