精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310126193.4(22)申请日 2023.02.16(71)申请人 河海大学常州校区地址 213022 江苏省常州市新北区晋陵北路200号(72)发明人 张鑫杰朱行杰刘尧陈亚伟郑子宵张宇航(74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限公司 32224专利代理师 孙永生(51)Int.Cl.B01L 3/00(2006.01)(54)发明名称一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法(57)摘要本发明公开了一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法,该装置包括盖板、微流控芯片和底。

2、板,微流控芯片分别与盖板和底板之间设有磁铁;盖板上设有贯穿盖板两板面的入孔和出孔,盖板靠近底板的板面上设有用于安装微流控芯片上半部的上芯片槽,上芯片槽的槽底设有用于安装磁铁的上磁铁槽;微流控芯片内设有惯性流道,惯性流道的一端设有与入孔相连通的进液孔,另一端设有与出孔相连通的出液孔;底板靠近盖板的板面上设有用于安装微流控芯片下半部的下芯片槽,下芯片槽的槽底设有用于安装磁铁的下磁铁槽。本发明操控微纳米颗粒时利用颗粒同时受惯性力、二次流曳力和磁场力作用而实现高通量、精准分离,具有操控精度高、操作便捷的优势。权利要求书1页 说明书4页 附图5页CN 116493057 A2023.07.28CN 11。

3、6493057 A1.一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:包括盖板、用于微纳米颗粒高通量分离的微流控芯片和底板,所述微流控芯片分别与盖板和底板之间设有用于磁性微纳米颗粒与非磁性微纳米颗粒精准分离的磁铁;所述盖板上设有贯穿盖板两板面的入孔和出孔,盖板靠近底板的板面上设有用于安装微流控芯片上半部的上芯片槽,上芯片槽的槽底设有用于安装磁铁的上磁铁槽;所述微流控芯片内设有惯性流道,惯性流道的一端设有与入孔相连通的进液孔,另一端设有与出孔相连通的出液孔;所述底板靠近盖板的板面上设有用于安装微流控芯片下半部的下芯片槽,下芯片槽的槽底设有用于安装磁铁的下磁铁槽。2.根据权利要求1所述的一种精准分。

4、离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述惯性流道与进液孔之间设有入口蓄液腔,惯性流道与出液孔之间设有出口蓄液腔。3.根据权利要求2所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述惯性流道呈阿基米德螺旋状,惯性流道的横截面从入口蓄液腔至出口蓄液腔逐渐减小。4.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述惯性流道的道壁呈内凸形,惯性流道的宽度大于惯性流道的高度。5.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述进液孔的数量至少为一个;所述出液孔的数量至少为两个。6.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:。

5、所述磁铁为永磁铁,呈环形状。7.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述磁铁的充磁方向包括辐射充磁、轴向充磁或径向充磁。8.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述磁铁的材料包括钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁中的一种或多种。9.根据权利要求1所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,其特征在于:所述微流控芯片的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯。10.一种根据权利要求1至9任意一项所述的高通量分离微纳米颗粒的微流控装置的操控方法,其特征在于,包括以下步骤:将微纳米颗粒溶液注入入孔,经进液孔进入惯性。

6、流道中,惯性流道在垂直于微纳米颗粒溶液主流动方向上产生两个对向流动的非对称二次流旋涡,非对称二次流旋涡的流场强度为中间弱、两端强,非对称二次流旋涡作用于微纳米颗粒上的二次流曳力随着截面位置的不同而发生变化;微纳米颗粒在惯性流道中受到来自惯性流道壁面的惯性升力作用,大尺寸的颗粒受强惯性升力聚焦在惯性流道内壁面,小尺寸的颗粒受强二次流曳力聚焦在惯性流道外壁面,实现对不同尺寸颗粒的高通量分离;微纳米颗粒中含有磁性颗粒,在惯性分离的过程中,磁性颗粒在惯性流道中受到强磁力作用,迁移到贴近惯性流道的外壁面处,在出孔处实现紧贴惯性流道外壁面运动。权利要求书1/1 页2CN 116493057 A2一种精准分。

7、离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法技术领域0001本发明属于微流控技术领域,涉及一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法。背景技术0002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。0003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。

8、检测结果的灵敏度和可靠性。因此,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。0004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。

9、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。0005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。发明内容0006本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法,该装置体积小、操控精度好、通量高,能够满足微纳米生物颗粒的精确操控。0007为达到。

