基于介電泳的可變形微顆粒分離芯片制造技術

本發明專利技術公開了一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片，由一級管道和二級管道相連接組成：在一級管道內設有電場，驅使可變形顆粒向著二級管道運動；二級管道分為上下兩個管道，作為微顆粒運動后的分離管道。通過設置不同的電場強度和收縮口半徑等參數，可以使待分離的微顆粒在通過收縮結構后向著不同方向的二級管道運動。本發明專利技術的優點在于：可變形微顆?？梢允巧锛毎?，在其分離的過程中不會破壞生物性質和活性；同時，通過設置不同參數使半徑在一定范圍內的顆粒都可以達到較好的分離效果，分離裝置簡易，實施過程的可操作性強，分離通道短，分離時間少，分離效率高。

Deformable micro particle separation chip based on dielectrophoresis

The invention discloses a dielectrophoretic deformable particle separation based on microfluidic chips, a pipeline and two stage pipeline is connected with the electric field in a composition: pipe driven deformable particles toward the two level pipeline movement; two level pipeline pipeline is divided into upper and lower two, as the separation channel micro particles after exercise. By setting the parameters of different electric field intensity and the radius of the contraction port, the particles can be separated from the two stage pipeline in different directions after the contraction structure. The invention has the advantages that the deformable micro particles can be biological cells, does not destroy the biological activity and properties in the process of separation; at the same time, by setting different parameters of the radius in a certain range of particles can achieve better separation effect, simple separation device, strong operability of the implementation process, the separation channel short separation time, high separation efficiency.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片。
技術介紹
微顆粒的分離是一種對產品提純的重要方法，這種技術不但可以獲得純度相對高的顆粒物質，而且是后續進行各種試驗的保證；隨著科學技術的發展，微顆粒的分離技術在生物研究、檢測分析、環境科學、納米技術及醫學等領域都有著極其廣泛的應用。微尺度下，顆粒物的分離涉及到多種學科交叉的領域，是屬于較為前沿的科學研究，其中涉及到流體力學、微加工及微制造等多個學科門類；利用微流控芯片體積小、成本低廉、對流體可控、試劑消耗較少、精度高等特點來對微尺度下的顆粒進行分離研究，從而達到最佳實驗效果。微流控芯片又稱微型全分析系統，它以芯片為操作平臺，通過精密設計微管道結構變化以及對微流體的有效控制來操控液體樣品中微顆粒的移動、富集、捕捉等過程從而實現對樣品的采樣、反應、分離和檢測；目前，微流體工作發展的重點應用領域是生命科學領域，具有廣泛的應用前景?，F有幾種常見的方法用于微顆粒的分離
中，如化學控制方法、機械式控制方法、激光法、磁學控制方法、電場控制方法等；其中，化學控制方法在實際運用中往往對樣品顆粒有著破壞性，同時實驗存在不可逆性；磁學控制方法在試驗前需要加入一定要求下的磁性材料，同樣對顆粒有著破壞性，實驗的步驟也較為繁瑣，最終得到的實驗結果具有一定的局限性。介電電泳（DEP）技術主要的應用對象是不帶電的中性顆粒，此技術和傳統的電泳技術相比有著較高的可操作性。被研究的中性顆粒在外加電場的作用下會發生極化，進而在這些顆粒的內部會產生等量且異號的極化電荷，正是這些極化電荷在非均勻的電場下所受電場力無法相互抵消，所以會產生凈力從而驅使顆粒運動，即介電電泳。自從1978年將介電電泳引入到生物和化學領域，該技術就一直受到各國的重視并期與厚望使之發展完善，特別的，在解決細胞分離和操縱難題方面，介電電泳技術克服了傳統電泳技術無法高效分離操作的困難。介電電泳（DEP）分離技術具有許多優點，首先，此技術在研究顆粒運動過程中不需要標記抗體，從而可以避免在分離過程中的細胞因為發生抗體反應使得細胞的生物性質發生轉變；其次，在研究過程中針對該技術設置的低強度交變電場對細胞的生物活性是非破壞性的，不會產生不可逆的生物變化，并且不會對細胞的分裂性質和正常生長產生影響；最后，這種介電電泳技術的使用相對靈活，電場強度，頻率，相位，分離結構都容易設置和調控，便于自動化的操作，而且可以和其他方法結合，以達到最佳的實驗效果。在DEP力作用下所研究顆粒會改變其運動狀態或趨勢，通過區分不同顆粒在流體中所受DEP力的差異，進而產生不同的顆粒軌跡來達到顆粒分離的目的；這些顆粒在非均勻電場的作用下所受的DEP力有兩種，一種是顆粒從低電場區域被吸引至高電場的區域，稱為正介電電泳（pDEP）,另一種是顆粒從高電場區域被吸引至低電場的區域，稱為負介電電泳（nDEP）。
