一種基于微流控芯片的磁分離裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于微流控芯片的磁分離裝置，包括微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈；所述微流控芯片具有平行設(shè)置的微流控通道以及微磁體，所述微磁體用于施加方向垂直于微流控通道的梯度磁場；所述第一亥姆霍茲線圈用于施加靜態(tài)均勻磁場；所述第二線圈用于施加周期磁場；其中，所述靜態(tài)均勻磁場與所述梯度磁場共同作用，獲得增強(qiáng)的梯度磁場，使所述樣品液中的不同粒子分離；所述靜態(tài)均勻磁場與所述周期磁場共同作用，獲得大小和方向周期性變化的磁場，避免所述樣品液中的粒子團(tuán)聚。本實(shí)用新型中涉及的磁分離裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、對樣品液中的粒子解聚效果良好、經(jīng)濟(jì)性高，可大大推動微流控芯片系統(tǒng)中磁分離裝置的研究。
【專利說明】
一種基于微流控芯片的磁分離裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于微流控芯片領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于微流控芯片的磁分離
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)和微納米技術(shù)的進(jìn)步，基于微流控芯片系統(tǒng)的生物分離技術(shù)得到了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，其具有樣品需樣量低、高檢測速度、高精細(xì)化和可控化等優(yōu)勢，成為目前進(jìn)行生物分離技術(shù)研究的重要手段，在細(xì)胞分離、蛋白質(zhì)和核酸的分離純化等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]微尺度下，利用磁場力誘導(dǎo)磁微/納米微粒定向移動實(shí)現(xiàn)精細(xì)分離的磁泳分離技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種重要的生物分離手段，其優(yōu)勢在于磁場力具有很強(qiáng)的可控性和靈活性，且分離效率不受通道表面電荷、溶液PH值和離子強(qiáng)度等影響，在高純度磁性顆粒制備及其生物應(yīng)用中均有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]但在現(xiàn)有磁泳分離系統(tǒng)中，磁場類型一般為由永磁體或電磁鐵產(chǎn)生的靜態(tài)梯度磁場，例如非專利綜述文獻(xiàn)Magnetism and microfluidics(N.Pamme,Lab Chip，2006，6，24-38.)公開了多種用于磁分離的微流控芯片。在梯度磁場的作用下，磁性粒子間會產(chǎn)生相互作用力，從而發(fā)生磁團(tuán)聚行為，從而導(dǎo)致以下3種問題:
[0005](I)磁性微粒間的團(tuán)聚行為可造成非目標(biāo)生物被機(jī)械地夾雜在團(tuán)聚體中而影響分離精度；
[0006](2)在微流控芯片分離系統(tǒng)中磁性微粒團(tuán)聚體因極易被捕獲而容易造成微管道堵塞；
[0007](3)不同磁性粒子間的團(tuán)聚行為導(dǎo)致系統(tǒng)無法根據(jù)微粒自身物理特性(如粒徑大小、磁化率等物理特性)的差異而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的有效分離。
[0008]上述問題導(dǎo)致系統(tǒng)只能分離濃度低于0.1%的粒子，從而影響了分離的效率，制約了高精度磁泳分離技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種基于微流控芯片的磁分離裝置，其目的在于通過磁分離裝置的改進(jìn)，對微流控通道施加靜態(tài)均勻磁場以及周期磁場，由此解決樣品液中的粒子團(tuán)聚的技術(shù)問題。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本實(shí)用新型的一個方面，提供了一種基于微流控芯片的磁分離裝置，包括微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈；
[0011]所述微流控芯片具有平行設(shè)置的微流控通道以及微磁體，所述微流控通道用于引入樣品液，所述微磁體用于對所述微流控通道中的樣品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁場；
[0012]所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸與所述微流控芯片共平面，且所述微流控通道位于所述第一亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域;所述第二亥姆霍茲線圈的中心軸與所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸互相垂直平分;所述第一亥姆霍茲線圈用于通入恒定電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加靜態(tài)均勻磁場;所述第二線圈用于通入周期變化的電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加周期磁場，所述周期磁場為強(qiáng)度周期變化的均勻磁場；
