通量可調控的微流控集成器件及其制作方法與流程

本發明涉及微流控集成器件領域，尤其涉及一種基于樂高模型的通量可調的微米級粒子高通量濃縮的微流控器件及其制作方法。

背景技術：

微流控芯片技術是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。它有很多優點：所需樣本溶液小，分析效率高，易于封裝等，可以同時進行多個樣本的分析，并且只需要幾分鐘甚至是幾秒鐘，自動實現樣品的樣本收集、反應、過濾、分選和檢測等基本流程。微粒分離技術在醫療診斷、食品安全、生化分析和環境檢測等領域有著廣泛應用。

但是國內微流控產品剛處于起步階段，技術還不夠成熟，產品不夠完善。為了達到較高的控制精度，微流控流道尺寸一般為幾十到幾百微米，并且由于體積的限制，單個芯片的處理通量較小，高加工精度帶來的成本問題以及低通量帶來的處理速度問題成為了微流控芯片商業化推廣的瓶頸。同時，由于針對不同容量的樣本，所需要的流量會有所不同，而單個芯片顯然無法處理各種大樣本容量的處理。因此，在保證一定操控精度的前提下，解決不同樣本容量所需要的處理流量問題，設計一個通量可控的微流控集成器件具有極其重要的研究意義。

技術實現要素：

為了解決上述存在的問題，本發明提供一種基于樂高模型的處理通量可調控的微米級粒子高通量濃縮的微流控器件及其制作方法，通過使用多個樂高模塊垂直堆垛，同時進行樣品的濃縮，來實現高通量的處理要求和處理通量可自由調控的目的，為達此目的，本發明通量可調控的微流控集成器件，包括分流模塊、至少兩層功能模塊和一個底層集流模塊，所述功能模塊包括功能模塊上板和功能模塊下板，所述功能模塊上板堆垛在功能模塊下板上方，各層功能模塊按上下順序堆垛，最下部的功能模塊的底層堆垛一層底層集流模塊，所述分流模塊包括一個分流模塊樣品入口和兩個分流模塊樣品出口，所述兩個分流模塊樣品出口分別連接對應功能模塊的功能模塊樣品入口，所述分流模塊在功能模塊一側從側面接入功能模塊，每層功能模塊設有功能模塊樣品入口、主濃縮流道、4個目標液出口和4個廢液出口，所述主濃縮流道在對應功能模塊內，所述功能模塊樣品入口在對應功能模塊一側，所述4個目標液出口和4個廢液出口在對應功能模塊下方，所述主濃縮流道包括一個分流流道和四個螺旋流道，所述分流流道分成四股等流量流體分別與四個螺旋流道連通，所述功能模塊樣品入口和分流流道連通，所述分岔流道的端部分別與目標液出口、廢液出口連通，每層功能模塊的4個目標液出口和4個廢液出口分別與下一層功能模塊的4個目標液入口和4個廢液入口堆疊鍵合，所述底層集流模塊下方有總目標液出口和總廢液出口，最下層功能模塊的4個目標液入口經過底層集流模塊的管道后接總目標液出口，最下層功能模塊的4個廢液入口經過底層集流模塊的管道后接總廢液出口。

本發明的進一步改進，所述螺旋流道的橫截面為低深寬比矩形。

本發明的進一步改進，所述每層分選基片的螺旋流道的橫截面尺寸和該層最大粒子的尺寸關系為ap/lc≥0.07，其中ap為該層最大粒子的直徑；lc為螺旋流道的特征尺寸。

