專利名稱：微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)領(lǐng)域中的富集與分離方法及裝置，特別涉及一種微尺度顆粒特異性連續(xù)分離方法，特別適用于不帶電中性顆粒的特異性分離。
背景技術(shù)：
在目前絕大部分應(yīng)用中,所使用的介電電泳(Dielectrophoresis, DEP)力僅在空間上發(fā)生變化，而不隨時(shí)間的變化而改變，是一種時(shí)間上連續(xù)的力場(chǎng)即連續(xù)型DEP。利用這一技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了多種對(duì)顆粒進(jìn)行分離和單顆粒/細(xì)胞捕捉的微器件。下面將首先簡(jiǎn)要介紹這種時(shí)間上連續(xù)的DEP力場(chǎng)的研究，隨后闡述另外一種時(shí)間上不連續(xù)的DEP力場(chǎng)形式，脈沖型DEP的研究現(xiàn)狀。微尺度下，與其他的分離手段類似，基于連續(xù)型DEP力場(chǎng)的顆粒分離通 ?？梢员环譃槿缦聝深悤r(shí)域上的分離和空間上的分離。I)連續(xù)型介電電泳顆粒分離現(xiàn)狀 時(shí)域上的分離在這種分離模式中，樣品一般通過(guò)緩沖液被引入，樣品內(nèi)的顆粒由于運(yùn)動(dòng)能力上的差異在流動(dòng)方向逐漸分開(kāi)，依次通過(guò)下游放置的檢測(cè)器，最后從出口流出。例如，在DEP-FFF (Field-Flow Fractionation)方法1’2中，由于不同顆粒在垂直方向上承受不同的DEP力與重力，造成各自平衡位置的差異，它們將分別處于拋物線速度拋面的不同層，由此，顆粒具有了不同的移動(dòng)速度并最終形成分離，如圖I。圖I是已知的一種分離多種顆?；旌衔锏腄EP場(chǎng)流動(dòng)分離方法，在Fdepz和顆粒重力及浮力相互作用下，不同的顆粒將分別處于拋物線速度剖面的不同層，從而形成不同的移動(dòng)速度，流過(guò)一段距離后產(chǎn)生分離3。 空間上的分離在這種分離模式中，樣品在連續(xù)進(jìn)樣的情況下從進(jìn)口被引入，不同的顆粒在分離后呈現(xiàn)出與主流垂直的展向位置上的分布，可以通過(guò)預(yù)先設(shè)置不同的出口被收集。例如，通過(guò)微管道側(cè)壁上安放電極，在水平方向上引入與主流垂直的力，就可以利用不同顆粒在橫向運(yùn)動(dòng)能力上的差異進(jìn)行分離，這一類方法統(tǒng)稱為橫向DEP分離(LateralDielectrophoresis Separation)4-6，如圖 2 所不。圖2是一種分離多種顆?；旌衔锏臋M向DEP方法，在橫向DEP力的作用下顆粒具有不同的位置，在不同的出口處被收集，U為電壓，f為頻率6另外，通過(guò)在微管道內(nèi)部產(chǎn)生溶液電導(dǎo)率的梯度分布，不同表面特性的顆粒會(huì)在不同位置處得到零DEP力，以此為依據(jù)進(jìn)行的分離稱為等介電分離(Iso-dielectricSeparation)7，如圖3所不。圖3是分離多種顆?；旌衔锏牡冉殡姺蛛x方法7。圖中，(a)圖為實(shí)驗(yàn)布局由兩個(gè)進(jìn)口、一個(gè)建立電導(dǎo)率梯度的擴(kuò)散混合器、分離通道、成對(duì)角線排列的電極和兩個(gè)出口組成。(b)圖為實(shí)驗(yàn)過(guò)程不同電導(dǎo)率的細(xì)胞隨流體進(jìn)入有傾斜電極的微通道，DEP力和流體力相互作用使細(xì)胞運(yùn)動(dòng)到不同的展向位置，隨電導(dǎo)率的遞減方向到達(dá)等介電點(diǎn)，右圖是熒光聚苯乙烯顆粒在電極下偏移到達(dá)等介電點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀針對(duì)基于DEP的微流控芯片的研究，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量的研究工作。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的投入及硬件條件的改善，出現(xiàn)的一批很好的研究成果。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)主要包括清華大學(xué)、東南大學(xué)、中科院電子所、浙江大學(xué)、重慶大學(xué)和華中理工大學(xué)等。