本發(fā)明屬于微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種慣性聚焦微流控芯片。

背景技術(shù)：

文獻(xiàn)“threedimensional,sheathless,andhigh‐throughputmicroparticleinertialfocusingthroughgeometry‐inducedsecondaryflows[j].small,2013,9(5):685-690.”公開(kāi)了一種基于幾何結(jié)構(gòu)引起二次流的慣性聚焦芯片。該芯片采用了一種帶有單側(cè)臺(tái)階的微通道結(jié)構(gòu)，通道截面在臺(tái)階邊緣發(fā)生突變，通道內(nèi)的流體會(huì)在突變處發(fā)生彎曲，形成彎曲流，從而產(chǎn)生了幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流。同時(shí)，由于慣性效應(yīng)，微通道中的微粒受到流體流動(dòng)的影響，在經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)之后，會(huì)逐漸遷移到某幾個(gè)固定位置處。通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)引起二次流的引導(dǎo)作用和流體的慣性效應(yīng)，微粒會(huì)逐漸運(yùn)動(dòng)到單一的穩(wěn)定位置，實(shí)現(xiàn)良好的聚焦效果和聚焦效率。文獻(xiàn)中公開(kāi)的基于單一二次流的慣性聚焦方法，其二次流強(qiáng)度通常較弱，引導(dǎo)作用不明顯?；谠摲椒ㄋO(shè)計(jì)的微通道結(jié)構(gòu)，其截面尺寸較小(84μm×41.5μm)，通道長(zhǎng)度較長(zhǎng)(50mm)，微粒的懸浮液在微通道中流動(dòng)時(shí)會(huì)受到很高的流動(dòng)阻力，因此在驅(qū)動(dòng)液體時(shí)需要較高的驅(qū)動(dòng)壓力；同時(shí)，較小的截面尺寸和較長(zhǎng)通道長(zhǎng)度也會(huì)增加微粒堵塞微通道的概率，實(shí)驗(yàn)成功率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有慣性聚焦方法中存在的單一二次流引導(dǎo)效率低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種能夠增加二次流強(qiáng)度的慣性聚焦方法。該方法同時(shí)利用兩種已知的二次流：彎曲通道產(chǎn)生的迪恩流和突變通道產(chǎn)生的幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流，并使這兩種二次流相互疊加，從而增加二次流的強(qiáng)度，提高其引導(dǎo)效率，可以保證在二次流強(qiáng)度增加的同時(shí)擴(kuò)大微通道的截面積和縮小微通道的長(zhǎng)度，從而降低了流體的驅(qū)動(dòng)壓力和微通道堵塞的概率，進(jìn)一步提高慣性聚焦的效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于增強(qiáng)型二次流的慣性聚焦芯片，由兩個(gè)芯片層鍵合而成，其中之一的芯片層鍵合面上有微通道，微通道兩端分別連接入口和出口；其特征在于，所述微通道為一帶曲率通道，其形狀不限，可為弧形、蛇形等任意形狀，所述曲率通道產(chǎn)生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其形狀不限，可為圓柱形、立方體形等任意形狀，使得所述通道為變截面通道，產(chǎn)生第二二次流(幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流)；所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)位于通道壁曲面為凸的一側(cè)，使得第一二次流與第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料為聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或玻璃等其中的一種或多種；所述微流控芯片可用于微?；蚣?xì)胞的分選、分離、計(jì)數(shù)、檢測(cè)等方面，同樣適用于流體混合、樣品預(yù)處理等場(chǎng)合。

所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)其徑向尺寸越大，則微通道截面變化率越大，第二二次流的強(qiáng)度就越大；所述微通道結(jié)構(gòu)可以將第一二次流和第二二次流的效果疊加，增加二次流的強(qiáng)度。

本發(fā)明的有益效果：通過(guò)同時(shí)采用兩種二次流的慣性聚焦芯片，具體如下：

一、選取可以產(chǎn)生第一二次流(迪恩流)的微通道結(jié)構(gòu)作為主通道。流體在簡(jiǎn)單彎曲通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受到離心力的作用，導(dǎo)致中心區(qū)域流速較快的流體向離心力的方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，四周流速較慢的流體就會(huì)沿著通道上下表面向相反的方向回流，從而在通道橫截面方向上形成兩個(gè)上下對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)方向相反的迪恩流。迪恩流通常在具有曲率的微通道中產(chǎn)生，微通道類(lèi)型包括：任意彎曲形微通道、環(huán)形微通道、蛇形微通道等。

