[发明专利]一种基于惯性原理分离细胞的芯片

说明书

技术领域

本发明属于微流控领域，更具体地，涉及一种基于惯性原理分离细胞的芯片。

背景技术

微流控芯片技术是一种在微尺度空间中对流体进行操控的科学技术，利用该技术分离细胞时，方法简单、分离成功率高，易于推广普及，受到广泛关注。

在现有的文献和专利中提出的依据惯性原理分离细胞的流道结构一般为：螺旋型和缩扩阵列结构。这两种结构具有一些缺陷。对于螺旋型结构来说，由于芯片所能承受的压强有限，所以该结构提供的FD(即，迪恩力) 和FL(即，惯性升力)较小，限制了分离效率。对于缩扩阵列结构来说，虽然其依靠缩扩阵列能够提供较大的FD和FL，但是不能在整个流道中一直提供FD，只有当细胞从拓宽段流入收缩段时才能受到FD的影响。

以螺旋结构为例，现有技术文献【3】公开了一种基于惯性分离原理的螺旋结构用于从血液中分离出红细胞。该结构采用一个样品入口，一个螺旋式流道和一个二叉出口。该螺旋流道由5圈阿基米德螺旋形微通道组成，通道的横截面为矩形面，该矩形面的宽为100um，高为50um，曲线总长13cm，螺旋最内侧的曲率半径为3mm。该学者将血液以0.15m/s的速率从样品入口注入，在二叉口的下出口处收集7.32um颗粒，在二叉口的上出口处收集 1.9um颗粒。

如图3所示，该螺旋结构实现细胞分离原理为：在弯形流道中细胞会受到惯性升力FL和迪恩力FD两个力的共同作用。FL和FD之间的平衡决定了细胞在微通道的平衡位置。当FL≥FD时，细胞往侧壁S1移动，当FL＜ FD时，细胞往侧壁S2移动；尺寸较大的细胞所受FL较大，尺寸较小的细胞所受FD较大。经过一定长度的流道，大粒子与小粒子就分离开来。

在上述方法中，由于芯片所能承受的压强有限，所以该结构提供的FD 和FL较小，限制了分离效率。再者，受其流道结构的限制，不同细胞所处的横向平衡位置之间的间距较小。最后为了达到预期的分离效果，所需流道总长度往往较长，有其他文献设计了单侧缩扩阵列结构用于细胞分离，该结构所需的流道总长度较短，但是在该设计中，细胞只有在从拓宽段进入压缩段时，才会受到FD和FL两个力的共同作用。其余阶段仅受惯性升力FL的影响。FD作用在细胞上的时间十分短暂，且不能保证在如此之短的时间内是否所有的细胞都受到了FD的影响。

下面针对单侧缩扩阵列结构进行详细分析，现有技术文献【1】公开了一种单侧缩扩阵列结构，该结构采用一个样品入口，一个鞘液流入口，两个出口，六个单侧拓宽腔和五个收缩段，用以分离血细胞和血浆(尺寸为 2um及2um以下的细胞)；该学者以1.2mL/h的速率往样品入口注入血液样品，以12mL/h的速率往鞘液流入口注入磷酸盐缓冲液，在两个出口处分别收集到了血细胞(尺寸为2um以上的细胞)和血浆(尺寸为2um及2um以下的细胞)，但是血浆(尺寸为2um及2um以下的细胞)分离效率仅为62.2％。

单侧缩扩阵列结构实现细胞分离原理为：如图4所示，在长直型矩形微通道中，细胞主要受惯性升力FL的影响，从而使细胞聚焦在靠近矩形长边的上下两个平衡位置；在弯形流道中，细胞会受到惯性升力FL和迪恩力 FD两个力的共同作用。当液体从拓宽段进入压缩段时，拓宽段的液体以弯曲的路径加速进入压缩段，产生了迪恩涡流，细胞在此迪恩涡流中会受到迪恩力FD的影响，所以细胞在从拓宽段进入压缩段时，将会受到FL和FD 两个力的共同作用。FL与FD的大小均与细胞在沟道的横截面上所处的位置有关。FL和FD之间的平衡决定了细胞在微通道中的平衡位置。当FL≥FD 时，细胞往侧壁S1移动，当FL＜FD时，细胞往侧壁S2移动；尺寸较大的细胞所受FL较大，尺寸较小的细胞所受FD较大。经过若干个缩扩阵列，血细胞(尺寸为2um以上的细胞)和血浆(尺寸为2um及2um以下的细胞) 就分离开来。

在上述方法中，细胞只有在从拓宽段进入压缩段时，才会受到FD和FL 两个力的共同作用。其余阶段仅受惯性升力FL的影响。FD作用在细胞上的时间十分短暂，且不能保证在如此之短的时间内是否所有的细胞都受到了 FD的影响。

其次，由于在其他阶段，细胞仅受FL的影响，FL会将移向侧壁S1和 S2的细胞拉向流道中心，使得已处于预期平衡位置的细胞偏离平衡位置，从而在一定程度上降低了分离效率。

参考文献如下：

【1】"Inertial blood plasma separation in a contraction–expansion array microchannel"；