[0013]其中，所述周期磁場垂直于靜態(tài)均勻磁場;所述靜態(tài)均勻磁場與所述梯度磁場共同作用，獲得增強(qiáng)的梯度磁場，使所述樣品液中的不同粒子分離;所述靜態(tài)均勻磁場與所述周期磁場共同作用，獲得強(qiáng)度和方向周期性變化的磁場，避免所述樣品液中的粒子團(tuán)聚。
[0014]優(yōu)選地，所述微流控芯片還包括多個分離出口，所述多個分離出口設(shè)置于所述微流控通道的出口處，用于收集所述樣品液中分離的粒子。
[0015]優(yōu)選地，所述磁分離裝置還包括第三亥姆霍茲線圈，所述第三亥姆霍茲線圈的中心軸與所述微流控芯片共平面，且所述第三亥姆霍茲線圈的中心軸與所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸垂直平分;所述第三亥姆霍茲線圈用于通入恒定電流，從而與所述第一亥姆霍茲線圈共同對所述微流控通道中的樣品液施加靜態(tài)均勻磁場。
[0016]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述第一亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的X軸線圈，所述第三亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的y軸線圈，所述第二亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的Z軸線圈。
[0017]優(yōu)選地，所述微磁體為微型電磁體，所述微型電磁體用于通入恒定電流，從而產(chǎn)生對所述樣品液產(chǎn)生垂直于微流控通道方向的梯度磁場。
[0018]優(yōu)選地，所述磁分離裝置還包括固定裝置，所述固定裝置與微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈固定連接，用于對所述微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈的相對位置固定。
[0019]總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于將靜態(tài)均勻磁場以及周期磁場引入了微流控芯片，能夠取得下列有益效果:
[0020]1、本實(shí)用新型的磁分離裝置除了對所述微流控通道中的樣品液施加垂直于微流控通道方向的梯度磁場，還引入了靜態(tài)均勻磁場以及周期磁場對樣品液中的粒子進(jìn)行分離，周期磁場與靜態(tài)均勻磁場能共同作用產(chǎn)生強(qiáng)度和方向周期性變化的磁場，將樣品液中的粒子的單一吸力變?yōu)榻惶娴奈?斥力狀態(tài)，避免所述樣品液中不同的粒子團(tuán)聚，使得該系統(tǒng)在樣品液的濃度較高時(shí)能減少粒子間的團(tuán)聚現(xiàn)象，從而提高了分離效率；
[0021]2、磁分離裝置產(chǎn)生的靜態(tài)均勻磁場同時(shí)還有增強(qiáng)梯度磁場的作用，使所述樣品液中的不同粒子分離的準(zhǔn)確性得到了提高；
[0022]3、微磁體、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈可以對梯度磁場、靜態(tài)均勻磁場以及周期磁場進(jìn)行分別控制，方便根據(jù)實(shí)際情況對磁場的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整；
[0023]4、本實(shí)用新型中涉及的磁分離裝置構(gòu)造簡單、控制方便、經(jīng)濟(jì)性高，能實(shí)現(xiàn)磁場方向和磁場梯度力的解耦控制，可大大推動微流控芯片磁分離系統(tǒng)中磁性微粒高精度分離的方法的研究。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1在微流控芯片處的截面示意圖；
[0025]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1微流控芯片的俯視圖；
[0026]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例1微流控芯片上的微流控通道和微電磁體的俯視圖；
[0027]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例1的三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的xy平面磁場類型示意圖
[0028]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例1的三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的z軸磁場類型示意圖；
[0029]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:Hx1、Hx2-x軸線圈；Hyl、Hy2_y軸線圈；Hzl、Hz2-z軸線圈；a-微流控芯片，21a、21b、24a、24b_敷銅區(qū)域，23a、23b-電極，12-入口通道，14-出口通道，13-進(jìn)樣口，15-分離區(qū)域，17-入口通道，7-絕緣區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]本實(shí)用新型提供了一種基于微流控芯片的磁分離裝置，包括固定裝置、微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈；