所涉及的主要研究?jī)?nèi)容主要包括發(fā)展新型的DEP控制方法8、設(shè)計(jì)新型DEP電極9、研究DEP應(yīng)用中涉及的一些基本理論1°_12以及尋找具體的應(yīng)用13，14等。 存在的問(wèn)題基于連續(xù)型DEP技術(shù)的顆粒分離與捕捉研究已有相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的研究積淀，積累了豐富的研究成果，但也存在一定的問(wèn)題；現(xiàn)有方法一般會(huì)產(chǎn)生順序分離 的效果，即所依賴的分離特性在分離后單調(diào)增加或減少，或者產(chǎn)生二元分離(圖4)的效果，即樣品根據(jù)所依賴的分離特性的臨界值被一分為二15。如果利用連續(xù)型DEP技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)顆粒物的提取，整個(gè)過(guò)程至少需要經(jīng)過(guò)兩次分離去完成，尚缺乏在連續(xù)進(jìn)樣條件下單步提取所需目標(biāo)顆粒物的能力和手段。圖4中，二元分離15，黑色和白色圓球表示兩種類型的顆粒；在電場(chǎng)打開(kāi)的時(shí)候黑色顆粒在正介電電泳力下被吸引至電極邊緣而白色顆粒隨流體流出圖(A);當(dāng)白色顆粒完全流出的時(shí)候，關(guān)掉電場(chǎng)，此時(shí)黑色顆粒也隨流體流出圖(B )。其次，忽略了顆粒間的相互作用導(dǎo)致分離效果較差。當(dāng)分離區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)兩類以上顆粒時(shí)，現(xiàn)有的采用調(diào)節(jié)流體粘性力與DEP力之間相對(duì)強(qiáng)度的辦法，大都忽略了顆粒間相互作用力，這些相互作用力伴隨電場(chǎng)和流場(chǎng)的存在而存在，不可避免。被沖走的顆粒將通過(guò)這種相互作用力對(duì)另一種顆粒產(chǎn)生影響，導(dǎo)致顆粒粘連，最終影響分離的純度。2)基于脈沖型DEP的顆粒分離研究現(xiàn)狀除了連續(xù)力場(chǎng)之外，時(shí)變力場(chǎng)也可以對(duì)顆粒進(jìn)行控制。例如，在熱/布朗運(yùn)動(dòng)棘輪(Thermal/Brownian Ratchet)中16’17，通過(guò)反復(fù)“開(kāi)”、“關(guān)” 一組非對(duì)稱電極可以產(chǎn)生間斷的吸引力，通過(guò)與熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的移動(dòng)。然而，對(duì)于微米或稍大的顆粒，由于分子熱運(yùn)動(dòng)不是很顯著，熱/布朗運(yùn)動(dòng)棘輪方法將不再適用。在宏觀系統(tǒng)中，巴西果效應(yīng)(Brazil Nut Effect, BNE)或振動(dòng)流化床是應(yīng)用時(shí)變力場(chǎng)進(jìn)行顆粒分離與富集的典型方法，是軟物質(zhì)和工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一18_2°。通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)外力的相對(duì)強(qiáng)度及頻率，可以實(shí)現(xiàn)不同尺寸顆?；旌衔镌谌萜鲀?nèi)的分層富集，形成普通的BNE效應(yīng)(大粒子居于最上層)、Reversed BNE效應(yīng)(大粒子居于最下層)以及介于兩者之間的Sandwich結(jié)構(gòu)(大粒子居于中間位置)。從上述兩個(gè)例子可以，時(shí)變力場(chǎng)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)意想不到的效果，將它引入微尺度顆粒的控制中，會(huì)有助于發(fā)展更為靈活的控制方式。因此，借鑒上述時(shí)變力場(chǎng)的思想，將開(kāi)關(guān)DEP方法即脈沖型DEP應(yīng)用到微米級(jí)顆粒的分離中21。 基于脈沖型DEP的顆粒分離研究現(xiàn)狀在由微通道和位于流道底部垂直于主流的條帶型電極構(gòu)成的微流控芯片上，利用流道頂部呈周期性分布的nDEP力場(chǎng)和拋物線的流體速度剖面，并以較低的頻率(〈10Hz)“開(kāi)”、“關(guān)^DEP力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了特定的顆粒分離，即脈沖型介電電泳顆粒分離技術(shù)。