二、選取可以產(chǎn)生第二二次流(幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流)的微通道結(jié)構(gòu)作為輔助結(jié)構(gòu)。在突變通道中，在凸臺(tái)等障礙結(jié)構(gòu)的影響下，在通道內(nèi)突變的位置處會(huì)形成小型的彎曲流，由于該彎曲流的作用，該截面處同樣會(huì)形成和上述相同的幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流。幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流通常在具有突變結(jié)構(gòu)的微通道中產(chǎn)生，微通道類(lèi)型包括：具有任意形狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的微通道和具有任意形狀微柱結(jié)構(gòu)的微通道等。

三、將上述兩種能產(chǎn)生不同二次流的微通道結(jié)構(gòu)按照合適的方式組合在一起，輔助結(jié)構(gòu)位于主通道壁曲面為凸的一側(cè)，在保證其能同時(shí)產(chǎn)生兩種二次流的條件下，使二次流的流動(dòng)方向相同，產(chǎn)生相互疊加的效果，得到增強(qiáng)型的二次流，提高慣性聚焦的效率。

由于同時(shí)采用了兩種不同類(lèi)型的復(fù)合式微通道結(jié)構(gòu)，流體在流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種二次流，同時(shí)保證了兩種二次流的方向相同，使其相互疊加，提高了二次流的強(qiáng)度，增強(qiáng)了二次流的引導(dǎo)作用。與此同時(shí)，可以適當(dāng)增加微通道的截面尺寸和縮短微通道的長(zhǎng)度，保證慣性聚焦實(shí)驗(yàn)的成功率。

附圖說(shuō)明

圖1是一種圓環(huán)形微通道的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圓環(huán)形微通道截面內(nèi)產(chǎn)生的二次流矢量分布圖。

圖3是具有單側(cè)凸臺(tái)的微通道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是微通道截面內(nèi)產(chǎn)生的二次流矢量分布圖。

圖5是本發(fā)明方法的一種微通道結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明方法中微通道截面內(nèi)產(chǎn)生的二次流矢量分布圖。

圖7是實(shí)施例1中的聚焦芯片微通道結(jié)構(gòu)圖。

圖8是實(shí)施例1中熒光微球聚焦的條紋圖。

圖9是實(shí)施例1中熒光條紋的亮度分布圖，縱軸表示熒光強(qiáng)度，橫軸表示微通道寬度。

圖10是實(shí)施例2中的聚焦芯片微通道結(jié)構(gòu)圖。

其中：1-入口，2-圓環(huán)形微通道，3-凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，4-微通道截面，5-出口，6-微通道壁，7-熒光微球的聚焦條紋。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中基于增強(qiáng)型二次流的慣性聚焦芯片，由兩個(gè)芯片層鍵合而成，參照?qǐng)D5，其中之一的芯片層鍵合面上有微通道，微通道兩端分別連接入口1和出口5，所述主通道為圓環(huán)形微通道2，它產(chǎn)生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其形狀為方形，使得所述通道為變截面通道，產(chǎn)生第二二次流(幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流)；所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)位于通道壁曲面為凸的一側(cè)，使得第一二次流與第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料為聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或玻璃等其中的一種或多種；所述微流控芯片可用于微?；蚣?xì)胞的分選、分離、計(jì)數(shù)、檢測(cè)等方面，同樣適用于流體混合、樣品預(yù)處理等場(chǎng)合。

為了考察本實(shí)施例中基于增強(qiáng)型二次流的慣性聚焦芯片的效果，參照?qǐng)D1和2，當(dāng)慣性聚焦芯片僅有圓環(huán)形微通道2，利用仿真軟件對(duì)該微通道內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到微通道截面4處的二次流流動(dòng)矢量圖，其中心方向向左，流速為0.02m/s。

參照?qǐng)D3和4，當(dāng)僅在通道壁面上分布有若干個(gè)方形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)使得所述通道為變截面通道時(shí)，在相同仿真條件下，橫截面4內(nèi)的二次流流動(dòng)方向向左，流速為0.26m/s。

參照?qǐng)D5和6，當(dāng)同時(shí)具備本實(shí)施例中的圓環(huán)形微通道2及若干個(gè)方形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)形成的變截面通道時(shí)，在相同仿真條件下，橫截面4內(nèi)的二次流流動(dòng)方向向左，流速為0.31m/s。

