一種基于界面效應的微納顆粒分離系統的制作方法

本發明涉及微納顆粒分離技術領域，尤其涉及一種基于牛頓流體與非牛頓流體界面效應的微納顆粒分離系統。

背景技術：

隨著微納米技術的發展以及微納米材料在多個學科領域的廣泛應用，傳統的分離原理和設備在微納米顆粒的分離中受到了各種限制，分離效果并不理想，尋求一種微納米粒子有效的分離技術尤為關鍵。常用的微納米顆粒分離方法主要分為兩大類：接觸式和非接觸式；接觸式微納米顆粒分離具有不連續性，在操作過程中需要加入其它材料；非接觸式微納米顆粒分離不需添加其它材料，避免產生污染且操作連續；現有技術中常見的分離方法有超速離心、孔膜過濾、特異性免疫吸附等，這些分離方法通常會造成亞微米納米顆粒的損失。

現有技術中也包含通過分牛頓流體的粘彈性力對通道內的顆粒進行分離的技術方案，中國專利公開號：105772116a，公開了一種基于非牛頓效應聚焦分離微納米顆粒和細胞的系統及方法，包括非牛頓流體、微流控單元、分離出口，利用顆粒在非牛頓流體中的粘彈性力分離不同粒徑的顆粒，通過在流體通道中流過，達到分離效果。

但上述技術方案中，利用顆粒在非牛頓流體中受到單一的粘彈性力作用分離顆粒，由于不同粒徑的顆粒受到單一力的作用，受力大小呈連續性，在分離時，尺寸相差較小的粒徑不能夠分離或分離紊亂,分離后的純度不高；

再者，在流動的流體中分離顆粒，由于顆粒分離需具有適當的間距，而顆粒受到單一力的作用，需要較長的通道才能明顯分離，因此，對分離通道也即微流控芯片的尺寸有要求；

最后，由于采用單一的非牛頓流體分離顆粒，在分離通道末端通過分叉分叉出口分離，而同一非牛頓流體在流經不同的分叉出口時，由于液體中相同的作用力往往造成分流紊亂，不同直徑顆粒產生混合，分離顆粒效果降低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于界面效應的微納顆粒分離系統，用以克服上述技術缺陷。

為實現上述目的，本發明提供一種基于界面效應的微納顆粒分離系統，所述系統包括：控制非牛頓流體和包含微納米顆粒的牛頓流體輸送的控制單元；

受所述控制單元控制，為所述非牛頓流體和牛頓流體輸送提供動力的動力單元；

包含分離通道的分離單元，所述分離單元通過管道與動力單元連通，所述分離通道流過所述非牛頓流體和包含微納米顆粒的所述牛頓流體，兩種流體之間形成使微納米顆粒同時受慣性力和粘彈性力作用而分離的至少一接觸界面；

設置在所述分離單元的末端，對分離后的不同直徑的微納米顆粒進行收集的收集單元。

進一步地，所述分離通道的中間流通非牛頓流體，所述非牛頓流體兩側、與分離通道的兩側壁處流通牛頓流體，以在所述牛頓流體和非牛頓流體之間形成兩個接觸界面。

進一步地，所述分離單元設置在一微流控芯片上，所述分離單元包括：

設置在所述微流控芯片上的牛頓流體注入口；

與所述牛頓流體注入口通過第一連通管道連通，對所述牛頓流體分流的分流區域；

設置在所述分流區域內的非牛頓流體注入區域，所述非牛頓流體注入區域通過第二連通管道與分流區域連通；

設置在所述分流區域與分離通道的連接處，將非牛頓流體和牛頓流體匯流的匯流區域。

進一步地，所述非牛頓流體注入區域包括注入平臺，設置在所述注入平臺的非牛頓流體注入口，非牛頓流體注入口與所述第二連通管道連通。

進一步地，所述分流區域包括環繞所述注入平臺的環繞通道，所述牛頓流體從第一連通管道進入環繞通道，并沿環繞通道流經至第二連通管道處，與從非牛頓流體注入口流出的非牛頓流體匯合，進而流經所述的分離通道進行分離。

進一步地，所述分離單元還包括設置在分離通道的末端的若干分叉出口，分別為設置在外側的小顆粒出口、設置在中間的大顆粒出口以及設置在小顆粒出口和大顆粒出口之間的中顆粒出口。

