[发明专利]基于声表面波的微流控血浆分离芯片及方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及生物样品处理技术领域，特别涉及一种血浆分离芯片及方法。

【背景技术】

血液是人体内最重要的流体之一，其成分往往受到人体的生理变化和病理变化的影响，所以血液成分的检测有重要的临床意义。血液由血细胞和血浆组成。血细胞主要包括红细胞、白细胞和血小板。血浆大约占血液体积的55％，其组成成分中90％为水，还含有无机盐、纤维蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素等各种营养物质和代谢产物等。这些物质无一定的形态，但具有重要的生理功能，因此大约90％的血液检测以血浆为样品。因此从全血中分离血浆是血液分析过程中的一个必要步骤。

目前，传统的血浆分离技术主要有离心法和薄膜过滤法。然而，离心法消耗的血液样品量大、处理时间长，不适用于现场快速分析，薄膜过滤法存在严重的细胞堵塞问题，大大降低分离效率。

最近二十多年来，微流控技术(也叫芯片实验室技术)得到迅速发展。由于尺寸缩小到微米级，样品和试剂的消耗量大大降低并且反应时间大大缩短，因此微流控技术广泛应用在生物、医学等领域。目前为止已经有多个研究小组致力于微流控血液分离技术及器件的研究。这些技术主要包括交叉流动过滤、流体动力学分离等被动式分离技术以及采用声、光、电等外场力的主动式分离技术。被动式分离技术往往依赖通道中的微结构，需要对微结构的尺寸进行严格的控制，并且分离过程中的流速需要精确控制，因此分离效率受到限制。主动式分离中，光学装置比较昂贵并且不适于便携，介电泳等基于电场力的分离方法中需要在流体中产生不均匀电场，对微通道的几何形状提出很高的要求，制作困难较高。

基于声场作用的分离依靠声波与流体的耦合在流体中形成流体压强的周期性分布，流体中的细胞等悬浮粒子受到周围流体的声辐射力的作用而迁移到驻波场的波节或者波腹位置。声辐射力的大小与声场强度和粒子的体积有关，方向则取决于流体介质和粒子的密度及可压缩性的相对大小。水性介质中的固体粒子会受到指向波节的声场力，而其中的气泡或者油滴等则会受到指向波腹的声场力。声辐射力不仅能够根据声学对比因子符号的不同对粒子进行二元分离，也能够根据所受声辐射力大小的不同对不同体积的粒子进行梯度分离。由于声波传感器与流体之间不必直接接触，是一种非入侵式的分离技术，并且从文献来看，声辐射力对细胞等生物材料没有伤害。因此基于声波的血液分离技术也是研究的热点之一。

基于声波的微小粒子操控技术中，体声波(bulk acoustic wave,BAW)是最早得到关注和研究的，在研究领域也是相对比较成熟的一种方法。Laurell及其研究团队所研究的基于体声波驻波场的血液清洗技术，根据红细胞和脂肪微粒在声表面驻波场中的声学对比因子的正负差异，利用声辐射力使红细胞聚集到位于微通道正中央的波节平面内，而脂肪微粒被拉向微通道侧壁的波腹平面内，这样通过下游的分叉在不同的出口分别收集红细胞和脂肪微粒，从而实现红细胞的清洗。(详见A.Nilsson,F.Petersson,H.Jonsson and T.Laurell,Acoustic control of suspended particles in micro fluidic chips,Lab on a chip,2004,4,131-135.)Laurell团队的这种声场分离技术已经进行商业开发，用于红细胞和脂肪粒子的二元分离，其专利WO/2002/072236 Particle Separation(ErySave AB,HenrikThomas Laurell,Mats Allers,Hans Persson)公布了一种利用体声波在微通道内的驻波效应形成多个声压节点来聚集颗粒进而实现微通道内的颗粒物质分离(尤其用于血液处理)的装置。该专利中，硅材料的谐振腔背面需要设置压电陶瓷作为超声换能器，用以将电能转化为声能，造成整个装置体积较大，并且不易实现大规模制造。除此之外，这类基于体声波驻波场的粒子分离系统对系统的组成材料的声学特性有较高的要求，因为体声波驻波场的建立依赖于构成流体腔体的材料之间的优良的声学反射特性。因此从声学谐振腔的角度考虑，硅、玻璃等硬脆材料是流体腔体材料的首选。微流控系统中常用的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)虽然具有诸如低成本、容易大规模制造、透光性好等优点，但是因为具有与水相近的声阻抗而无法在PDMS-水界面上形成有效的声波反射，所以被普遍认为难以应用到基于体声波的粒子分离系统中。