技術實現思路
本專利技術提供一種在微流控領域中基于介電泳的可用于細胞顆粒分離的微流控芯片，其分離速度快，分離通道短，能夠實現對微顆粒分離軌跡的有效控制，達到較好的顆粒分離效果。本專利技術采用的技術方案是：一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片，其特征在于：該分離裝置由一級管道和二級管道組成；一級管道左端設有顆粒流體入口，同時在一級管道的尾部設置收縮結構；與收縮結構出口相連的二級管道，包含了二級管道上管道和下管道；在一級管道內施加和微流體流動方向一致的水平電場，二級管道的上管道和下管道接地。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：本專利技術根據介電泳的原理，使得不同切向模量的顆粒在運動過程中發生形變的程度有所差異，因此待分離的顆粒也會受到不同的力；這些顆粒在通過微流控芯片收縮結構時被拋出不同的軌跡進入到二極管道內，從而達到了顆粒分離的目的。一級管道內收縮結構的半徑r1和r2大小設置對顆粒的運動軌跡產生一定的影響，這是由于一級管道尾部結構的變化從而改變了管道的電場強度分布，即可以通過改變r1和r2的數值從而選擇具有不同切向模量的顆粒進入到預期的管道中。電場強度采用較小的數值，使得顆粒在運動過程中不破壞其生物活性的同時達到較好的分離效果。本專利技術的目的是通過充分利用微流控芯片和介電泳技術帶來的優勢，改變微流控芯片的結構，以相對簡單的步驟和實際裝置，縮短顆粒分離長度，減少顆粒分離時間，達到較高的顆粒分離效率，同時減小分離體積、縮減成本，為微流控芯片領域的后續研究提供了寶貴的經驗。附圖說明圖1為本專利技術新型的結構示意圖；圖中：流體從左端流入，微顆粒設置在一級管道靠近下管道壁的位置，流體分別從二級管道上管道a和下管道b流出；w為一級管道的寬度，r1和r2是收縮結構內兩個四分之一圓的半徑；一級管道和二級管道相連，二級管道設有上管道出口a和下管道出口b。圖2為顆粒起始位置的單元結構示意圖；圖中：待分離的顆粒圓心為Op,顆粒半徑為rp，顆粒圓心距下管壁的距離為dp。圖3為不同切向模量的顆粒在通過收縮結構時Y方向上的受力仿真圖；圖中：Y方向上幅值波動較大的是顆粒變形后的受力曲線；波動較小的是未變形顆粒的受力曲線；r1和r2設定的數值分別為60μm和120μm；圓形顆粒的半徑為5μm,變形后橢圓形短半徑為4μm，長半徑為6.25μm。圖4為三種具有不同切向模量顆粒的運動軌跡；圖中：三條顆粒軌跡運動曲線,其中顆粒所具有的切向模量由上至下分別為G=200Pa,G=60Pa,G=20Pa。r1和r2設定的數值分別為60μm和120μm，電場強度的大小為30V/m。圖5為切向模量分別為G=20Pa和G=200Pa顆粒的運動軌跡；圖中：圖5a為切向模量G=20Pa的顆粒軌跡，圖5b為切向模量G=200Pa的顆粒軌跡；r1和r2設定的數值分別為60μm和120μm，電場強度的大小為30V/m。圖6為切向模量分別為G=20Pa和G=200Pa顆粒運動時的速度分量圖；圖中：圖6a為與流體流動方向一致的顆粒速度曲線；圖6b為垂直于流體流動方向的顆粒速度曲線；r1和r2設定的數值分別為60μm和120μm，電場強度的大小為30V/m。圖7為具有不同切向模量的顆粒在不同電場強度下的運動軌跡；圖中：顆粒運動軌跡由上至下依次是切向模量G=200Pa電場強度為30V/m的顆粒軌跡、切向模量G=200Pa電場強度為20V/m的顆粒軌跡、切向模量G=20Pa電場強度為30V/m的顆粒軌跡、切向模量G=20Pa電場強度為20V/m的顆粒軌跡、切向模量G=200Pa電場強度為10V/m的顆粒軌跡、切向模量G=20Pa電場強度為10V/m的顆粒軌跡；r1和r2設定的數值分別為60μm和120μm。圖8為在r1和r2不同數值設定下的顆粒軌跡；圖中：圖8a中r1和r2設定的數值分別為90μm和90μm；圖8b中r1和r2設定的數值分別為80μm和100μm;圖8c中r1和r2設定的數值分別為40μm和140μm；圖8d中r1和r2設定的數值分別為30μm和150μm；電場強度的大小為30V/m。具體實施方式一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片，采用PDMS為材料，經過光刻、顯影等工藝步驟制得SU8模具；然后將與固化劑混合過的PDMS材料涂于模具上，經過加熱固化后脫模制得PDMS陰模；再將與固化劑本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片，其特征在于：該顆粒分離裝置由一級管道（A）和二級管道（B）組成；一級管道（A）左端設有顆粒流體入口（2），同時在一級管道（A）的尾部設置收縮結構（3）；與收縮結構出口相連的二級管道（B），包含了二級管道（B）上管道（a）和下管道（b）；在一級管道（A）內施加和微流體流動方向一致的水平電場（E），二級管道（B）的上管道（a）和下管道（b）接地；一級管道（A）寬度w設定為200μm；芯片所分離的顆粒半徑設定為5μm，顆粒中心離一級管道（A）下管道壁距離為10μm；收縮結構（3）的兩個四分之一圓的半徑r1和r2之和等于180μm，并且收縮結構（3）尾部與二級管道（B）相連接，單元放大結構（1）內待分離顆粒設置在一級管道（A）靠近下壁面的位置。

【技術特征摘要】
1.一種基于介電泳的可變形顆粒分離的微流控芯片，其特征在于：該顆粒分離裝置由一級管道（A）和二級管道（B）組成；一級管道（A）左端設有顆粒流體入口（2），同時在一級管道（A）的尾部設置收縮結構（3）；與收縮結構出口相連的二級管道（B），包含了二級管道（B）上管道（a）和下管道（b）；在一級管道（A）內施加和微流體流動方向一致的水平電場（E），二級管道（B）的上管道（a）和下管道（b）接地；一級管道（A）寬度w設定為200μm；芯片所分離的顆粒半徑設定為5μm，顆粒中心離一級管道（A）下管道壁距離為10μm；收縮結構（3）的兩個四分之一圓的半徑...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周騰，汝紹鋒，王瀚林，史留勇，張先滿，張燕，
申請(專利權)人：海南大學，
類型：發明
國別省市：海南;46