進一步地，在牛頓流體與非牛頓流體的接觸界面顆粒的受力由下述公式(1)所示的動力學模型確定：

res＝ρa|u-vp|/η(3)

其中，a是顆粒直徑，u是工作流體的速度矢量，vp是工作流體中亞微米納米顆粒的速度矢量，cd為粘性系數可根據公式(2求得，其中a1、a2、a3是常數，res為相對雷諾數，可根據公式(3)求得，g是重力加速，ρp是顆粒密度，ρ是流體密度，fe是彈性力矢量，fl是慣性力。

進一步地，在牛頓流體中顆粒的受力由下述公式(4)所示的動力學模型確定：

在非牛頓流體中顆粒的受力由下述公式(5)所示的動力學模型確定：

其中，a是顆粒直徑，vp是工作流體中亞微米納米顆粒的速度矢量，g是重力加速，ρp是顆粒密度，ρ是流體密度，fe是彈性力矢量，fl是慣性力。

進一步地，所述非牛頓流體注入口通過非牛頓流體主干路與各個非牛頓流體支路連通；

所述牛頓流體注入口通過牛頓流體主干路與各個牛頓流體支路連通。

進一步地，所述微流控芯片的制作過程為：

步驟s1，模板制備：在硅片上用su-8光刻膠制備模板，通過軟刻蝕技術在模板上刻蝕所需微通道的三維立體結構；

步驟s2，通道形成：將液態pdms與適量固化劑均勻混合后，均勻地澆筑在模板上，并在一定溫度下經過一定時間固化，從模板上剝離得到包含微通道的芯片；

步驟s3，芯片封接：用等離子體束將含有微通道的芯片鍵合在玻璃或硅基底上，封合芯片并連接芯片出口和入口，再烘烤進行加固。

與現有技術相比本發明的有益效果在于，本發明基于界面效應的微納顆粒分離系統通過利用不同顆粒在牛頓流體和非牛頓流體的界面受到方向相反的粘彈性力和慣性力的作用，分離不同大小的顆粒，本發明采用界面效應具有更高的分辨率,能夠分離尺寸相近的顆粒。

再者，本發明在微流控芯片上設置牛頓流體分流區域、非牛頓流體區域，并設置分流區域將牛頓流體分流，最終分離通道的中間流通非牛頓流體，而非牛頓流體兩側、與分離通道的兩側壁接觸的為牛頓流體，這樣，在分離通道內，牛頓流體和非牛頓流體之間形成兩個接觸界面，更有利于大小顆粒的分離。

較佳的，本發明的分離通道可通過增加寬度和改變長度，來實現多種類型尺寸的顆粒的分離；在分離通道上設置內、中、外或者更多流體出口，增加分離通道的寬度，為大小顆粒的分離提供充足的位置空間，大小顆粒聚積的區域距離較大，容易分離和收集。

較佳的，本發明可通過調整分離單元的結構參數、非牛頓流體的濃度及牛頓流體和非牛頓流體的流速和流速比，來實現不同大小的微米納米顆粒的分離，分離效果更佳。

較佳的，本發明純水為牛頓流體，所述非牛頓流體為在水中加入高分子聚合物使之具有非牛頓效應，從而稱之為非牛頓流體；所述高分子聚合物為人工合成或天然的，本系統不利用特異性反應、外加物理場，具有制作和操作簡單、成本低廉的優點。

最后，本發明微流控芯片提供預設濃度和流量的牛頓流體和非牛頓流體，在微流控芯片上設置各個并行聯結的分離通道，可大大提高系統的通量。

附圖說明

圖1為本發明的基于界面效應的微納顆粒分離系統的功能框圖；

圖2為本發明的微流控芯片的立體結構示意圖；

圖3為本發明的分離通道的顆粒受力和分離示意圖；

圖4為本發明的分離通道的立體結構示意圖；

圖5為本發明的分離通道的剖視結構示意圖；

圖6為本發明的基于界面效應的微納顆粒分離系統的結構示意圖；

圖7為本發明的微流控芯片的一種制作流程示意圖；

圖8為本發明的分離1um和2um顆粒用的分離通道的結構示意圖；

圖9為本發明的分離1um和2um顆粒用的分離通道的分離效果圖；

圖10為本發明實施例中分離1um和2um顆粒的效果統計圖；

圖11為本發明實施例中血小板和細菌的分離效率效果圖；

圖12為本發明實施例中血小板和細菌的分離效果統計圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。

下面參照附圖來描述本發明的優選實施方式。本領域技術人員應當理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發明的技術原理，并非旨在限制本發明的保護范圍。

