本發(fā)明涉及一種移液器槍頭，特別是一種用于微米粒子和細(xì)胞快速濃縮的微流控移液器槍頭。

背景技術(shù)：

微米粒子和細(xì)胞等有形固體成分的濃縮是廣泛應(yīng)用于生化、醫(yī)藥、食品和環(huán)境等行業(yè)的技術(shù)手段。傳統(tǒng)的微?；蚣?xì)胞濃縮借助微孔膜過濾或者高速離心來實現(xiàn)。微孔膜過濾通過選擇孔隙小于微?；蚣?xì)胞尺寸的濾膜，使微粒或細(xì)胞被阻隔于膜上，濾掉空白液體來提升樣品的濃度。但如何將微?；蚣?xì)胞從微孔膜上洗脫收集仍是一個艱巨的挑戰(zhàn)。另外，微孔膜過濾方法存在膜孔堵塞、濃縮效率低及濾膜通用性差等問題。

高速離心是有形固體成分濃縮中的金標(biāo)準(zhǔn)方法，也是目前使用最為廣泛和成熟的方法。該方法借助高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的足夠強(qiáng)離心力使得有形固體成分沉降至離心管底部，然后通過移除上清液來實現(xiàn)樣品濃度的提升。但過高的離心力會對細(xì)胞等柔性生物成分產(chǎn)生不可逆損傷，損失寶貴的樣品資源。同時，專業(yè)的操作方法體系需要借助外部電源和昂貴離心設(shè)備限制了該方法在野外及低硬件配置實驗室等環(huán)境中的使用。另外，高速離心方法并不適用于濃縮樣品液中目標(biāo)微?；蚣?xì)胞成分含量非常低的情況。

微流控技術(shù)通過設(shè)計獨(dú)特的微流道來控制樣品的傳輸、聚焦、排列、分選和捕捉等樣品預(yù)處理功能。具有硬件成本低、所需樣品量少，操作效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。然而對于微流控微粒/細(xì)胞濃縮目前仍停留在實驗室層級的研究。研究者借助軟光刻技術(shù)制備器件，采用注射泵注入樣品實現(xiàn)微粒/細(xì)胞的濃縮，且樣品處理通量非常低。因此，目前仍舊缺乏可直接與實驗室常用簡單工具連用的器件和高通量微流控濃縮方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種微流控移液器槍頭，使用該槍頭可實現(xiàn)給定尺寸細(xì)胞或其他微米級粒子的連續(xù)高效濃縮。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種微流控移液器槍頭，包括本體和外囊，所述本體包括設(shè)在本體尾部區(qū)域內(nèi)的進(jìn)液通道、沿本體圓周周向排布的若干個濃縮微流道、設(shè)在本體外表面的空白液體出口，以及設(shè)在本體頭部區(qū)域內(nèi)的出液通道；濃縮微流道包括直流道、分叉流道、中間流道和兩路旁支流道，直流道一端與進(jìn)液通道連通，另一端與分叉流道連通，中間流道一端與分叉流道連通，另一端與出液通道連通，兩路旁支流道分別設(shè)在中間流道兩側(cè)，旁支流道的一端與分叉流道連通，另一端向本體外表面彎折并與空白液體出口連通；所述外囊套在本體外部，并與本體之間形成空腔，空腔與空白液體出口連通。

本發(fā)明工作原理：樣品液通過移液器以特定的流速注入本體的進(jìn)液通道，再經(jīng)過濃縮微流道濃縮處理；在直流道中，樣品液中的微米粒子受到流體拖拽力的作用而沿著流動方向運(yùn)動，由于直流道中伯嘯葉流的拋物線型速度剖面，微米粒子將受到指向壁面的剪切誘導(dǎo)慣性升力的作用朝著壁面運(yùn)動，當(dāng)微米粒子靠近壁面時，微米粒子自轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對稱尾跡被壁面影響而產(chǎn)生一個指向直流道中心線的壁面誘導(dǎo)慣性升力?；谖⒘黧w的慣性效應(yīng)，微米粒子在直流道與分叉流道連通處聚焦至中心平衡位置，空白液流入兩路旁支流道，自空白液體出口導(dǎo)入本體與外囊形成的空腔，而濃縮后的樣品液從中間流道流入出液通道，導(dǎo)出收集備用。

其中，所述進(jìn)液通道包括樣品入口和儲液池；樣品入口設(shè)在本體尾部，儲液池一端與樣品入口相連通，另一端與濃縮微流道的直流道連通。樣品入口用于接入常規(guī)移液器槍頭，常規(guī)移液器槍頭插入樣品入口并與樣品入口通過過盈配合實現(xiàn)緊密連接。