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在單步內(nèi)對(duì)3 ii m、5 ii m和10 ii m聚苯乙烯微球中任意一種進(jìn)行提取21。通過(guò)已建立的簡(jiǎn)化模型可以看出該方法是由基于強(qiáng)度的分離模式和基于速度分離模式共同作用的結(jié)果，通過(guò)頻率這個(gè)額外的參數(shù)可以靈活地控制流體和顆粒間的相互作用，而顆粒的最終狀態(tài)則取決于“收”和“放”的程度。 存在的問(wèn)題可以看出，脈沖型DEP技術(shù)已體現(xiàn)出不同于或強(qiáng)于連續(xù)型DEP的一些特點(diǎn)，但是對(duì)它的研究還停留在初期階段，仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，比如，僅開(kāi)展了針對(duì)聚苯乙烯微球或酵母菌的研究工作，需要通過(guò)更多的顆粒類型對(duì)該方法的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)；尚未實(shí)現(xiàn)在連續(xù)進(jìn)樣條件下顆粒的空間多路分離問(wèn)題；在已開(kāi)展的針對(duì)目標(biāo)顆粒物進(jìn)行提取的實(shí)驗(yàn)中，所使用的條帶型電極與主流方向垂直，所提取的顆粒物停留在電極的上游，而不需要的顆粒則被沖至下游，受限于電極的寬度，如果所提取的顆粒一旦占滿了整個(gè)電極或聚集成團(tuán)22，該方法就會(huì)失效，如圖5。這就意味著該方法僅能對(duì)非常微量的樣品進(jìn)行所需顆粒的提取，而解決這一問(wèn)題的途徑就是去建立一種在連續(xù)進(jìn)樣條件下針對(duì)任意目標(biāo)顆粒進(jìn)行提取的方法，而滿足這一條件的方法同時(shí)必然是一種可調(diào)多路分離方法。
圖5是電場(chǎng)和流場(chǎng)作用下的顆粒聚集22。其中圖(a)是微通道和叉指型電極實(shí)驗(yàn)裝置。圖(b)的左圖表示在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中顆粒呈“Y”字形聚集，圖(b)的右圖是數(shù)值仿真揭示顆粒在靜電場(chǎng)和流體作用下的聚集。以下是與本申請(qǐng)的相關(guān)參考文獻(xiàn)IWang XB, Yang J, Huang Y, Vykoukal J, Becker FF, GascoyneP.Cell separation by dielectrophoretic field-flow-fractionationJ.AnalChem. 2000. 72(4) : 832-839。2Huang Y,ffang XB,Becker FF,Gascoyne PR. Introducingdielectrophoresisas a new force field for field-flow fractionationJ
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種微尺度顆粒特異性分離方法，以解決顆粒的聚團(tuán)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)顆粒的連續(xù)可調(diào)多路分離。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種微尺度顆粒特異性分離方法，其特征在于，該方法采用微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，在連續(xù)進(jìn)樣條件下，通過(guò)整流速與脈沖頻率，以三種不同尺寸聚苯乙烯微球的混合物為例，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的多路分離。由于三種粒徑顆粒受到的DEP力和Stokes力不同，會(huì)運(yùn)動(dòng)到通道的不同展向位置。直接提取中等大小顆粒是這一方法的典型情況，此時(shí)，5 μ m會(huì)在流道上游始終沿著電極傾斜方向運(yùn)動(dòng),3 μ m顆粒由于粒徑較小基本隨著主流向前運(yùn)動(dòng)，而10 μ m顆粒受到電場(chǎng)和流場(chǎng)擾動(dòng)比較大，會(huì)運(yùn)動(dòng)到管道的另一偵牝從而使得三種顆粒從不同的出口流出，分別得到3μπι、5μπι和ΙΟμπι聚苯乙烯顆粒。