[发明专利]一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置

摘要

本发明属于生物微流控芯片技术领域，提供了一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成。本发明装置可实现高效、便捷、友好的微纳生物颗粒汇聚。本发明提供的用于汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，设计巧妙，操作简单，利用振荡流设计在较短通道中实现“无限长通道”流动，将负磁泳汇聚与和惯性汇聚有机组合，可成功实现循环肿瘤细胞、外泌体等稀有微纳生物颗粒的高效汇聚与富集，用于基础医学研究和临床检测应用。

主权项

1.一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置，其特征在于，所述的微流控装置主要由微流控芯片、压力系统、控制系统I、控制系统II、永磁铁、储液池及导管构成；所述的微流控芯片为两入口和两出口的直通道；直通道的出口端分三支流，其中一支流连通一个出口，即为直通道左内端口；另外两支流回合后连通另一个出口，即为直通道左外端口；直通道的入口端的设置形式与出口端的设置形式相同；三对永磁铁对称布置在直通道两侧等距离位置，用于产生非均匀磁场；压力系统、储液池I、控制系统I和微流控芯片共同构成振荡流控制系统，用以产生可调制振荡流动；控制系统I主要由脉冲信号发生器I、信号反相器I、高速三通阀I和高速三通阀II组成；高速三通阀I和高速三通阀II上的阀门分别与直通道两外端口相连，均分为上阀门和下阀门，分别用于控制一端的两个口；高速三通阀I与脉冲信号发生器I直接相连，高速三通阀II与信号反相器I相连，信号反相器I进一步与脉冲信号发生器I相连；当某一脉冲信号输入，高速三通阀I和高速三通阀II交替打开上阀门、下阀门，实现直通道左右外端口交替地反对称打开；储液池I中样品溶液被压力系统驱动进入导管，经控制系统I即在微流控芯片直通道中产生周期性振荡流动，振荡周期为Tfluid；磁流体流动速度通过调节压力来改变，振荡周期Tfluid则通过调节脉冲信号周期来改变；控制系统II与储液池II构成收集器，用于收集充分汇聚的目标颗粒；控制系统II主要由脉冲信号发生器II、信号反相器II、高速两通阀I和高速两通阀II组成；高速两通阀I和高速两通阀II中一阀门分别与直通道左右内端口相连；高速两通阀I与脉冲信号发生器II直接相连，高速两通阀II与信号反相器II相连，信号反相器II进一步与脉冲信号发生器II相连；当某一脉冲信号输入，高速两通阀I和高速两通阀II交替开关阀门，实现直通道左右内端口交替地打开，充分汇聚的目标颗粒经由导管从左内端口或右内端口汇入收集器；直通道左右内端口的开关状态与振荡流方向同步，收集周期Tcollect与振荡流周期Tfluid的定量关系可通过预实验来确定；储液池III为废液池，用于收集可循环使用的磁流体；所有部分以导管连接；将混入样品颗粒的磁流体加到储液池I中，开启压力系统，先后启动控制系统I、启动控制系统II，装置即开始工作，目标颗粒完成高效汇聚后由储液池II自动收集；微流控芯片中直通道的中间部分是颗粒汇聚区域，颗粒汇聚是在负磁泳效应和惯性效应的共同作用下完成；负磁泳效应：直通道两侧布置三对永磁铁，两两N极相对，且与直通道两侧保持相等距离，产生对称分布的磁场；在某振荡周期的任意单向流动中，含有样品颗粒的磁流体通过直通道，在非均匀磁场作用下，样品颗粒受到负磁泳力作用，负磁泳力Fmag表示为：其中，Vp为样品颗粒体积，χp为样品颗粒的磁化率，χf为磁流体的磁化率，μ0＝4π×10‑7H/m是真空磁导率，B为磁感应强度；直通道两侧均有磁场分布，负磁泳力推动样品颗粒在远离磁源的方向运动，即产生垂直于流动方向、指向直通道中线的侧向运动；惯性效应：根据流体力学原理，在较高流速流动中，样品颗粒会受到惯性升力作用，惯性升力由壁面升力和剪切梯度升力组成，其表达式为：其中，ρf代表磁流体密度，Um是通道中磁流体的平均流速，a为样品颗粒直径，Dh＝2WH/(W+H)代表直通道截面水力半径；fL代表净惯性升力系数，与流动雷诺数Rec和颗粒所处位置xc相关，雷诺数越高，颗粒离通道两侧越近，惯性升力越大；惯性升力亦推动样品颗粒，进行垂直于流动方向、指向通道中心区域的侧向运动。