所述出液通道包括樣品液體收集腔、漸窄導(dǎo)流通道和樣品出口；樣品液體收集腔一端與濃縮微流道的中間流道連通，另一端與漸窄導(dǎo)流通道連通，漸窄導(dǎo)流通道的另一端為樣品出口，樣品出口設(shè)在本體頭部。樣品液經(jīng)過濃縮后從中間流道流入樣品液收集腔，再流經(jīng)漸窄導(dǎo)流通道，自樣品出口導(dǎo)出。

所述直流道的橫截面尺寸和待濃縮粒子尺寸的關(guān)系為：

ap/lc≥0.07

其中：ap為濃縮粒子的最大直徑；lc為直流道的特征尺寸。

所述外囊尾部內(nèi)表面和本體尾部外表面分別設(shè)有相對應(yīng)的非密封螺紋，本體通過非密封螺紋旋緊在外囊內(nèi)部，槍頭本體頭部與外囊接觸并且密封，以防止空白液體再次接觸樣品液?？涨煌ㄟ^非密封螺紋連通外部大氣，以保證空白液體的順利引入。

本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的使用方法，其步驟如下：

(1)移液器裝上常規(guī)移液器槍頭，按照移液器使用規(guī)程吸取待濃縮粒子樣品液；

(2)將常規(guī)移液器槍頭插入微流控移液器槍頭進(jìn)液通道，兩者通過過盈配合實現(xiàn)緊密連接；

(3)按壓移液器，樣品經(jīng)過濃縮后由出液通道導(dǎo)出，用目標(biāo)樣品管收集備用；

(4)使用完畢，將常規(guī)移液器槍頭和微流控移液器槍頭整體取下丟棄，或者將外囊單獨(dú)取下，把外囊中儲存的空白液體倒入廢液池。

有益效果：本發(fā)明的濃縮微流道結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)調(diào)整樣品液的流速，突破傳統(tǒng)微流控中低雷諾數(shù)的觀念，巧妙的利用微流體慣性效應(yīng)來實現(xiàn)微米級粒子的高通量、連續(xù)流濃縮；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、通量高；僅需控制直流道的橫截面尺寸和流道總體長度，無需借助外力場；同時，本發(fā)明通過移液器注入樣品液，實現(xiàn)對樣品液的濃縮，有效的降低了濃縮器件的成本，本發(fā)明體積小、使用方法簡單，工作效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的濃縮微流道結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的若干個濃縮微流道周向排布示意圖；

圖5是本發(fā)明的濃縮微流道濃縮原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1-4所示，本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭包括本體1和外囊2。組件可通過注塑成型、機(jī)加工或者3d打印方式得到，本體1優(yōu)先采用3d打印整體一次成型，從而獲得精度較高的零部件，或者也可以通過精密加工多個組件，經(jīng)過配合組裝而成。本體1和外囊2通過設(shè)置在各自尾部相對應(yīng)的非密封螺紋11旋緊連接，兩者之間形成空腔5。空腔5與設(shè)置在本體1外表面的空白液體出口4連通，用于存儲空白液體，空腔5通過位于尾部一端的非密封螺紋11與外部保持連通，以防止空腔5內(nèi)部壓力過高，保證空白液體順利引入空腔5；在空腔5另一端，本體1頭部外表面與外囊2內(nèi)壁緊密接觸并形成密封，以此阻隔空白液，避免空白液接觸濃縮后的樣品液。本體1還設(shè)有樣品入口6、儲液池7、若干個沿本體1圓周周向排布的濃縮微流道3、樣品液收集腔8、漸窄導(dǎo)流通道9，以及樣品出口10；其中，樣品出口10設(shè)置在本體1頭部，其他各組件設(shè)置在本體1內(nèi)部；樣品入口6設(shè)在本體1尾部區(qū)域，為自本體1尾部深入的倒圓臺形通道，用于插入市面上普通移液器的槍頭，樣品入口6通過過盈配合以實現(xiàn)與普通移液器槍頭之間的緊密連接；樣品入口6與儲液池7連通，儲液池7與若干個濃縮微流道3連通，儲液池7體積小于普通移液器槍頭的容積，以保證有足夠的壓力驅(qū)動樣品液進(jìn)入濃縮微流道3中。濃縮微流道3包括直流道31、分叉流道32、中間流道33和兩路旁支流道34；直流道31的橫截面為低深寬比矩形，低深寬比矩形是指寬度比高度大很多的矩形，本實施例中，圓周方向的長邊為直流道31的寬度，而沿徑向的短邊為直流道31的高度。直流道31一端連通儲液池7，另一端與分叉流道32連通；分叉流道32的分叉比例可根據(jù)樣品對象的尺寸和濃度來進(jìn)行調(diào)整，從而便于優(yōu)化濃縮效率，分叉流道32將濃縮微流道3分成一路中間流道33和兩路旁支流道34，中間流道33一端與分叉流道32連通另一端與樣品液收集腔8連通，兩路旁支流道34分別設(shè)置在中間流道33兩側(cè)，旁支流道34一端與分叉流道32連通，另一端向本體1外表面彎折并連通位于本體1外表面的空白液體出口4。樣品液體收集腔8與漸窄導(dǎo)流通道9連通，漸窄導(dǎo)流通道9另一端為設(shè)在本體頭部的樣品出口10。

