CN114100706B - 一种基于粒子漂移的粒子分选方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于粒子漂移的粒子分选方法及系统，包括如下步骤：步骤1：获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，并将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，则执行步骤2，反之，执行步骤3；步骤2：进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；步骤3：将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对至第一微流控芯片施加飘移电压；步骤4：收集飘移后的飘移粒子，并进行二次分选，通过对第一微流控芯片施加一个预设飘移电压，使得分类粒子中小于目标粒子标定飘移电压的需要分离的粒子受到预设飘移电压的外力，在第一微流控芯片内发生偏移，实现对部分需要分离的粒子进行预先处理。
Description
技术领域
本发明属于微流控领域，具体是一种基于粒子漂移的粒子分选方法及系统。
背景技术
微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。
但是现有惯性微流控技术利用流体惯性效应诱导粒子在流道中受惯性力作用迁移实现精确操控，具有流道结构简单、操作方便、操控精度高等优势，然而，流体惯性效应对粒子外观尺寸具有强依赖性，难以对高浓度且尺寸相近的粒子进行精确操控，所以需要对分选的粒子进行预先处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于粒子漂移的粒子分选方法及系统，用于解决流体惯性效应对粒子外观尺寸具有强依赖性，难以对高浓度且尺寸相近的粒子进行精确操控的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于粒子漂移的粒子分选方法，包括如下步骤：
步骤1：获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，并将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，则执行步骤2，反之，执行步骤3；
步骤2：进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
步骤3：将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对至第一微流控芯片施加飘移电压；
步骤4：收集飘移后的飘移粒子，并进行二次分选。
进一步的，所述预设飘移电压为至第一微流控芯片最大承受电压。
进一步的，所述目标粒子的标定飘移电压为目标粒子在电场作用下产生最大偏移所需要的电压。
进一步的，所述将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对至第一微流控芯片施加飘移电压，具体为：
在至第一微流控芯片内构建漂移通道，其中漂移通道的一端为粒子注入端，漂移通道的另一端为收集端，且收集端与收集池相连；
当分类粒子通过注入端进入第一微流控芯片内漂移通道后，对第一微流控芯片施加预设飘移电压，在预设时间段后，对收集池内的飘移粒子进行二次分选。
进一步的，所述获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，具体为，将目标粒子注入至第一微流控芯片内，对第一微流控芯片加载飘移压电，并检测收集池内是否存在目标粒子，直至收集池内检测不出目标粒子时，对应的飘移压电即为标定飘移电压，若对第一微流控芯片加载的飘移压电到达最大承受电压时，收集池内仍检测出目标粒子时，则最大承受电压为标定飘移电压。
进一步的，所述进行飘移电压修正，具体为：
S1：提取预设飘移电压数值与标定飘移电压的数值；
S2：建立平面坐标系并将(预设飘移电压数值，标定飘移电压的数值)标记为第一计算点，(标定飘移电压的数值，预设飘移电压数值)标记为第二计算点；
S3：计算第一计算点和第二计算点之间距离，并标记为修正数；
S4：预设飘移电压数值减去修正数完成飘移电压修正。
进一步的，所述二次分选包括如下步骤：
将收集池内的含有飘移粒子的溶液注入第二微流控芯片内，完成二次分选。
进一步的，所述漂移通道为盘式蚊香状。
一种基于粒子漂移的粒子分选系统，适用于如上所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，包括：
标定模块，所述标定模块用于对分类粒子中目标粒子进行标定飘移电压；
比较修正模块，所述比较修正模块用于将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
第一微流控芯片模块，所述第一微流控芯片模块用于接收分类粒子，并按照预设飘移电压进行电子漂移；
第二微流控芯片模块，所述第二微流控芯片模块用于对含有飘移粒子的溶液进行二次分选。
进一步的，还包括上位机，所述上位机与标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片模块通信连接，且所述上位机用于展示标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片的运行数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过对第一微流控芯片施加一个预设飘移电压，使得分类粒子中小于目标粒子标定飘移电压的需要分离的粒子受到预设飘移电压的外力F，在第一微流控芯片内发生偏移，撞击在第一微流控芯片内的通路内，实现对部分需要分离的粒子进行预先处理，使得二次分选的结果更加精准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明原理框图意图；
图3为第二微流控芯片示意图；