需要說明的是，在本發明的描述中，術語“上”、“下”、“左”、“右”、“內”、“外”等指示的方向或位置關系的術語是基于附圖所示的方向或位置關系，這僅僅是為了便于描述，而不是指示或暗示所述裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，還需要說明的是，在本發明的描述中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域技術人員而言，可根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

請參閱圖1和2所示，其分別為本發明的基于界面效應的微納顆粒分離系統的功能框圖和微流控芯片的立體結構示意圖，本系統包括：

控制包含微納米顆粒的牛頓流體和非牛頓流體輸送的控制單元；

受所述控制單元控制，為所述牛頓流體和非牛頓流體輸送提供動力的動力單元；

包含分離通道31的分離單元，所述分離單元通過管道與動力單元連通，所述分離通道31流過所述非牛頓流體和包含微納米顆粒的所述牛頓流體，兩種流體之間形成使微納米顆粒同時受慣性力和粘彈性力作用而分離的至少一接觸界面；

設置在所述分離單元的末端，對分離后的不同直徑的微納米顆粒進行收集的收集單元。

具體而言，所述分離通道內有序流過牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體和非牛頓流體產生接觸界面，微納米顆粒在界面同時受方向相反的慣性力和粘彈性力作用；在流動的牛頓流體中顆粒在分離通道中會受到慣性力的作用，該力會使顆粒遠離壁面并匯聚在通道的某一位置，而在流動的非牛頓流體中，顆粒除了會受到慣性力的作用還會受到粘彈性力的作用，所述粘彈性力指向分離通道的中心位置；由于兩種作用力均與顆粒直徑相關，不同顆粒受到不同的作用力，牛頓流體和非牛頓流體的接觸界面阻礙小顆粒進入牛頓流體中，而使大顆粒進入非牛頓流體中，從而實現不同大小的微米納米顆粒的分離。

請結合圖2所示，其為本發明的微流控芯片的立體結構示意圖，本實施例中，所述分離單元設置在一微流控芯片1上，分離單元包括：

設置在所述微流控芯片1上的牛頓流體注入口11；

與所述牛頓流體注入口11通過第一連通管道12連通，對所述牛頓流體分流的分流區域10；

設置在所述分流區域10內的非牛頓流體注入區域，所述非牛頓流體注入區域通過第二連通管道22與分流區域10連通；

設置在所述分流區域10與分離通道31的連接處，將非牛頓流體和牛頓流體匯流的匯流區域14，所述分流區域10、匯流區域14和分離通道31順次連通，將非牛頓流體和牛頓流體導入分離通道中進行分離。

具體而言，為了增強微納米顆粒的分離效果，保證大顆粒能夠匯集在非牛頓流體的中間位置，本實施例分離通道31的中間流通非牛頓流體，而非牛頓流體兩側、與分離通道31的兩側壁接觸的為牛頓流體；這樣，在分離通道31內，牛頓流體和非牛頓流體之間形成兩個接觸界面，更有利于大小顆粒的分離。本領域技術人員可以理解的是，即使不對牛頓流體分流，將單層的牛頓流體和非牛頓流體置入分離通道31中，由于形成一個接觸界面，也能夠實現大小顆粒的分離；顯然，牛頓流體和非牛頓流體可以相間布置，在接觸處形成多個界面，而不受界面層數的限制。

相應的，本實施例的所述非牛頓流體注入區域包括注入平臺23，設置在所述注入平臺23的非牛頓流體注入口21，非牛頓流體注入口21與所述第二連通管道22連通。

相應的，所述分流區域10包括環繞所述注入平臺23的環繞通道13，牛頓流體從第一連通管道12進入環繞通道13，并沿環繞通道13流經至第二連通管道22處，與從非牛頓流體注入口21流出的非牛頓流體匯合，進而流經所述的分離通道31進行分離。本領域技術人員可以理解的是，所述第一連通管道12、第二連通管道22、牛頓流體注入口11、從非牛頓流體注入口21均為開設在所述微流控芯片1上的凹槽或凹口，允許流體通過；顯然，上述結構均可通過獨立的管路替換。