如圖5所示，本發(fā)明濃縮微流道3的濃縮原理：用特定流速往直流道31內(nèi)注入微米粒子懸浮液后，直流道31入口區(qū)域的微米粒子12隨機(jī)排布，微米粒子12將受到流體拖拽力f的作用而沿著流動方向運(yùn)動。在一定流速條件下，由于直流道31中伯嘯葉流的拋物線型速度剖面，微米粒子12受到指向壁面剪切誘導(dǎo)慣性升力f3的作用而朝著壁面運(yùn)動。當(dāng)微米粒子12靠近壁面時，由于微米粒子12因為自轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對稱尾跡被壁面影響而產(chǎn)生一個指向直流道31中心線的壁面誘導(dǎo)慣性升力f2。當(dāng)微米粒子12尺寸和直流道31尺寸滿足：ap/lc≥0.07，其中：ap為微米粒子12得直徑；lc為直流道的特征尺寸；本實施例中，對于低深寬比矩形橫截面的直流道31的特征尺寸可用短邊估算，即可用徑向方向的矩形高度估算，滿足該條件的微米粒子12將在上述剪切誘導(dǎo)慣性升力f3和壁面誘導(dǎo)慣性升力f2的共同作用下，基于微流體管慣性效應(yīng)，在直流道31出口區(qū)域聚焦至中心平衡位置，分叉流道32起到分流空白液體的作用，將空白液從兩路旁支流道34引出，而濃縮后的樣品液則從中間流道33流出并被收集。對于等分結(jié)構(gòu)的分叉流道32，理論上單次濃縮可以去掉三分之二的空白液體，從而將樣品液微米粒子濃度提升三倍。如果設(shè)置成非等分分叉流道32，縮小中間流道33的寬度可進(jìn)一步提高單次的濃縮率。濃縮微流道3中的矩形橫截面的直流道31僅需滿足矩形橫截面符合特定粒子的平衡聚焦，直流道31的通道長度能使符合要求的粒子均能遷移至平衡位置即可。

如圖4所示，所述的微流控移液器槍頭，本體1內(nèi)設(shè)置40條周向排布的濃縮微流道3，濃縮微流道3設(shè)在本體1的實體材料內(nèi)，可通過3d打印直接在塑料材料內(nèi)打印加工，或者將本體1進(jìn)一步細(xì)化成多個零部件組裝而成。在保證本體1內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變形的情況下，可以根據(jù)需要增加或者減少濃縮微流道3的數(shù)量。濃縮微流道3可以通過改變樣品液驅(qū)動流速條件使其完成多種不同尺寸細(xì)胞或者微米粒子的高通量濃縮。所述槍頭可廣泛適用于檢測血樣中血細(xì)胞的濃縮和血漿的提取、城市污水中多種微米級雜質(zhì)的去除及稀有細(xì)胞的富集等場合。

本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的使用流程：選擇合適的常規(guī)移液器和合適容量的常規(guī)移液器槍頭，按照移液器的正確使用規(guī)程吸取待濃縮粒子樣品液，將移液器槍頭插入本發(fā)明所述的微流控移液器槍頭的樣品入口6內(nèi)，按壓移液器，樣品液經(jīng)過本發(fā)明所述微流控移液器槍頭的濃縮，從樣品出口10導(dǎo)出，由目標(biāo)樣品管收集備用。使用完畢后，可將常規(guī)移液器槍頭和微流控移液器槍頭整體取下丟棄，亦可將微流控移液器槍頭的本體1旋出，將外囊2中儲存的空白液體倒入廢液池中。