图4为第二微流控芯片剖视图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，在下述附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
传统的，惯性微流控技术利用流体惯性效应诱导粒子在流道中受惯性力作用迁移实现精确操控，具有流道结构简单、操作方便、操控精度高等优势，然而，流体惯性效应对粒子外观尺寸具有强依赖性，难以对高浓度且尺寸相近的粒子进行精确操控，所以需要对分选的粒子进行预先处理。
粒子漂移是指如果电量为q的粒子在磁场中除了受到恒定均匀磁场B作用外，还受到其他外力F外的作用，则粒子除了以磁力线为轴的螺旋运动外，还要在垂直于磁场B和外力F外的方向运动，这种由外力引起的运动称为漂移，所以在微流控芯片外增加一个外力F，可以使得粒子进行偏移，故可以实现对分选的粒子进行预先处理。
基于上述描述，本发明实施例提出一种如图1所示的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，包括如下步骤：
步骤1：获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，并将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，则执行步骤2，反之，执行步骤3；
步骤2：进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
步骤3：将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对至第一微流控芯片施加飘移电压；
步骤4：收集飘移后的飘移粒子，并进行二次分选。
通过对第一微流控芯片施加一个预设飘移电压，使得分类粒子中小于目标粒子标定飘移电压的需要分离的粒子受到预设飘移电压的外力F，在第一微流控芯片内发生偏移，撞击在第一微流控芯片内的通路内，实现对部分需要分离的粒子进行预先处理；
下面结合附图对本发明进行详细阐述；
如附图1所示，第一微流控芯片为一个具有规则形状的微流控芯片，其中，规则形状如矩形、圆形、菱形等，在一个实施例中，第一微流控芯片为矩形状汉堡包结构，其中，上层为上场电压板、中层为微流控芯片、下层为下场电压板，上场电压板和下场电压板均与外接电路相连，共同形成预设飘移电压，微流控芯片内加工有漂移通道，漂移通道的截面为圆形，且在漂移通道内涂敷有凹凸不平的碳纳米管涂层，一方面可以捕获发生偏移的粒子，另一方面碳纳米管涂层不会影响外加电场的穿透,所以在本实施例中漂移通道内涂敷有凹凸不平的碳纳米管涂层，同时漂移通道为盘式蚊香状，一方面盘式蚊香状的漂移通道可以减少第一微流控芯片的面积，另一方面盘式蚊香状的漂移通道具有若干个圆弧状弯道，可以使得尺寸远远大于目标粒子尺寸的需要分离的粒子由于加速度过大在圆弧状弯道处离心力大于直线处离心力，进而撞击在圆弧状弯道上，实现对大尺寸粒子的预处理，漂移通道的一端为粒子注入端，漂移通道的另一端为收集端，且收集端与收集池相连，其中，收集池内预先填充有用于对飘移粒子进行减速和收集的液体，一般情况下选用过冷水为液体。
请参阅图2，如图2所示，步骤1：获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，并将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，则执行步骤2，反之，执行步骤3,其中，目标粒子的标定飘移电压为目标粒子在电场作用下产生最大偏移所需要的电压，最大偏移为目标粒子撞击在漂移通道时对应的距离，预设飘移电压为至第一微流控芯片最大承受电压，将目标粒子注入至第一微流控芯片内，对第一微流控芯片加载飘移压电，并检测收集池内是否存在目标粒子，直至收集池内检测不出目标粒子时，对应的飘移压电即为标定飘移电压，若对第一微流控芯片加载的飘移压电到达最大承受电压时，收集池内仍检测出目标粒子时，则最大承受电压为标定飘移电压；
步骤2：进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压，具体的说，S1：提取预设飘移电压数值与标定飘移电压的数值；S2：建立平面坐标系并将(预设飘移电压数值，标定飘移电压的数值)标记为第一计算点，(标定飘移电压的数值，预设飘移电压数值)标记为第二计算点；S3：计算第一计算点和第二计算点之间距离，并标记为修正数；S4：预设飘移电压数值减去修正数完成飘移电压修正，其中，构建第一计算点和第二计算点的三角图形，通过勾股定理即可快速计算出修正数；
步骤3：将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对至第一微流控芯片施加飘移电压，当分类粒子通过注入端进入第一微流控芯片内漂移通道后，对第一微流控芯片施加预设飘移电压，在预设时间段后，对收集池内的飘移粒子进行二次分选。
请参阅图3，如图3所示，第二微流控芯片由上层基片和下层基片组成；上层基片和下层基片密封键合在一起组成第二微流控芯片；上层基片设有进液孔、惯性流道和外出液孔；
其中，进液孔和外出液孔均与外界相连通，用于含有飘移粒子的溶液导入和导出；进液孔与惯性流道连通、随后分成两条支路，一条支路与第一外出液孔连通，另一条支路与第二外出液孔连通。
惯性流道为阿基米德螺旋线结构，流道入口处内径为10mm，流道出口处外径为30mm。流道截面为矩形，宽度和高度分别为300μm和50μm。
本实施例中第二微流控芯片的上层基片利用标准软光刻技术制作，材料为聚二甲基硅氧烷，下层基片为玻璃盖玻片，上层基片和下层基片通过氧等离子清洗工艺进行不可逆键合。