具體而言，本實施例的分離單元還包括設置在分離通道31的末端的若干分叉出口，在本實施例中，分別為設置在外側的小顆粒出口41、設置在中間的大顆粒出口43以及設置在小顆粒出口41和大顆粒出口43之間的中顆粒出口42；每一顆粒出口與分離通道對應的不同直徑顆粒停留位置相對應。本領域技術人員可以理解的是，分叉出口的數量根據需要設置，在設置單一的接觸界面時，也設置三種出口；顯然，也可設置大小顆粒分離的兩種出口，或者，增加顆粒分離的精細度，設置三個及以上的出口。

較佳的，分離通道31的橫截面可為矩形、梯形、圓形等，只要能夠滿足牛頓流體和非牛頓流體產生界面。

請參閱圖3所示，其為本發明的分離通道的顆粒受力和分離示意圖，對應于圖2中的區域a、區域b、區域c三處位置，圖3所示為在三處位置的顆粒受力和運動方向示意圖,該圖為俯視圖。圖示中，箭頭所指方向為流體流動方向，中間液體為非牛頓流體，兩側為牛頓流體。在區域a處，大小顆粒在牛頓流體中，均受指向非牛頓流體方向的為慣性力作用，如圖中箭頭所示；區域b中，大小顆粒在牛頓流體和非牛頓流體的接觸界面，均受指向非牛頓流體方向的為慣性力和指向牛頓流體方向的為粘彈性力，由于兩作用力存在大小不同，大顆粒向非牛頓流體方向移動；在區域c中，大顆粒運動至非牛頓流體中，同時受指向非牛頓流體方向的為慣性力和指向流體通過中心的粘彈性力，此時兩作用力受力方向相同，加速大顆粒的移動，而小顆粒停留在接觸界面，大小顆粒之間還有中顆粒移動，分布于大顆粒和小顆粒之間。

具體而言，當顆粒在所述的界面上時，顆粒受到的粘彈性力指向牛頓流體的方向，與慣性力的方向相反；由于慣性力的大小與顆粒直徑的四次方成正比，粘彈性力的大小與顆粒直徑的三次方成正比。因此在特定的條件下大顆粒能夠進入非牛頓流體中而小顆粒則只能處在非牛頓流體中或牛頓流體和非牛頓流體的界面上。

在牛頓流體中顆粒的受力由下述公式(1)所示的動力學模型確定：

在非牛頓流體中顆粒的受力由下述公式(2)所示的動力學模型確定：

在牛頓流體與非牛頓流體的接觸界面顆粒的受力由下述公式(3)所示的動力學模型確定：

res＝ρa|u-vp|/η(5)

其中，a是顆粒直徑，u是工作流體的速度矢量，vp是工作流體中亞微米納米顆粒的速度矢量，cd為粘性系數可根據公式(4)求得，其中a1、a2、a3是常數，res為相對雷諾數，可根據公式(5)求得，g是重力加速，ρp是顆粒密度，ρ是流體密度，fe是彈性力矢量，fl是慣性力矢量。

彈性力為：

其中，fe(wi,xl)為與維森博格數(也可為德伯哈數)和顆粒在通道截面的位置相關的函數，n為主應力差與剪切率的平方成正比。

慣性力為：

fl＝(cwa³+cs)ρu²a³/dh(7)

其中cw、cs分別是壁面作用力系數和剪切率作用力系數，dh為通道的水利直徑。

請參閱圖4-5所示，其為本發明的分離通道的立體結構和剖視結構示意圖，本實施例可以通過提高分離通道的高度31，之后將通道放倒，這樣能夠在很大程度上增大牛頓流體和非牛頓流體間的界面從而提高通量，大大提高本發明的分離效率。本領域技術人員可以理解的是，提高分離通道的高度31，為大小顆粒的分離提供充足的位置空間，大小顆粒聚積的區域距離較大，容易分離和收集；同時，適當調整分離通道31的長度也能夠提高分離效率。

請參閱圖6所示，其為本發明的基于界面效應的微納顆粒分離系統的結構示意圖，控制單元5、動力單元6為向所述微流控芯片提供預設濃度和流量的牛頓流體和非牛頓流體，各個分離通道31并行聯結，可大大提高系統的通量。

