本發(fā)明涉及微流控集成器件領(lǐng)域，尤其涉及一種基于樂高模型的通量可調(diào)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(shù)：

微流控芯片技術(shù)是把生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、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(dòng)完成分析全過程。它有很多優(yōu)點(diǎn)：所需樣本溶液小，分析效率高，易于封裝等，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)樣本的分析，并且只需要幾分鐘甚至是幾秒鐘，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)樣品的樣本收集、反應(yīng)、過濾、分選和檢測等基本流程。微粒分離技術(shù)在醫(yī)療診斷、食品安全、生化分析和環(huán)境檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

但是國內(nèi)微流控產(chǎn)品剛處于起步階段，技術(shù)還不夠成熟，產(chǎn)品不夠完善。為了達(dá)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(gè)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(yè)化推廣的瓶頸。同時(shí)，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(gè)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(shè)計(jì)一個(gè)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供一種基于樂高模型的處理通量可調(diào)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(gè)樂高模塊垂直堆垛，同時(shí)進(jìn)行樣品的濃縮，來實(shí)現(xiàn)高通量的處理要求和處理通量可自由調(diào)控的目的，為達(dá)此目的，本發(fā)明通量可調(diào)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(gè)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(gè)分流模塊樣品入口和兩個(gè)分流模塊樣品出口，所述兩個(gè)分流模塊樣品出口分別連接對應(yīng)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(cè)從側(cè)面接入功能模塊，每層功能模塊設(shè)有功能模塊樣品入口、主濃縮流道、4個(gè)目標(biāo)液出口和4個(gè)廢液出口，所述主濃縮流道在對應(yīng)功能模塊內(nèi)，所述功能模塊樣品入口在對應(yīng)功能模塊一側(cè)，所述4個(gè)目標(biāo)液出口和4個(gè)廢液出口在對應(yīng)功能模塊下方，所述主濃縮流道包括一個(gè)分流流道和四個(gè)螺旋流道，所述分流流道分成四股等流量流體分別與四個(gè)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(biāo)液出口、廢液出口連通，每層功能模塊的4個(gè)目標(biāo)液出口和4個(gè)廢液出口分別與下一層功能模塊的4個(gè)目標(biāo)液入口和4個(gè)廢液入口堆疊鍵合，所述底層集流模塊下方有總目標(biāo)液出口和總廢液出口，最下層功能模塊的4個(gè)目標(biāo)液入口經(jīng)過底層集流模塊的管道后接總目標(biāo)液出口，最下層功能模塊的4個(gè)廢液入口經(jīng)過底層集流模塊的管道后接總廢液出口。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述螺旋流道的橫截面為低深寬比矩形。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(guān)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(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述每層功能模塊上端面有12*12個(gè)凸起圓柱，下端面有12*12個(gè)圓柱孔，各層之間通過凸起圓柱和圓柱孔進(jìn)行鍵。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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(jìn)行定位，通過卡扣方式進(jìn)行緊密連接。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述分流模塊、功能模塊、底層集流模塊材質(zhì)為半透明樹脂。

本發(fā)明一項(xiàng)所述的通量可調(diào)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(gè)微流道通過微加工技術(shù)制作；

（2）通過卡口固定和鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)每層功能模塊上下板的堆垛和封裝；

（3）通過鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(biāo)液出口和廢液出口與底層集流模塊的目標(biāo)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(fā)明通量可調(diào)控的微流控集成器件及其制作方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果如下：本發(fā)明的微流道結(jié)構(gòu)通過使用螺旋流道，加快粒子的聚焦速度并使結(jié)構(gòu)更加緊湊，巧妙利用微流體慣性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)微米級生物粒子的高通量、連續(xù)流濃縮，該技術(shù)僅需控制流道的橫截面尺寸和流道總體長度，具有結(jié)構(gòu)簡單、無需借助外場、通量高、芯片制作成本低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，本發(fā)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(lián)的方式使?jié)饪s的速度成倍提高；克服了常規(guī)濃縮技術(shù)只能通過固定數(shù)量的流道芯片低通量濃縮樣本的局限；與現(xiàn)有平面多濃縮單元集成技術(shù)相比，具有易集成微型化等優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明提出的器件和制作方法可廣泛用于臨床診斷、生物學(xué)研究、生化分析、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的檢測對象高通量濃縮。