[0032]所述固定裝置與微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈固定連接，用于對所述微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈的相對位置固定；
[0033]所述微流控芯片具有平行設(shè)置的微流控通道以及微磁體，所述微流控通道用于引入樣品液，所述微磁體用于對所述微流控通道中的樣品液施加方向垂直于微流控通道的梯度磁場;所述微磁體優(yōu)選為微型電磁體，微型電磁體中可通入恒定電流，從而產(chǎn)生對所述樣品液產(chǎn)生垂直于微流控通道方向的梯度磁場;所述微流控芯片還可包括多個分離出口，所述多個分離出口設(shè)置于所述微流控通道的出口處，用于收集所述樣品液中分離的粒子；
[0034]所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸與所述微流控芯片共平面，且所述微流控通道位于所述第一亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域;所述第二亥姆霍茲線圈的中心軸與所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸互相垂直平分;所述第一亥姆霍茲線圈用于通入恒定電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加均勻度高于90%的靜態(tài)均勻磁場;所述第二線圈用于通入周期變化的電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加周期磁場，所述周期磁場為強(qiáng)度周期變化的均勻磁場；
[0035]其中，所述周期磁場垂直于靜態(tài)均勻磁場;所述靜態(tài)均勻磁場與所述梯度磁場共同作用，獲得增強(qiáng)的梯度磁場，使所述樣品液中的不同粒子分離;所述靜態(tài)均勻磁場與所述周期磁場共同作用，獲得強(qiáng)度和方向周期性變化的磁場，避免所述樣品液中的粒子團(tuán)聚。
[0036]所述磁分離裝置可直接利用一套三軸亥姆霍茲線圈中的不同軸向的線圈分別作為第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈使用；例如，可以把微流控芯片與三軸亥姆霍茲線圈中的z軸線圈平行設(shè)置;所述三軸亥姆霍茲線圈中的X軸線圈用于通入恒定電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加靜態(tài)均勻磁場，所述三軸亥姆霍茲線圈中的z軸線圈用于通入周期變化的電流，從而對所述微流控通道中的樣品液施加周期磁場;而y軸線圈既可以通入恒定電流，與X軸線圈共同對所述微流控通道中的樣品液施加靜態(tài)均勻磁場，也可以通入與z軸線圈中相同周期的變化的電流，與z軸線圈共同對所述微流控通道中的樣品液施加周期磁場。
[0037]在該裝置工作時(shí)，第一亥姆霍茲線圈通入直流電源而產(chǎn)生靜態(tài)均勻磁場，其磁場強(qiáng)度大于微磁體產(chǎn)生的梯度磁場的最高強(qiáng)度的5?1倍，而梯度磁場的磁場梯度大于靜態(tài)均勻磁場的1000倍以上；由于磁場力與磁場強(qiáng)度和梯度均成正比關(guān)系，故第一亥姆霍茲線圈和微電磁體共同作用后粒子所受的梯度磁場力提升了 5倍?10倍。同時(shí)，第二亥姆霍茲線圈產(chǎn)生垂直于微流控芯片的周期磁場，該周期磁場與靜態(tài)均勻磁場進(jìn)行耦合，獲得一個強(qiáng)度和方向周期性變化的磁場，從而使得粒子間的磁作用力方向也隨之發(fā)生周期性變化，從而起到抑制粒子團(tuán)聚和團(tuán)聚粒子解聚的作用。
[0038]在具體操作中，可以根據(jù)微流控芯片尺寸、微通道尺寸、磁納米粒子粒徑、磁納米粒子溶液濃度、流速、微芯片工作時(shí)間(溫度)、實(shí)驗(yàn)溫度等因素對磁場的強(qiáng)度、方向和頻率進(jìn)行設(shè)置。
[0039]實(shí)施例1
[0040]本實(shí)施例的磁分離裝置包括三軸亥姆霍茲線圈以及微流控芯片a;三軸亥姆霍茲線圈由一對X軸線圈、一對y軸線圈以及一對z軸線圈組成，其中每軸亥姆霍茲線圈外側(cè)設(shè)置有沿中心軸對稱的4個螺桿，螺桿上設(shè)置有螺帽，用于調(diào)節(jié)X軸線圈、y軸線圈以及z軸線圈的相對位置。微流控芯片放置在微型升降臺上，使得微流控芯片位于所述三軸亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域且與z軸線圈平行，螺桿、螺帽以及微型升降臺共同構(gòu)成了固定裝置。三軸亥姆霍茲線圈以及微流控芯片a在微流控芯片處的截面示意圖如圖1所示，可看到y(tǒng)軸線圈Hyl和Hy2設(shè)置于上下方，X軸線圈Hxdrax2S置于左右方，y軸線圈和X軸線圈共同作為第一亥姆霍茲線圈使用，z軸線圈與微流控芯片平行，作為第二亥姆霍茲線圈使用。
