本發(fā)明涉及一種移液器槍頭，特別是一種用于微米粒子和細(xì)胞快速濃縮的微流控移液器槍頭。

背景技術(shù)：

微米粒子和細(xì)胞等有形固體成分的濃縮是廣泛應(yīng)用于生化、醫(yī)藥、食品和環(huán)境等行業(yè)的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的微?；蚣?xì)胞濃縮借助微孔膜過(guò)濾或者高速離心來(lái)實(shí)現(xiàn)。微孔膜過(guò)濾通過(guò)選擇孔隙小于微?；蚣?xì)胞尺寸的濾膜，使微?；蚣?xì)胞被阻隔于膜上，濾掉空白液體來(lái)提升樣品的濃度。但如何將微粒或細(xì)胞從微孔膜上洗脫收集仍是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。另外，微孔膜過(guò)濾方法存在膜孔堵塞、濃縮效率低及濾膜通用性差等問(wèn)題。

高速離心是有形固體成分濃縮中的金標(biāo)準(zhǔn)方法，也是目前使用最為廣泛和成熟的方法。該方法借助高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的足夠強(qiáng)離心力使得有形固體成分沉降至離心管底部，然后通過(guò)移除上清液來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品濃度的提升。但過(guò)高的離心力會(huì)對(duì)細(xì)胞等柔性生物成分產(chǎn)生不可逆損傷，損失寶貴的樣品資源。同時(shí)，專業(yè)的操作方法體系需要借助外部電源和昂貴離心設(shè)備限制了該方法在野外及低硬件配置實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境中的使用。另外，高速離心方法并不適用于濃縮樣品液中目標(biāo)微粒或細(xì)胞成分含量非常低的情況。

微流控技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)特的微流道來(lái)控制樣品的傳輸、聚焦、排列、分選和捕捉等樣品預(yù)處理功能。具有硬件成本低、所需樣品量少，操作效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。然而對(duì)于微流控微粒/細(xì)胞濃縮目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室層級(jí)的研究。研究者借助軟光刻技術(shù)制備器件，采用注射泵注入樣品實(shí)現(xiàn)微粒/細(xì)胞的濃縮，且樣品處理通量非常低。因此，目前仍舊缺乏可直接與實(shí)驗(yàn)室常用簡(jiǎn)單工具連用的器件和高通量微流控濃縮方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種微流控移液器槍頭，使用該槍頭可實(shí)現(xiàn)給定尺寸細(xì)胞或其他微米級(jí)粒子的連續(xù)高效濃縮。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種微流控移液器槍頭，包括本體和外囊，所述本體包括設(shè)在本體尾部區(qū)域內(nèi)的進(jìn)液通道、沿本體圓周周向排布的若干個(gè)濃縮微流道、設(shè)在本體外表面的空白液體出口，以及設(shè)在本體頭部區(qū)域內(nèi)的出液通道；濃縮微流道包括直流道、分叉流道、中間流道和兩路旁支流道，直流道一端與進(jìn)液通道連通，另一端與分叉流道連通，中間流道一端與分叉流道連通，另一端與出液通道連通，兩路旁支流道分別設(shè)在中間流道兩側(cè)，旁支流道的一端與分叉流道連通，另一端向本體外表面彎折并與空白液體出口連通；所述外囊套在本體外部，并與本體之間形成空腔，空腔與空白液體出口連通。

本發(fā)明工作原理：樣品液通過(guò)移液器以特定的流速注入本體的進(jìn)液通道，再經(jīng)過(guò)濃縮微流道濃縮處理；在直流道中，樣品液中的微米粒子受到流體拖拽力的作用而沿著流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，由于直流道中伯嘯葉流的拋物線型速度剖面，微米粒子將受到指向壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力的作用朝著壁面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)微米粒子靠近壁面時(shí)，微米粒子自轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)稱尾跡被壁面影響而產(chǎn)生一個(gè)指向直流道中心線的壁面誘導(dǎo)慣性升力?；谖⒘黧w的慣性效應(yīng)，微米粒子在直流道與分叉流道連通處聚焦至中心平衡位置，空白液流入兩路旁支流道，自空白液體出口導(dǎo)入本體與外囊形成的空腔，而濃縮后的樣品液從中間流道流入出液通道，導(dǎo)出收集備用。

其中，所述進(jìn)液通道包括樣品入口和儲(chǔ)液池；樣品入口設(shè)在本體尾部，儲(chǔ)液池一端與樣品入口相連通，另一端與濃縮微流道的直流道連通。樣品入口用于接入常規(guī)移液器槍頭，常規(guī)移液器槍頭插入樣品入口并與樣品入口通過(guò)過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)緊密連接。