10、上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,包括盖板、用于微纳米颗粒高通量分离的微流控芯片和底板,所述微流控芯片分别与盖板和底板之间设有用于磁性微纳米颗粒与非磁性微纳米颗粒精准分离的磁铁;所述盖板上设有贯穿盖板两板面的入孔和出孔,盖板靠近底板的板面上设有用于说明书1/4 页3CN 116493057 A3安装微流控芯片上半部的上芯片槽,上芯片槽的槽底设有用于安装磁铁的上磁铁槽;所述微流控芯片内设有惯性流道,惯性流道的一端设有与入孔相连通的进液孔,另一端设有与出孔相连通的出液孔;所述底板靠近盖板的板面上设有用于安装微流控芯片下半部的下芯片槽,下芯片槽的槽底设有用。

11、于安装磁铁的下磁铁槽。0008可选的,所述惯性流道与进液孔之间设有入口蓄液腔,惯性流道与出液孔之间设有出口蓄液腔。0009可选的,所述惯性流道呈阿基米德螺旋状,惯性流道的横截面从入口蓄液腔至出口蓄液腔逐渐减小。0010可选的,所述惯性流道的道壁呈内凸形,惯性流道的宽度大于惯性流道的高度。0011可选的,所述进液孔的数量至少为一个;所述出液孔的数量至少为两个。0012可选的,所述磁铁为永磁铁,呈环形状。0013可选的,所述磁铁的充磁方向包括辐射充磁、轴向充磁或径向充磁。0014可选的,所述磁铁的材料包括钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁中的一种或多种。0015可选的,所述微流控芯片的材。

12、质包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯。0016一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置的操控方法,包括以下步骤:将微纳米颗粒溶液注入入孔,经进液孔进入惯性流道中,惯性流道在垂直于微纳米颗粒溶液主流动方向上产生两个对向流动的非对称二次流旋涡,非对称二次流旋涡的流场强度为中间弱、两端强,非对称二次流旋涡作用于微纳米颗粒上的二次流曳力随着截面位置的不同而发生变化;微纳米颗粒在惯性流道中受到来自惯性流道壁面的惯性升力作用,大尺寸的颗粒受强惯性升力聚焦在惯性流道内壁面,小尺寸的颗粒受强二次流曳力聚焦在惯性流道外壁面,实现对不同尺寸颗粒的高通量分离;微纳米颗粒中含有磁性颗粒,在惯性分离的过程中,。

13、磁性颗粒在惯性流道中受到强磁力作用,迁移到贴近惯性流道的外壁面处,在出孔处实现紧贴惯性流道外壁面运动。0017与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:本发明提供一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置及其操控方法,将惯性微流控技术与磁场操控技术相结合;惯性微流控芯片用于微纳米颗粒的高通量惯性聚焦分离,磁铁用于磁性微纳米颗粒的精准磁力操控分离;惯性微流控芯片的惯性效应可以实现尺寸差异较大的粒子分离,磁铁产生的磁场可以将磁性粒子与非磁性粒子进行分离。0018本发明能够进行微纳米生物颗粒操控,可以提高芯片操控微纳米生物颗粒的能力,并拓展微粒操控的应用范围。0019本发明的装置具有体积小、操控精度高、通量高。

14、、制作简便等优势。附图说明0020图1是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置的爆炸图;图2是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置盖板的结构示意图;说明书2/4 页4CN 116493057 A4图3是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置磁铁的结构示意图;图4是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置微流控芯片的结构示意图;图5是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置底板的结构示意图;图6是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置微纳米生物颗粒在惯性流道靠近进液孔的端部的分布示意图;图7是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置微纳米生物颗粒在惯性流道靠近出液孔的端部的分布示意图;。

15、图8是本发明一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置磁铁磁通量大小仿真结果图;图9是15m磁性粒子与15m非磁性粒子在不带磁场的微流控芯片中的实验结果;图10是15m磁性粒子与15m非磁性粒子在带磁场的微流控芯片中的实验结果。0021其中:1、盖板;11、入孔;12、出孔;13、上磁铁槽;14、上芯片槽;2、磁铁;3、微流控芯片;31、进液孔;32、入口蓄液腔;33、惯性流道;34、出液孔;35、出口蓄液腔;4、底板;41、下芯片槽;42、下磁铁槽。实施方式0022下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。0023在本发明的描。

16、述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个。

17、以上。0024在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。实施例0025如图1至10所示,一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,包括盖板1、用于尺寸差异较大微纳米颗粒高通量分离的微流控芯片3和底板4,微流控芯片3分别与盖板1和底板4之间设有用于磁性微纳米颗粒与非磁性微纳米颗粒精准分离的磁铁2;磁铁2为环。