按照上述仿真結(jié)果和聚焦芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)計(jì)最終的微流控聚焦芯片，參照?qǐng)D7，在圓環(huán)形微通道的內(nèi)側(cè)等間距的分布有15個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)長(zhǎng)度(弧長(zhǎng))為210μm，對(duì)應(yīng)圓心角為4°，凸臺(tái)的寬度為150μm，高度為50μm，相鄰兩個(gè)凸臺(tái)之間的距離(弧長(zhǎng))為610μm，對(duì)應(yīng)圓心角為12°。

所述微流控芯片使用聚二甲基硅氧烷(pdms)軟光刻工藝制作，一種優(yōu)選的具體制備方法為：

(1)光刻。使用su-8厚膠光刻工藝在單拋硅片上制作su-8模具。

(2)表面處理。使用100μl六甲基二硅雜氮烷試劑(hmds)在真空干燥箱中對(duì)su-8模具進(jìn)行表面處理，在常溫下保持1小時(shí)。

(3)澆鑄和固化。將單體和固化劑配比為10：1的pdms混勻，利用真空箱抽真空去除混合液中的氣泡，之后將pdms澆鑄于su-8模具上，并置于60℃恒溫箱中烘烤5小時(shí)，使其固化。

(4)脫模和打孔。將固化后的pdms脫模，并使用外徑為0.7mm打孔器在入口和出口處打孔作為管路接口。

(5)鍵合。使用電暈放電儀處理pdms，并與玻璃載玻片貼合，然后置于100℃恒溫箱中烘烤1小時(shí)，完成鍵合，得到完整的微流控芯片。

參照?qǐng)D8和9，使用熒光微球?qū)υ撔酒M(jìn)行聚焦實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其聚焦效果。選用10.7μm的熒光微球，使用去離子水(diwater)配制微球濃度為10⁵個(gè)/ml的懸浮液。使用恒壓泵驅(qū)動(dòng)混合液，驅(qū)動(dòng)壓力為60kpa，此時(shí)混合液的流量約為220μl/min，雷諾數(shù)為29.3。使用倒置式熒光顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到微球的熒光條紋圖，可以看出，出口處微球完全聚焦成一條直線(xiàn)，芯片實(shí)現(xiàn)了良好的聚焦性能。利用處理軟件對(duì)所得的熒光條紋圖進(jìn)行處理，可以得到熒光強(qiáng)度分布圖。通過(guò)計(jì)算熒光強(qiáng)度曲線(xiàn)，可以得到其半最大值全寬度(fwhm)，即熒光微球的聚焦寬度，以及熒光條紋的位置，即微球的聚焦位置。在上述實(shí)驗(yàn)條件下，計(jì)算所得的微球聚焦寬度為11.3μm，聚焦位置位于通道內(nèi)壁66μm處，相比于微球的直徑，該聚焦寬度已經(jīng)足夠窄小。

由于使用了復(fù)合式微通道結(jié)構(gòu)，二次流的強(qiáng)度增加了20％，其引導(dǎo)作用明顯加強(qiáng)，通道的截面尺寸(200μm×50μm)擴(kuò)大了2.8倍，長(zhǎng)度縮短到一半，有效地降低了微通道堵塞的概率，提高了芯片的聚焦效果。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中基于增強(qiáng)型二次流的慣性聚焦芯片，由兩個(gè)芯片層鍵合而成，參照?qǐng)D10，其中之一的芯片層鍵合面上有微通道，微通道兩端分別連接入口1和出口5，所述主通道為彎曲形微通道，它產(chǎn)生第一二次流(迪恩流)；通道壁面上分布有若干個(gè)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其形狀為圓柱形，使得所述通道為變截面通道，產(chǎn)生第二二次流(幾何結(jié)構(gòu)引起的二次流)；所述凸臺(tái)結(jié)構(gòu)位于通道壁曲面為凸的一側(cè)，使得第一二次流與第二二次流同向；所述微流控聚焦芯片材料為聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)或玻璃等其中的一種或多種；所述微流控芯片可用于微?；蚣?xì)胞的分選、分離、計(jì)數(shù)、檢測(cè)等方面，同樣適用于流體混合、樣品預(yù)處理等場(chǎng)合。