本發明的進一步改進，所述每層功能模塊上端面有12*12個凸起圓柱，下端面有12*12個圓柱孔，各層之間通過凸起圓柱和圓柱孔進行鍵。

本發明的進一步改進，所述功能模塊上板和功能模塊下板之間通過定位孔和定位銷進行定位，通過卡扣方式進行緊密連接。

本發明的進一步改進，所述分流模塊、功能模塊、底層集流模塊材質為半透明樹脂。

本發明一項所述的通量可調控的微流控集成器件的制作方法，包括以下步驟

（1）對每層功能模塊的模塊上板的各個微流道通過微加工技術制作；

（2）通過卡口固定和鍵合技術實現每層功能模塊上下板的堆垛和封裝；

（3）通過鍵合技術實現每層功能模塊之間的堆垛和封裝；

（4）最下層功能模塊的目標液出口和廢液出口與底層集流模塊的目標液入口和廢液入口相鍵合；

（5）將分流模塊和封裝后的多層功能模塊鍵合封裝。

本發明通量可調控的微流控集成器件及其制作方法，與現有技術相比有益效果如下：本發明的微流道結構通過使用螺旋流道，加快粒子的聚焦速度并使結構更加緊湊，巧妙利用微流體慣性效應來實現微米級生物粒子的高通量、連續流濃縮，該技術僅需控制流道的橫截面尺寸和流道總體長度，具有結構簡單、無需借助外場、通量高、芯片制作成本低等優點；同時，本發明通過使用樂高模型的堆疊方式，輕松方便上下層功能模塊對齊并能夠緊密連接，采用并聯的方式使濃縮的速度成倍提高；克服了常規濃縮技術只能通過固定數量的流道芯片低通量濃縮樣本的局限；與現有平面多濃縮單元集成技術相比，具有易集成微型化等優點；本發明提出的器件和制作方法可廣泛用于臨床診斷、生物學研究、生化分析、環境監控等領域的檢測對象高通量濃縮。

附圖說明

圖1是本發明功能模塊的模塊上板的仰視圖；

圖2是本發明功能模塊的模塊下板的俯視圖；

圖3是本發明的單層功能模塊三維外觀模型圖；

圖4是本發明的單層功能模塊內部透視圖；

圖5是本發明單個分流模塊的三維外觀模型；

圖6是本發明底層集流模塊的俯視圖；

圖7是一個兩層功能模塊的整體封裝主視圖；

圖8是一個16層功能模塊的整體封裝主視圖。

圖示說明：

1、功能模塊上板；2、功能模塊下板；3、底層集流模塊；4、分流模塊；5、功能模塊樣品入口；6、分流流道；7、螺旋流道；8、分岔流道；9、廢液出口一；10、目標液出口一；11、定位孔；12、卡槽；13、廢液出口二；14、目標液出口二；15、定位銷；16、卡口；17、廢液入口一；18、目標液入口一；19、分流模塊樣品入口；20、分流模塊樣品出口；21、目標液入口二；22、廢液入口二；23、總目標液出口；24、總廢液出口。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：

本發明提供一種基于樂高模型的處理通量可調控的微米級粒子高通量濃縮的微流控器件及其制作方法，通過使用多個樂高模塊垂直堆垛，同時進行樣品的濃縮，來實現高通量的處理要求和處理通量可自由調控的目的。

本實施例的分流模塊和底層集流模塊以半透明樹脂作為原材料用3d打印技術制作出來。功能模塊由于螺旋流道狹小，直接打印精度可能不夠，另外容易變形堵塞，需要通過微加工技術實現。功能模塊中微流控芯片主體是四個寬500μm，高100μm，總長約16.5cm長的螺旋流道。由于螺旋流道的最小單位達到0.1mm，接近3d打印的最高精度0.05mm，所以打印時暫時不打印螺旋流道，螺旋流道通過之后在實驗室用無掩膜光刻技術進行精密刻畫后成型。因此功能模塊上下板分開打印，以更容易實驗的“槽”的模式代替“孔”的加工，再將兩片用鍵合的方式來解決。即將整個流道分為兩個部分，一個部分打印后刻畫出流道槽，另一部分作為端蓋，將兩片進行貼合形成完整流道。但同時，使用這個方法會帶來一個技術難點，就是如何將兩片流道有效的實施密封以實現無漏液。我們采用凹槽式流道+涂膠密封的方法來實現，較為簡單且密封性能較好。通過在功能模塊下板上涂一層均勻的醫用膠，待膠體半固化時將上下板粘合，最后通入去離子水去掉流道中的殘留膠。