请参阅图4，如图4所示，在进行二次分选时，首先，利用精密注射泵将含有飘移粒子的溶液注入第二微流控芯片，流量设置为450μL/min。含有飘移粒子的溶液经进液孔由进入惯性流道中，在惯性流道入口A-A截面处呈随机分布状态。由于惯性流道为阿基米德螺旋形，流道中的微流体在垂直于主流动方向上产生两个对向流动的二次流旋涡，因此含有飘移粒子的溶液在流道中同时受到惯性流道壁面诱导产生的惯性升力作用和溶液在螺旋流道中转向产生的二次流拽力作用。接着，含有飘移粒子的溶液在惯性升力FL和二次流拽力FD影响下逐渐产生惯性聚焦效果并横向迁移至不同的平衡位置，具体表现为大尺寸粒子的平衡位置比小尺寸粒子的平衡位置稍靠近流道内壁面，但此时两种粒子的平衡位置间距较小，无法实现两种粒子的精确分选，所以，当粒子运动经过突扩流道和扰流障碍时，大尺寸粒子受惯性升力主导作用绕过扰流障碍时迅速聚焦至流道近内壁面处，而小尺寸粒子受扰流拖曳力主导作用绕过扰流障碍时向外壁面迁移，从而使得大尺寸粒子和小尺寸粒子的平衡位置加大。最终，大尺寸粒子经第一外出液孔连通流出；小尺寸粒子经第一外出液孔连通流出，实现不同尺寸粒子的二次分选，同时由于本申请的第一微流控芯片已经对不同尺寸粒子进行预先处理，所以申请在进过二次分选时，可以更加精准的进行分类。
除上所述外，本申请还提出一种基于粒子漂移的粒子分选系统，用于更加精准的分选不同尺寸粒子，包括：
标定模块，所述标定模块用于对分类粒子中目标粒子进行标定飘移电压；
比较修正模块，所述比较修正模块用于将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
第一微流控芯片模块，所述第一微流控芯片模块用于接收分类粒子，并按照预设飘移电压进行电子漂移；
第二微流控芯片模块，所述第二微流控芯片模块用于对含有飘移粒子的溶液进行二次分选；
还包括上位机，所述上位机与标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片模块通信连接，且所述上位机用于展示标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片的运行数据。
综上所述，本申请提供一种基于粒子漂移的粒子分选方法和系统，通过对第一微流控芯片施加一个预设飘移电压，使得分类粒子中小于目标粒子标定飘移电压的需要分离的粒子受到预设飘移电压的外力F，在第一微流控芯片内发生偏移，撞击在第一微流控芯片内的通路内，实现对部分需要分离的粒子进行预先处理，使得二次分选的结果更加精准。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，并将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，则执行步骤2，反之，执行步骤3；
步骤2：进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
步骤3：将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对第一微流控芯片施加飘移电压；
步骤4：收集飘移后的飘移粒子，并进行二次分选；
所述预设飘移电压为第一微流控芯片最大承受电压；
所述目标粒子的标定飘移电压为目标粒子在电场作用下产生最大偏移所需要的电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，所述将分类粒子注入至第一微流控芯片内，并按照预设飘移电压对第一微流控芯片施加飘移电压，具体为：
在第一微流控芯片内构建漂移通道，其中漂移通道的一端为粒子注入端，漂移通道的另一端为收集端，且收集端与收集池相连；
当分类粒子通过注入端进入第一微流控芯片内漂移通道后，对第一微流控芯片施加预设飘移电压，在预设时间段后，对收集池内的飘移粒子进行二次分选。
3.根据权利要求1所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，所述获取分类粒子中目标粒子的标定飘移电压，具体为，将目标粒子注入至第一微流控芯片内，对第一微流控芯片加载飘移压电，并检测收集池内是否存在目标粒子，直至收集池内检测不出目标粒子时，对应的飘移压电即为标定飘移电压，若对第一微流控芯片加载的飘移压电到达最大承受电压时，收集池内仍检测出目标粒子时，则最大承受电压为标定飘移电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，所述进行飘移电压修正，具体为：
S1：提取预设飘移电压数值与标定飘移电压的数值；
S2：建立平面坐标系并将(预设飘移电压数值，标定飘移电压的数值)标记为第一计算点，(标定飘移电压的数值，预设飘移电压数值)标记为第二计算点；
S3：计算第一计算点和第二计算点之间距离，并标记为修正数；
S4：预设飘移电压数值减去修正数完成飘移电压修正。
5.根据权利要求1所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，所述二次分选包括如下步骤：
将收集池内的含有飘移粒子的溶液注入第二微流控芯片内，完成二次分选。
6.根据权利要求2所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，其特征在于，所述漂移通道为盘式蚊香状。
7.一种基于粒子漂移的粒子分选系统，其特征在于，适用于权利要求1-6任一所述的一种基于粒子漂移的粒子分选方法，包括：
标定模块，所述标定模块用于对分类粒子中目标粒子进行标定飘移电压；
比较修正模块，所述比较修正模块用于将标定飘移电压与预设飘移电压进行比较，若标定飘移电压小于预设飘移电压，进行飘移电压修正，直至标定飘移电压大于预设飘移电压；
第一微流控芯片模块，所述第一微流控芯片模块用于接收分类粒子，并按照预设飘移电压进行电子漂移；
第二微流控芯片模块，所述第二微流控芯片模块用于对含有飘移粒子的溶液进行二次分选。
8.根据权利要求7所述的一种基于粒子漂移的粒子分选系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片模块通信连接，且所述上位机用于展示标定模块、比较修正模块、第一微流控芯片模块和第二微流控芯片的运行数据。
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