18、形永磁铁,磁铁2的充磁方向包括辐射充磁、轴向充磁或径向充磁,磁铁2的材料包括钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁、铁氧体磁铁中的一种或多种。0026盖板1上设有贯穿盖板1两板面的入孔11和出孔12,盖板1靠近底板4的板面上设有说明书3/4 页5CN 116493057 A5用于安装微流控芯片3上半部的上芯片槽14,上芯片槽14的槽底设有用于安装磁铁2的上磁铁槽13。0027微流控芯片3内设有惯性流道33,惯性流道33的一端设有与入孔11相连通的两个进液孔31,另一端设有与出孔12相连通的两个出液孔34;惯性流道33与进液孔31之间设有入口蓄液腔32,惯性流道33与出液孔34之间设有出口蓄液腔35,。

19、惯性流道33的下道壁呈内凸形,惯性流道33的横截面从入口蓄液腔32至出口蓄液腔35逐渐减小,惯性流道33呈阿基米德螺旋状,惯性流道的宽度是惯性流道高度的210倍,微流控芯片3的材质为聚二甲基硅氧烷。0028底板4靠近盖板1的板面上设有用于安装微流控芯片3下半部的下芯片槽41,下芯片槽41的槽底设有用于安装磁铁2的下磁铁槽42。实施例0029如图1至10所示,基于实施例一所述的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,本实施例提供一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置的操控方法,包括以下步骤:S1,将微纳米颗粒溶液注入入孔11,经进液孔31由入口蓄液腔32进入惯性流道33中,受入口蓄液腔32中微流体的扰流。

20、影响,微米颗粒在入口处惯性流道33中紧贴外壁面运动,,如图6,惯性流道33在垂直于微纳米颗粒溶液主流动方向上产生两个对向流动的非对称二次流旋涡,且非对称二次流旋涡的流场强度为中间弱、两端强,使得非对称二次流旋涡作用于微纳米颗粒上的二次流曳力随着截面位置的不同而发生变化;S2,由于微纳米颗粒在惯性流道33中受到来自惯性流道33壁面的惯性升力作用,大尺寸的颗粒受强惯性升力聚焦在惯性流道内壁面,小尺寸的颗粒受强二次流曳力聚焦在惯性流道33外壁面,实现不同尺寸颗粒的高通量分离;同时,微纳米颗粒中含有磁性颗粒,在惯性分离的过程中,磁性颗粒在惯性流道33中受到强磁力作用,随着磁性微米颗粒逐渐向惯性流道33。

21、外圈运动,磁力逐渐增大,如图8,磁性微米颗粒逐渐向惯性流道33外壁面迁移,最终在出液孔34实现紧贴惯性流道33外壁面运动,如图7,经过惯性微流控芯片与磁铁的共同作用,实现了三种微米颗粒的精确分离。0030为验证惯性和磁场共同作用的效果,本实施例中采用了两种微粒进行实验,分别为15m磁性聚苯乙烯微粒与15m非磁性聚苯乙烯微粒。如图9所示,在该实验场景中未加入磁场,微粒在惯性流道中受到惯性升力与迪恩曳力的耦合作用。由于微粒的粒径较大,微粒在惯性流道中主要受到惯性升力的作用,聚焦于靠近内壁面处,无法实现两种微粒的分离。当实验场景中加入磁场后,15m磁性聚苯乙烯微粒受磁场力作用,向流道外壁面处移动,而。

22、15m非磁性聚苯乙烯微粒则始终聚焦在流道内壁面,最终在流道出口处实现了两种微粒的精准分离。0031综上所述,本实施例提出的一种精准分离微纳米颗粒的微流控装置,体积小巧、操作简便、通量高、精度高,可用于微纳米生物细胞的高效捕获、聚焦和分离等操控应用,在集成微流控芯片实验室、便捷式即时检测仪器等方面具有广泛的应用价值。0032以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。说明书4/4 页6CN 116493057 A6图1图2说明书附图1/5 页7CN 116493057 A7图3图4说明书附图2/5 页8CN 116493057 A8图5图6图7说明书附图3/5 页9CN 116493057 A9图8图9说明书附图4/5 页10CN 116493057 A10图10说明书附图5/5 页11CN 116493057 A11。

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内容关键字: 精准 分离 纳米 颗粒 微流控 装置 及其 操控 方法
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