在每個模塊單獨制作完畢后，根據需要的處理通量選擇適當數量的功能模塊，將其入口對向同一個方向，然后將上下每兩塊之間垂直堆垛。由于有樂高模型的特殊鍵合機制，對齊每兩塊功能模塊之間的插孔十分方便。當功能模塊依此堆垛完成后，最下層再以同樣的方法堆垛一層底層集流模塊，作為最后目標液和廢液的出口。功能模塊入處每兩個孔間接插上一個分流模塊，通過魯爾卡口鍵合。然后再次在分流模塊入口處，同樣每兩個分流模塊入口接一個更大的分流模塊，以此類推。直到最后只有一個總樣品入口。器件的搭建即完畢。

本實施例所述兩層結構的器件可用于濃縮或分選兩種不同的粒子，可廣泛用于從血液、唾液或尿液等種類多樣的體液中快速準確的提取出感興趣的目標檢測對象、對鹽藻細胞的分選聚焦以及濃縮等實際應用。

本實施例的器件包括分流模塊4、兩層功能模塊和底層集流模塊，功能模塊上板1、功能模塊下板2和底層集流模塊3在垂直空間上順序堆垛。

如圖1所示，功能模塊上板1上設有功能模塊樣品入口5、分流流道6、螺旋流道7、分岔流道8、廢液出口一9、目標液出口一10、定位孔11和卡槽12，本實施例中主濃縮流道包括分流流道6和螺旋流道7，樣品入口5和分流流道6連通，分流流道6將流體均等為四份進入到四個螺旋流道7，經過分岔流道8的端部分別與廢液出口一9和目標液出口一10連通，功能模塊上板有三個定位孔11，另有六個卡槽12。

如圖2所示，功能模塊下板分為廢液出口二13、目標液出口二14、定位銷15和卡口16。下板主要作用是與上板的流道凹槽形成一個封閉的流道，流體可以在上下板之間流動，流體在流道中濃縮后，通過廢液出口二13和目標液出口二14漏入下一層的廢液入口和目標液入口。功能模塊下板也有三個定位銷15，另有六個卡口16。

如圖3所示，將功能模塊上板下板通過固定孔和卡口定位并緊密連接之后，便可以輕松實現一層功能模塊的組裝。圖中功能模塊上板1與功能模塊下板2緊密堆垛并固定。樣品通過功能模塊樣品入口5流入功能模塊進行處理，同時上層功能模塊處理后的目標液和廢液分別通過廢液入口一17和目標液入口一18進入本層功能模塊并一起通過本層廢液出口一9和目標液出口一10排出。

如圖4所示，單個分流模塊的功能是將進入分流模塊的樣品從分流模塊樣品入口19進入，通過內部流道實現均等分配，再從兩個分流模塊樣品出口20流出。

如圖5所示，底層集流模塊通過四個目標液入口二21和四個廢液入口二22收集上層功能模塊匯集的目標液和廢液，并通過流道匯集起來，分別通過總目標液出口23和總廢液出口24流出收集。

如圖6所示，為一個使用兩層集流模塊并聯工作的整體封裝的示意圖，圖中樣品可直接用針筒通過魯爾卡入口，即分流模塊樣品入口19注入儀器中，通過總目標液出口23的魯爾卡出口，收集濃縮后的樣品，而廢液從總廢液出口24流出收集。

如圖7所示，為一個使用16層集流模塊并聯工作的整體封裝的示意圖，圖中分流模塊樣品入口19經過多個不同大小的分流模塊塑料接口，將流量均等分配入16個功能模塊，通過總目標液出口23的魯爾卡出口，收集濃縮后的樣品，而廢液從總廢液出口24流出收集。同理，對于2、4、8層乃至32、64……層功能模塊同時工作，也可以輕松實現。

本實施例中提出的多層結構分選器件不需要復雜結構和耗能外場輔助，具有結構簡單、成本低、效率高等優點，可廣泛用于環境監控、臨床診斷治療、生物學及生化分析等研究應用中。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非是對本發明作任何其他形式的限制，而依據本發明的技術實質所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發明所要求保護的范圍。