通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，可以獲得對(duì)其他顆粒的提取。從而避免傳統(tǒng)方法提取中等顆粒至少需要兩次分尚的過(guò)程。所述的微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片包括緩沖液進(jìn)口和顆粒進(jìn)口，傾斜角度介于45度到60度之間的電極，3 μ m顆粒出口、10 μ m顆粒出口、5 μ m顆粒出口和微通道，其中，微通道上表面有PDMS，電極與外加的交變信號(hào)相連接。 本發(fā)明采用的微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，傾斜電極可以有效地克服垂直電極所產(chǎn)生的管道堵塞問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)高通量連續(xù)可調(diào)多路顆粒分離，且傾斜角度介于45度到60度之間分離效果最佳。


圖I是已知的一種分離多種顆?；旌衔锏腄EP場(chǎng)流動(dòng)分離方法示意圖。圖2是已知的一種分離多種顆粒混合物的橫向DEP方法示意圖。圖3是已知的分離多種顆粒混合物的等介電分離方法示意圖，圖中，Ca)圖為實(shí)驗(yàn)布局。(b)圖為實(shí)驗(yàn)過(guò)程。圖4為二元分離示意圖。其中圖(A)是在電場(chǎng)打開(kāi)的時(shí)候黑色顆粒在正介電電泳力下被吸引至電極邊緣而白色顆粒隨流體流出，圖(B)是當(dāng)白色顆粒完全流出的時(shí)候，關(guān)掉電場(chǎng)，此時(shí)黑色顆粒也隨流體流出。圖5是電場(chǎng)和流場(chǎng)作用下的顆粒聚集22。其中圖(a)是微通道和叉指型電極實(shí)驗(yàn)裝置。圖(b)的左圖表示在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中顆粒呈“Y”字形聚集，圖(b)的右圖是數(shù)值仿真揭示顆粒在靜電場(chǎng)和流體作用下的聚集。圖6是直徑5 μ m的顆粒在電場(chǎng)和流場(chǎng)共同作用下所產(chǎn)生的在流動(dòng)方向的速度分量。圖7是在電極傾斜60度時(shí)，得到的顆粒分離的結(jié)果圖片，其中，從左至右依次為Ca)圖片，t=5s ； (b)圖片，t=14s ； (c)圖片，t=24s。圖8是電極傾斜角度對(duì)于分離結(jié)果的影響。其中(a)圖是顆粒分離后展向間距(俯視圖)，(b)圖是不同夾角下3μπι與10 μ m顆粒分離結(jié)束后展向間距。圖9是微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的模型示意圖。圖10是微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片制備工藝流程圖。圖11是電極與通道鍵合以后的微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的圖片。圖12是5μπι顆粒與3μπι顆粒在傾斜電極下的運(yùn)動(dòng)圖片，其中，從左至右依次為t=0s ；t=8s ;t=23s。圖13是微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的具體結(jié)構(gòu)圖，其中，圖A是俯視圖，圖B為側(cè)視圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式按照本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的微尺度顆粒特異性分離方法，采用一種微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，在連續(xù)進(jìn)樣條件下，通過(guò)整流速與脈沖頻率，對(duì)三種不同尺寸聚苯乙烯微球混合物進(jìn)行連續(xù)可調(diào)多路分離，由于三種粒徑顆粒受到的DEP力和Stokes力不同，會(huì)運(yùn)動(dòng)到通道的不同展向位置，5 μ m顆粒會(huì)在流道上游始終沿著電極傾斜方向運(yùn)動(dòng)，3 μ m顆粒由于粒徑較小基本隨著主流向前運(yùn)動(dòng),而10 μ m顆粒受到電場(chǎng)和流場(chǎng)擾動(dòng)比較大，會(huì)運(yùn)動(dòng)到管道的另一側(cè)，從而使得三種顆粒從不同的出口流出，分別得到3 μ m、5 μ m和10 μ m聚苯乙烯顆粒。