具體而言，動力單元6通過非牛頓流體注入口21注入微流控芯片，非牛頓流體注入口21通過非牛頓流體主干路121與各個非牛頓流體支路122連通；同樣，牛頓流體注入口11通過牛頓流體主干路111與各個牛頓流體支路112連通。牛頓流體和非牛頓流體流向各個分離通道分支7，各個分離通道分支7完成分離，并通過收集單元完成收集。顯然，各個分支上的小顆粒出口41、設置在中間的大顆粒出口43以及設置在小顆粒出口41和大顆粒出口43之間的中顆粒出口42，分別連通，最終通過統一的收集口完成收集。

具體而言，所述控制單元為pc控制器、plc控制器、單片機控制器等，動力單元為注射泵、蠕動泵等液體泵送裝置，本實施例所用的控制單元和動力單元為，單片機控制的注射泵。本領域技術人員可以理解的是，動力單元還可以用重力場或者其他物理場使液體流入到分離通道中，只需滿足分別將牛頓流體和非牛頓流體分別注入分離通道中，并可控制流體的流速即可。

具體而言，所述收集單元為液體儲存裝置，可用試管、玻璃瓶、塑料袋等液體存儲物品與微流控芯片的不同出口通過管道相連，從而收集不同大小的顆粒。

具體而言，所述微流控芯片可由聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)等制作；微流控芯片的制作過程采用以軟刻蝕法為代表的常規的微流控芯片制作方法，首先在玻璃片或者單晶硅片上光刻得到芯片圖形，通過模板來實現圖案的轉移和復制形成包含平面或曲面上的亞微米納米圖案的微流控芯片。

請參閱圖7所示，其為本發明的微流控芯片的制作流程示意圖，該過程包括：

步驟s1，模板制備：在硅片上用su-8光刻膠制備模板，通過軟刻蝕技術在模板上刻蝕所需微通道的三維立體結構；

步驟s2，通道形成：將液態pdms與適量固化劑均勻混合后，均勻地澆筑在模板上，并在一定溫度下經過一定時間固化，從模板上剝離得到包含微通道的芯片；

步驟s3，芯片封接：用等離子體束將含有微通道的芯片鍵合在玻璃或硅基底上，封合芯片并連接芯片出口和入口，再烘烤進行加固。

請參閱圖8-9所示，其為本發明的分離1um和2um顆粒用的分離通道結構和分離效果圖，其中圖9中，通道出口兩側的兩條軌跡線為1um顆粒，中間的兩條軌跡線為2um顆粒；圖中的牛頓流體為1um和2um顆粒的混合溶液。具體實施流程：配制非牛頓流體，在水中加入高分子材料可形成具有非牛頓效應的非牛頓流體，高分子材料可為人工合成或天然高分子材料，本實施例中的高分子材料為peo，分子量在10萬到400萬之間，濃度在10-2000ppm之間；將配制成的非牛頓流體通過所述動力單元通入到分離通道31的非牛頓流體入口21，將混合有1um和2um微球(聚苯乙烯微球)的牛頓流體通入牛頓流體入口11。通過所述的控制單元調節兩種流體的流量，其中牛頓流體的流速為0.3ml/h，非牛頓流體的力量為2.4ml/h，通過顯微鏡觀察出口處不同粒徑的顆粒所在通道的位置。從圖9所示分離效果圖可知，不同直徑的顆粒通過分離通道完整分離，大小顆粒分別聚積，通過不同位置的分叉出口流出。圖10所示，為本發明實施例中分離1um和2um顆粒的效果統計圖；其中，1微米和2微米顆粒的分離效率分別為：99.87％和98.96％；1微米和2微米顆粒的分離純度分別為：99.74％和99.80％。

請參閱圖11和12所示，圖11所示為圖11為本發明實施例中血小板和細菌的分離效率效果圖；圖12為本發明實施例中血小板和細菌的分離效果統計圖；圖11中，中間顆粒為血小板顆粒，兩側顆粒為球菌顆粒，分離效果明顯；圖12中，血小板和細菌的分離效率分別為：97.2％和100％；血小板和細菌的分離純度分別為：100％和91.16％

至此，已經結合附圖所示的優選實施方式描述了本發明的技術方案，但是，本領域技術人員容易理解的是，本發明的保護范圍顯然不局限于這些具體實施方式。在不偏離本發明的原理的前提下，本領域技術人員可以對相關技術特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術方案都將落入本發明的保護范圍之內。