所述出液通道包括樣品液體收集腔、漸窄導(dǎo)流通道和樣品出口；樣品液體收集腔一端與濃縮微流道的中間流道連通，另一端與漸窄導(dǎo)流通道連通，漸窄導(dǎo)流通道的另一端為樣品出口，樣品出口設(shè)在本體頭部。樣品液經(jīng)過(guò)濃縮后從中間流道流入樣品液收集腔，再流經(jīng)漸窄導(dǎo)流通道，自樣品出口導(dǎo)出。

所述直流道的橫截面尺寸和待濃縮粒子尺寸的關(guān)系為：

ap/lc≥0.07

其中：ap為濃縮粒子的最大直徑；lc為直流道的特征尺寸。

所述外囊尾部?jī)?nèi)表面和本體尾部外表面分別設(shè)有相對(duì)應(yīng)的非密封螺紋，本體通過(guò)非密封螺紋旋緊在外囊內(nèi)部，槍頭本體頭部與外囊接觸并且密封，以防止空白液體再次接觸樣品液。空腔通過(guò)非密封螺紋連通外部大氣，以保證空白液體的順利引入。

本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的使用方法，其步驟如下：

(1)移液器裝上常規(guī)移液器槍頭，按照移液器使用規(guī)程吸取待濃縮粒子樣品液；

(2)將常規(guī)移液器槍頭插入微流控移液器槍頭進(jìn)液通道，兩者通過(guò)過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)緊密連接；

(3)按壓移液器，樣品經(jīng)過(guò)濃縮后由出液通道導(dǎo)出，用目標(biāo)樣品管收集備用；

(4)使用完畢，將常規(guī)移液器槍頭和微流控移液器槍頭整體取下丟棄，或者將外囊單獨(dú)取下，把外囊中儲(chǔ)存的空白液體倒入廢液池。

有益效果：本發(fā)明的濃縮微流道結(jié)構(gòu)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整樣品液的流速，突破傳統(tǒng)微流控中低雷諾數(shù)的觀念，巧妙的利用微流體慣性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)粒子的高通量、連續(xù)流濃縮；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通量高；僅需控制直流道的橫截面尺寸和流道總體長(zhǎng)度，無(wú)需借助外力場(chǎng)；同時(shí)，本發(fā)明通過(guò)移液器注入樣品液，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品液的濃縮，有效的降低了濃縮器件的成本，本發(fā)明體積小、使用方法簡(jiǎn)單，工作效率高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的濃縮微流道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的若干個(gè)濃縮微流道周向排布示意圖；

圖5是本發(fā)明的濃縮微流道濃縮原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1-4所示，本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭包括本體1和外囊2。組件可通過(guò)注塑成型、機(jī)加工或者3d打印方式得到，本體1優(yōu)先采用3d打印整體一次成型，從而獲得精度較高的零部件，或者也可以通過(guò)精密加工多個(gè)組件，經(jīng)過(guò)配合組裝而成。本體1和外囊2通過(guò)設(shè)置在各自尾部相對(duì)應(yīng)的非密封螺紋11旋緊連接，兩者之間形成空腔5?？涨?與設(shè)置在本體1外表面的空白液體出口4連通，用于存儲(chǔ)空白液體，空腔5通過(guò)位于尾部一端的非密封螺紋11與外部保持連通，以防止空腔5內(nèi)部壓力過(guò)高，保證空白液體順利引入空腔5；在空腔5另一端，本體1頭部外表面與外囊2內(nèi)壁緊密接觸并形成密封，以此阻隔空白液，避免空白液接觸濃縮后的樣品液。本體1還設(shè)有樣品入口6、儲(chǔ)液池7、若干個(gè)沿本體1圓周周向排布的濃縮微流道3、樣品液收集腔8、漸窄導(dǎo)流通道9，以及樣品出口10；其中，樣品出口10設(shè)置在本體1頭部，其他各組件設(shè)置在本體1內(nèi)部；樣品入口6設(shè)在本體1尾部區(qū)域，為自本體1尾部深入的倒圓臺(tái)形通道，用于插入市面上普通移液器的槍頭，樣品入口6通過(guò)過(guò)盈配合以實(shí)現(xiàn)與普通移液器槍頭之間的緊密連接；樣品入口6與儲(chǔ)液池7連通，儲(chǔ)液池7與若干個(gè)濃縮微流道3連通，儲(chǔ)液池7體積小于普通移液器槍頭的容積，以保證有足夠的壓力驅(qū)動(dòng)樣品液進(jìn)入濃縮微流道3中。濃縮微流道3包括直流道31、分叉流道32、中間流道33和兩路旁支流道34；直流道31的橫截面為低深寬比矩形，低深寬比矩形是指寬度比高度大很多的矩形，本實(shí)施例中，圓周方向的長(zhǎng)邊為直流道31的寬度，而沿徑向的短邊為直流道31的高度。直流道31一端連通儲(chǔ)液池7，另一端與分叉流道32連通；分叉流道32的分叉比例可根據(jù)樣品對(duì)象的尺寸和濃度來(lái)進(jìn)行調(diào)整，從而便于優(yōu)化濃縮效率，分叉流道32將濃縮微流道3分成一路中間流道33和兩路旁支流道34，中間流道33一端與分叉流道32連通另一端與樣品液收集腔8連通，兩路旁支流道34分別設(shè)置在中間流道33兩側(cè)，旁支流道34一端與分叉流道32連通，另一端向本體1外表面彎折并連通位于本體1外表面的空白液體出口4。樣品液體收集腔8與漸窄導(dǎo)流通道9連通，漸窄導(dǎo)流通道9另一端為設(shè)在本體頭部的樣品出口10。