微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片 的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖13，包括緩沖液進(jìn)口 I和顆粒進(jìn)口 2，傾斜角度介于45度到60度之間的電極5，3 μ m顆粒出口 3、IOym顆粒出口 4、5μ m顆粒出口 6和微通道7，其中，微通道7上表面有PDMS (8)，電極5與外加的交變信號(hào)相連接。I)分離原理圖6給出了直徑5 μ m的顆粒在電場(chǎng)和流場(chǎng)共同作用下所產(chǎn)生的在流動(dòng)方向的速度分量。其中，顆粒速度中流場(chǎng)貢獻(xiàn)的部分為Uf，保持不變，顆粒速度中介電電泳力誘導(dǎo)的速度為Udep，沿流動(dòng)方向呈周期性分布，而顆粒的最終速度為兩部分之和，具有周期性且向上偏置了 Uf。若Udep的峰值大于Uf,圖6中將出現(xiàn)顆粒速度為零的點(diǎn)，意味著此時(shí)DEP足以克服Stokes力,保留該顆粒,這是本申請(qǐng)所研究的情形,若Udep的峰值小于Uf,此時(shí)顆粒速度全部大于零，沒(méi)有交點(diǎn)，意味著流場(chǎng)主導(dǎo)，顆粒將被沖至下游。在圖6中，UDEP+Uf與速度為零的線有兩個(gè)交點(diǎn)，根據(jù)方向的不同分別稱為穩(wěn)定點(diǎn)與分離點(diǎn)。在穩(wěn)定點(diǎn)，顆粒上下游的速度均指向該點(diǎn)，即使在存在擾動(dòng)的情況下，顆粒仍穩(wěn)定處于該位置；在分離點(diǎn)，盡管該點(diǎn)速度為零，但上下游速度指向相反，在有擾動(dòng)存在的情況下，顆粒會(huì)失穩(wěn)，向上下游的穩(wěn)定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)態(tài)分離過(guò)程中，分離點(diǎn)具有重要的作用?？紤]初始電場(chǎng)為“開(kāi)”狀態(tài)且DEP力足夠大時(shí)，此時(shí)顆粒將停留在穩(wěn)定點(diǎn)，隨后研究開(kāi)關(guān)DEP力場(chǎng)過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)DEP力場(chǎng)關(guān)閉后，顆粒僅受到流場(chǎng)的Stokes力作用，開(kāi)始向下游運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間后再打開(kāi)DEP力場(chǎng)。如果顆粒此時(shí)運(yùn)動(dòng)至分離點(diǎn)上游側(cè)，那么它將在指向左側(cè)的DEP力的作用下被推回到初始位置；如果顆粒運(yùn)動(dòng)到分離點(diǎn)下游側(cè)，那么DEP打開(kāi)時(shí)，顆粒將被指向右側(cè)的DEP力推至下游另一穩(wěn)定點(diǎn)。因此，通過(guò)調(diào)整DEP開(kāi)關(guān)的周期，顆粒就有可能經(jīng)歷在穩(wěn)定點(diǎn)附近的振蕩或產(chǎn)生向下游的凈運(yùn)動(dòng)。需要指出，在傳統(tǒng)的連續(xù)型DEP中，被保留的顆粒始終處于穩(wěn)定點(diǎn)，DEP力連續(xù)作用在目標(biāo)顆粒上，顆粒沒(méi)有機(jī)會(huì)運(yùn)動(dòng)到分離點(diǎn)，因此對(duì)該位置的研究通常沒(méi)有涉及。圖6中，各速度間的關(guān)系為UDEP為單純電場(chǎng)作用于顆粒上的速度;Uf為單純流體的速度；UDEP+Uf為電場(chǎng)和流場(chǎng)同時(shí)作用于顆粒所獲得的速度。2)通過(guò)數(shù)值仿真得到了連續(xù)可調(diào)多路的顆粒分離結(jié)果在電極傾斜60度時(shí)，得到了顆粒分離的結(jié)果(如圖7)，通過(guò)定義顆粒分離后的展向間距Λ d，并用此參數(shù)衡量顆粒分離后的純度，證明了電極傾斜角度在45度到60度時(shí)分離效果較理想(如圖8)。圖7中，連續(xù)進(jìn)樣、傾斜電極下顆粒在不同時(shí)刻所處的位置(俯視圖)；黑色條帶是電極，白色為兩電極之間的絕緣部分，三種圓球分別為直徑是3 μ m、5 μ m和10 μ m的聚苯乙烯顆粒,平均流速30 μ m/s,電壓8V,周期2. 4s。圖8是電極傾斜角度對(duì)于分離結(jié)果的影響。