[0041]其中，微流控芯片a的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括實(shí)心敷銅區(qū)域。敷銅區(qū)域24a可通過電極23a外接電信號，敷銅區(qū)域24b可通過電極23b外接電信號，敷銅區(qū)域21a和21b包裹在T型微流通道的外壁，該T型通道包括進(jìn)樣口 13、入口通道12、分離區(qū)域15以及液體出口 11。磁納米粒子懸濁液和緩沖液分別通過兩個進(jìn)樣口 13以及入口通道12，經(jīng)分離區(qū)域15分散后從液體出口 11收集。絕緣區(qū)域7和敷銅區(qū)域等厚，用以形成一部分管道外壁和絕緣電極的作用。分離區(qū)域15中的敷銅線構(gòu)成微電磁體，其產(chǎn)生梯度磁場的強(qiáng)度和方向可通過電極所接入的電流信號予以控制。敷銅區(qū)域21 a和21 b構(gòu)成微電磁體的散熱銅片單元。
[0042]圖3為本實(shí)例的微流控芯片和微電磁體的簡化結(jié)構(gòu)示意圖。進(jìn)樣口13分別為磁納米粒子入口和緩沖液入口，區(qū)域15為解聚分離區(qū)域，出口 11為液體出口。其中敷銅線24a、24b是微電磁體的簡化示意圖，敷銅線34電流大小方向?yàn)镮i，敷銅線35電流大小方向?yàn)?2，復(fù)合梯度磁場大小和分布可通過調(diào)節(jié)11&I2的大小和方向予以控制。
[0043]本實(shí)用新型的三軸亥姆霍茲線圈和微電磁體構(gòu)成空間高梯度復(fù)合震蕩磁場發(fā)生單元，其產(chǎn)生的磁場主要作用區(qū)域?yàn)閳D2和3中的分離區(qū)域15，即微流控芯片所在區(qū)域。為了保證有效的作用空間和均勻度，亥姆霍茲線圈的半徑一般應(yīng)大于微流控芯片有效作用區(qū)域的5倍以上。具體工作方式:
[0044](I)x軸線圈Hxl&Hx4Py軸線圈Hyl&Hy2中通入恒定的直流共同產(chǎn)生xy平面的靜態(tài)均勻磁場，如圖4所示;微電磁體在分離區(qū)域15周圍產(chǎn)生梯度磁場，其中，靜態(tài)均勻磁場的強(qiáng)度要大于梯度磁場的5?10倍以上;而微電磁體產(chǎn)生的磁場梯度要明顯大于靜態(tài)均勾磁場產(chǎn)生的磁場梯度(1000倍以上)。由于磁場力與磁場強(qiáng)度和梯度均成正比關(guān)系，故X軸線圈、y軸線圈和微電磁體共同作用后磁納米粒子所受的梯度磁場力顯著得了 5?10倍的提升，可以驅(qū)動微流體中的磁納米粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)而分離。
[0045](2)z軸線圈Hzi&Hz2產(chǎn)生z方向的周期方波脈沖磁場，如圖5所示，該磁場與X軸線圈ftd&HxdPy軸線圈Hyl&Hy2產(chǎn)生xy平面的靜態(tài)均勻磁場進(jìn)行耦合，產(chǎn)生一個強(qiáng)度和方向周期性變化的磁場，從而使得微流體中的磁納米粒子間磁作用力方向也隨之發(fā)生周期性變化，從而起到抑制粒子團(tuán)聚和團(tuán)聚粒子解聚的作用。
[0046](3)本實(shí)用新型實(shí)施過程中(I)和(2)同時(shí)進(jìn)行的，所以粒子解聚、抑制團(tuán)聚和粒子的分離是同時(shí)發(fā)生的。流體中的磁納米粒子在梯度磁場力作用下會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與磁性粒子大小及磁化率成正比，因此不同類型的粒子會由于偏轉(zhuǎn)角度不同而流入不同的出口通道11，從而實(shí)現(xiàn)分離。
[0047]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于微流控芯片的磁分離裝置，其特征在于，包括微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈； 所述微流控芯片具有平行設(shè)置的微流控通道以及微磁體； 所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸與所述微流控芯片共平面，且所述微流控通道位于所述第一亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域;所述第二亥姆霍茲線圈的中心軸與所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸互相垂直平分。2.如權(quán)利要求1所述的磁分離裝置，其特征在于，所述微流控芯片還包括多個分離出口，所述多個分離出口設(shè)置于所述微流控通道的出口處。3.如權(quán)利要求1所述的磁分離裝置，其特征在于，所述磁分離裝置還包括第三亥姆霍茲線圈，所述第三亥姆霍茲線圈的中心軸與所述微流控芯片共平面，且所述第三亥姆霍茲線圈的中心軸與所述第一亥姆霍茲線圈的中心軸垂直平分。4.如權(quán)利要求3所述的磁分離裝置，其特征在于，所述第一亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的X軸線圈，所述第三亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的y軸線圈，所述第二亥姆霍茲線圈為三軸亥姆霍茲線圈中的z軸線圈。5.如權(quán)利要求1所述的磁分離裝置，其特征在于，所述微磁體為微型電磁體。6.如權(quán)利要求1所述的磁分離裝置，其特征在于，所述磁分離裝置還包括固定裝置，所述固定裝置與微流控芯片、第一亥姆霍茲線圈以及第二亥姆霍茲線圈固定連接。
【文檔編號】G01N1/40GK205538421SQ201620299563
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】韓小濤, 曹全梁, 馮洋, 王楨, 張紹哲, 李亮
【申請人】華中科技大學(xué)