如圖5所示，本發(fā)明濃縮微流道3的濃縮原理：用特定流速往直流道31內(nèi)注入微米粒子懸浮液后，直流道31入口區(qū)域的微米粒子12隨機(jī)排布，微米粒子12將受到流體拖拽力f的作用而沿著流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。在一定流速條件下，由于直流道31中伯嘯葉流的拋物線型速度剖面，微米粒子12受到指向壁面剪切誘導(dǎo)慣性升力f3的作用而朝著壁面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)微米粒子12靠近壁面時(shí)，由于微米粒子12因?yàn)樽赞D(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)稱尾跡被壁面影響而產(chǎn)生一個(gè)指向直流道31中心線的壁面誘導(dǎo)慣性升力f2。當(dāng)微米粒子12尺寸和直流道31尺寸滿足：ap/lc≥0.07，其中：ap為微米粒子12得直徑；lc為直流道的特征尺寸；本實(shí)施例中，對(duì)于低深寬比矩形橫截面的直流道31的特征尺寸可用短邊估算，即可用徑向方向的矩形高度估算，滿足該條件的微米粒子12將在上述剪切誘導(dǎo)慣性升力f3和壁面誘導(dǎo)慣性升力f2的共同作用下，基于微流體管慣性效應(yīng)，在直流道31出口區(qū)域聚焦至中心平衡位置，分叉流道32起到分流空白液體的作用，將空白液從兩路旁支流道34引出，而濃縮后的樣品液則從中間流道33流出并被收集。對(duì)于等分結(jié)構(gòu)的分叉流道32，理論上單次濃縮可以去掉三分之二的空白液體，從而將樣品液微米粒子濃度提升三倍。如果設(shè)置成非等分分叉流道32，縮小中間流道33的寬度可進(jìn)一步提高單次的濃縮率。濃縮微流道3中的矩形橫截面的直流道31僅需滿足矩形橫截面符合特定粒子的平衡聚焦，直流道31的通道長(zhǎng)度能使符合要求的粒子均能遷移至平衡位置即可。

如圖4所示，所述的微流控移液器槍頭，本體1內(nèi)設(shè)置40條周向排布的濃縮微流道3，濃縮微流道3設(shè)在本體1的實(shí)體材料內(nèi)，可通過(guò)3d打印直接在塑料材料內(nèi)打印加工，或者將本體1進(jìn)一步細(xì)化成多個(gè)零部件組裝而成。在保證本體1內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變形的情況下，可以根據(jù)需要增加或者減少濃縮微流道3的數(shù)量。濃縮微流道3可以通過(guò)改變樣品液驅(qū)動(dòng)流速條件使其完成多種不同尺寸細(xì)胞或者微米粒子的高通量濃縮。所述槍頭可廣泛適用于檢測(cè)血樣中血細(xì)胞的濃縮和血漿的提取、城市污水中多種微米級(jí)雜質(zhì)的去除及稀有細(xì)胞的富集等場(chǎng)合。

本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的使用流程：選擇合適的常規(guī)移液器和合適容量的常規(guī)移液器槍頭，按照移液器的正確使用規(guī)程吸取待濃縮粒子樣品液，將移液器槍頭插入本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的樣品入口6內(nèi)，按壓移液器，樣品液經(jīng)過(guò)本發(fā)明所述微流控移液器槍頭的濃縮，從樣品出口10導(dǎo)出，由目標(biāo)樣品管收集備用。使用完畢后，可將常規(guī)移液器槍頭和微流控移液器槍頭整體取下丟棄，亦可將微流控移液器槍頭的本體1旋出，將外囊2中儲(chǔ)存的空白液體倒入廢液池中。