(a)圖顆粒分離后展向間距(俯視圖)，灰色條狀為流道底部叉指分布的電極，β為電極傾斜角度，Ad為分離后3μηι顆粒與10 μ m顆粒在展向位置上的中心間距；(b)圖不同夾角下3μπι與10 μ m顆粒分離結(jié)束后展向間距；圖中曲線由多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合而得，計(jì)算參數(shù)為平均流速30 μ m/s,流道寬度100 μ m03)在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。a.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖9是微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的模型示意圖(俯視圖)，主要由緩沖液進(jìn)口、出口、顆粒懸浮液進(jìn)口(微通道)和電極組成，圖中的灰色條狀表示電極，三種小球表示3 μ m、5 μ m和10 μ m的聚苯乙烯顆粒，電極傾斜60度。在進(jìn)口處，由于緩沖液進(jìn)口速度大于顆粒懸浮液進(jìn)口速度，導(dǎo)致顆粒被引導(dǎo)至通道一側(cè)，在nDEP力的作用下，由于各自運(yùn)動(dòng)能力和所受nDEP力的差異,5 μ m顆粒保留在流道上游,3 μ m和10 μ m顆粒進(jìn)入不同的通道出口；b.根據(jù)以上微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，利用圖10所示的工藝流程進(jìn)行制備，主要包括電極和流道的制備兩個(gè)部分，其中電極制備包括的步驟有用傳統(tǒng)的方法將ITO玻璃清洗(去離子水、丙酮)，N2或壓縮空氣吹干，涂膠(NR9-1000p)，均膠(800r/min，加速5s，旋轉(zhuǎn)10s)，150°C前烘6min，曝光40s (不同光強(qiáng)曝光時(shí)間不同)，100°C后烘6min，RD6顯影20s，刻蝕6_8min，用RR41去膠液去膠l_2min，沖洗(去離子水)N2或壓縮空氣吹干，得到ITO電極。流道制備包括的步驟有硅片涂膠(SU-8T2025)均膠第一級(jí)(800r/min，加速5s，旋轉(zhuǎn) IOs);第二級(jí)(3000r/min，加速 10s，旋轉(zhuǎn) 30s);先 65°C烘干 lmin，再 95°C烘干 6min ；曝光80s (不同光強(qiáng)曝光時(shí)間不同),SU-8顯影液4-5min,異丙醇、去離子水沖洗/N2或壓縮空氣吹干；65°C烘烤30min-60min ；將PDMS與固化劑按10:1混合，混合后抽真空30min，將PDMS澆筑到烘烤后的硅片上,放置24h或烘烤l_2h。按照?qǐng)D10的制備工藝，最后將ITO電極和硅片(通道)鍵合，加工得到了微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的結(jié)構(gòu)如圖11所示，在圖11中，引線通過(guò)導(dǎo)電膠帶與ITO電極連接在一起。通過(guò)調(diào)整微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片的流速與脈沖頻率，得到了 5 μ m顆粒與3 μ m顆粒在傾斜電極下的運(yùn)動(dòng),如從圖12中可看出，5 μ m的顆粒始終沿著電極傾斜方向運(yùn)動(dòng)，由圖12可知，Stokes力的兩個(gè)分量中垂直于電極方向的分量與DEP力相互抵消，另一個(gè)分量促使5 μ m的顆粒沿著傾斜電極運(yùn)動(dòng)。在同一電壓和流速下，3 μ m顆粒由于粒徑較小,DEP力相比于Stokes力很小，電場(chǎng)對(duì)于3 μ m顆粒的運(yùn)動(dòng)影響較微弱，其基本是隨著主流的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。這和數(shù)值仿真得到的結(jié)果基本一致。圖12中，5μπι顆粒被保留，3μπι顆粒被釋放(俯視圖)。圖中白色圓圈內(nèi)為5μπι聚苯乙烯顆粒，黑色圓圈內(nèi)為3 μ m聚苯乙烯顆粒，灰色條帶型的陰影部分即位于流道底部呈叉指型分布的電極，電極傾斜60度,主流的流動(dòng)方向如圖所示，f = I. 5Hz, V = 17Vpp,Vflow=20 μ L/ho以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例。