附圖說明

圖1是本發(fā)明功能模塊的模塊上板的仰視圖；

圖2是本發(fā)明功能模塊的模塊下板的俯視圖；

圖3是本發(fā)明的單層功能模塊三維外觀模型圖；

圖4是本發(fā)明的單層功能模塊內(nèi)部透視圖；

圖5是本發(fā)明單個(gè)分流模塊的三維外觀模型；

圖6是本發(fā)明底層集流模塊的俯視圖；

圖7是一個(gè)兩層功能模塊的整體封裝主視圖；

圖8是一個(gè)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(biāo)液出口一；11、定位孔；12、卡槽；13、廢液出口二；14、目標(biāo)液出口二；15、定位銷；16、卡口；17、廢液入口一；18、目標(biāo)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(biāo)液入口二；22、廢液入口二；23、總目標(biāo)液出口；24、總廢液出口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提供一種基于樂高模型的處理通量可調(diào)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(gè)樂高模塊垂直堆垛，同時(shí)進(jìn)行樣品的濃縮，來實(shí)現(xiàn)高通量的處理要求和處理通量可自由調(diào)控的目的。

本實(shí)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(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)。功能模塊中微流控芯片主體是四個(gè)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(dá)到0.1mm，接近3d打印的最高精度0.05mm，所以打印時(shí)暫時(shí)不打印螺旋流道，螺旋流道通過之后在實(shí)驗(yàn)室用無掩膜光刻技術(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)流道分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分打印后刻畫出流道槽，另一部分作為端蓋，將兩片進(jìn)行貼合形成完整流道。但同時(shí)，使用這個(gè)方法會帶來一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，就是如何將兩片流道有效的實(shí)施密封以實(shí)現(xiàn)無漏液。我們采用凹槽式流道+涂膠密封的方法來實(shí)現(xiàn)，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(yī)用膠，待膠體半固化時(shí)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(gè)模塊單獨(dú)制作完畢后，根據(jù)需要的處理通量選擇適當(dāng)數(shù)量的功能模塊，將其入口對向同一個(gè)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(jī)制，對齊每兩塊功能模塊之間的插孔十分方便。當(dāng)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(biāo)液和廢液的出口。功能模塊入處每兩個(gè)孔間接插上一個(gè)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(gè)分流模塊入口接一個(gè)更大的分流模塊，以此類推。直到最后只有一個(gè)總樣品入口。器件的搭建即完畢。

本實(shí)施例所述兩層結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確的提取出感興趣的目標(biāo)檢測對象、對鹽藻細(xì)胞的分選聚焦以及濃縮等實(shí)際應(yīng)用。

本實(shí)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(shè)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(biāo)液出口一10、定位孔11和卡槽12，本實(shí)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(jìn)入到四個(gè)螺旋流道7，經(jīng)過分岔流道8的端部分別與廢液出口一9和目標(biāo)液出口一10連通，功能模塊上板有三個(gè)定位孔11，另有六個(gè)卡槽12。

如圖2所示，功能模塊下板分為廢液出口二13、目標(biāo)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(gè)封閉的流道，流體可以在上下板之間流動(dòng)，流體在流道中濃縮后，通過廢液出口二13和目標(biāo)液出口二14漏入下一層的廢液入口和目標(biāo)液入口。功能模塊下板也有三個(gè)定位銷15，另有六個(gè)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行處理，同時(shí)上層功能模塊處理后的目標(biāo)液和廢液分別通過廢液入口一17和目標(biāo)液入口一18進(jìn)入本層功能模塊并一起通過本層廢液出口一9和目標(biāo)液出口一10排出。

如圖4所示，單個(gè)分流模塊的功能是將進(jìn)入分流模塊的樣品從分流模塊樣品入口19進(jìn)入，通過內(nèi)部流道實(shí)現(xiàn)均等分配，再從兩個(gè)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(gè)目標(biāo)液入口二21和四個(gè)廢液入口二22收集上層功能模塊匯集的目標(biāo)液和廢液，并通過流道匯集起來，分別通過總目標(biāo)液出口23和總廢液出口24流出收集。

如圖6所示，為一個(gè)使用兩層集流模塊并聯(lián)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(biāo)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(gè)使用16層集流模塊并聯(lián)工作的整體封裝的示意圖，圖中分流模塊樣品入口19經(jīng)過多個(gè)不同大小的分流模塊塑料接口，將流量均等分配入16個(gè)功能模塊，通過總目標(biāo)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(shí)工作，也可以輕松實(shí)現(xiàn)。

本實(shí)施例中提出的多層結(jié)構(gòu)分選器件不需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和耗能外場輔助，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于環(huán)境監(jiān)控、臨床診斷治療、生物學(xué)及生化分析等研究應(yīng)用中。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。