通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)并加工了微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，具體結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D10的制備工藝制成(如圖13所示)，主要包括緩沖液進(jìn)口 I、顆粒進(jìn)口 2、3μπι顆粒出口 3、10 μ m顆粒出口 4、電極5、5 μ m顆粒出口 6、微通道7、PDMS(8)。使用時(shí)，電極5與外加的交變信號(hào)相連接，通過(guò)緩沖液進(jìn)口 I將顆粒導(dǎo)至通道一側(cè)，在脈沖電場(chǎng)和流場(chǎng)的共同作用下，由于三種粒徑顆粒受到的DEP力和Stokes力不同，會(huì)運(yùn)動(dòng)到通道的不同展向位置，5 μ m顆粒會(huì)在流道上游始終沿著電極5傾斜方向運(yùn)動(dòng)，3 μ m顆粒由于粒徑較小基本隨著主流向前運(yùn)動(dòng)，而10 μ m顆粒受到電場(chǎng)和流場(chǎng)擾動(dòng)比較大，會(huì)運(yùn)動(dòng)到管道的另一側(cè)，從而使得三種顆粒從不同的出口流出。其中，電極5傾斜角度為60度，且微通 道7高度為30 μ m。微通道7上表面為PDMS (8)，由于PDMS的厚度太薄會(huì)影響微通道內(nèi)的電場(chǎng)分布及顆粒的引入，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到其最小厚度必須大于20 μ m。
權(quán)利要求
1.一種微尺度顆粒特異性分離方法，其特征在于，該方法采用微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，在連續(xù)進(jìn)樣條件下，通過(guò)整流體流速、電場(chǎng)強(qiáng)度與脈沖頻率，對(duì)三種不同尺寸聚苯乙烯微球混合物進(jìn)行連續(xù)可調(diào)多路分離，由于三種粒徑顆粒受到的DEP力和Stokes力不同，會(huì)運(yùn)動(dòng)到通道的不同展向位置；所提取的顆粒類型可通過(guò)控制參數(shù)的調(diào)整任意改變，在電場(chǎng)、流場(chǎng)參數(shù)匹配時(shí)，中等的5 y m顆粒會(huì)在流道上游始終沿著電極傾斜方向運(yùn)動(dòng)，3 ii m顆粒由于粒徑較小基本隨著主流向前運(yùn)動(dòng),而10 ii m顆粒受到電場(chǎng)和流場(chǎng)擾動(dòng)比較大，會(huì)運(yùn)動(dòng)到管道的另一側(cè)，從而使得三種顆粒從不同的出口流出，分別得到3 u m、5 u m和10 y m聚苯乙烯顆粒。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片包括緩沖液進(jìn)口(I)和顆粒進(jìn)口(2)，傾斜角度介于45度到60度之間的電極(5)，311111顆粒出口(3)、1011111顆粒出口(4)、511111顆粒出口(6)和微通道(7)，其中，微通道(7)上表面有PDMS (8)，電極(5)與外加的交變信號(hào)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微尺度顆粒特異性分離方法，該方法采用微尺度顆粒特異性連續(xù)分離的介電電泳微流控芯片，在連續(xù)進(jìn)樣條件下，通過(guò)整流體流速、電場(chǎng)強(qiáng)度與脈沖頻率，對(duì)三種不同尺寸聚苯乙烯微球混合物進(jìn)行連續(xù)可調(diào)多路分離，由于三種粒徑顆粒受到的DEP力和Stokes力不同，會(huì)運(yùn)動(dòng)到通道的不同展向位置；所提取的顆粒類型可通過(guò)控制參數(shù)的調(diào)整任意改變，在電場(chǎng)、流場(chǎng)參數(shù)匹配時(shí)，中等的5μm顆粒會(huì)在流道上游始終沿著電極傾斜方向運(yùn)動(dòng)，3μm顆粒由于粒徑較小基本隨著主流向前運(yùn)動(dòng)，而10μm顆粒受到電場(chǎng)和流場(chǎng)擾動(dòng)比較大，會(huì)運(yùn)動(dòng)到管道的另一側(cè)，從而使得三種顆粒從不同的出口流出，分別得到3μm、5μm和10μm聚苯乙烯顆粒。
文檔編號(hào)B01D57/02GK102961966SQ20121050587
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者劉順東, 崔海航, 張鴻雁 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)