一種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，包括光學(xué)探測微通道和分別位于光學(xué)探測微通道兩端的微流入口和微流出口；所述微流入口包括樣品粒子入口，鞘層1入口，鞘層2入口；所述鞘層1入口和鞘層2入口對稱的分布在樣品粒子入口兩側(cè)；所述微流出口旁設(shè)置有向光學(xué)探測微通道傾斜的光纖槽，所述光纖槽與光學(xué)探測微通道之間設(shè)置有準(zhǔn)直凹透鏡。本實用新型引入了全內(nèi)反射的消逝場來對納米顆粒的高速探測的設(shè)計，兩相流即混合油和乙二醇水溶液界面形成的全內(nèi)反射消逝場的趨膚深度也為1μm左右，在此情形下芯層被消逝場全部覆蓋，樣品粒子流將全部經(jīng)過消逝場探測區(qū)。
【專利說明】
一種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于光流控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]全內(nèi)反射型兩相流流式細(xì)胞儀相比于其他的流式細(xì)胞儀，例如直射光入射法，單相流流式細(xì)胞儀等有更高的探測精度。直射光探測法是將激光束直接垂直打在微流溝道中，顆粒通過探測區(qū)會發(fā)出散射光或是被激發(fā)出熒光，在通過集成的光纖將這些光信號導(dǎo)出而轉(zhuǎn)化為所需要的信息。但是由于入射激光的功率限制或是衍射極限的約束，直射探測區(qū)域?qū)τ诩{米顆粒(例如病毒、生物大分子等)的探測是被限制的。并且對于這種直射光探測法探測的范圍有限，對于顆粒不能夠完全識別。單相流的流式細(xì)胞儀在液液界面存在快速的擴(kuò)散現(xiàn)象，對于探測納米級顆粒有局限性。其優(yōu)勢在于:可以利用兩相流在簡單的系統(tǒng)中實現(xiàn)對納米顆粒的探測，既可以大大的提高探測精度，也可以實現(xiàn)高速度探測。
[0003]目前為止基于全內(nèi)反射的探測方法，研究人員已經(jīng)使用過:基于固液表面的全內(nèi)反射探測生物分子的熒光流式細(xì)胞儀，基于全內(nèi)反射顯微鏡的流式細(xì)胞儀，基于兩相流的阻抗式流式細(xì)胞儀。絕大多數(shù)的方法都是只能實現(xiàn)對部分樣品或是微米級樣品的探測，并且效率不高，以上方法都沒有能達(dá)到高速，高效率的納米顆粒的探測要求。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種兩相流流式細(xì)胞儀的具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，涉及兩個方面:一，形成全內(nèi)反射的光流控芯片;二，兩相流的引入。
[0005]—種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:包括光學(xué)探測微通道(2)和分別位于光學(xué)探測微通道(2)兩端的微流入口( I)和微流出口(3);所述微流入口( I)包括樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13);所述鞘層I入口(12)和鞘層2入口(13)對稱的分布在樣品粒子入口(11)兩側(cè);所述微流出口(3)旁設(shè)置有向光學(xué)探測微通道(2)傾斜的光纖槽(4)，所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間設(shè)置有準(zhǔn)直凹透鏡(5)。
[0006]所述芯片的材料為聚一■甲基娃氧燒。
[0007]所述樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13)和光學(xué)探測微通道(2)的寬度一致;光纖凹槽和準(zhǔn)直凹透鏡的寬一致。
[0008]所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間的夾角為5度。
[0009]所述芯片的的折射率為1.406，準(zhǔn)直凹透鏡本體的折射率為1.0且環(huán)境折射率為
1.406。
[0010]所述樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13)和光學(xué)探測微通道(2)的寬度均為30μπι，光纖凹槽和準(zhǔn)直凹透鏡的寬為20微米。
[0011]在光學(xué)探測區(qū)，一束由空氣凹透鏡校準(zhǔn)的激光從與光學(xué)探測微流通道夾角為5°的方向引入，光由芯片注入溝道。鞘層I流的混合油的折射率與芯片材質(zhì)PDMS的折射率一致。當(dāng)光束注入時，無折射的直接經(jīng)過微流通道壁與層流的界面，再經(jīng)過鞘層I流后與油水表面發(fā)生全內(nèi)反射形成消逝場，對比入射光強(qiáng)，消逝場的強(qiáng)度為其3倍左右，并且由理論計算可得其趨膚深度大概有Iym左右，恰好將芯層全覆蓋。
[0012]當(dāng)粒子經(jīng)過光學(xué)探測區(qū)時，納米顆粒會被消逝場照亮，或是散射光，亦或是熒光。如此，有效的實現(xiàn)了對納米顆粒的樣品的探測。該方法在粒子中實現(xiàn)了50nm和10nm的納米金顆粒的探測以及200nm的熒光球的探測。大大提高了流失細(xì)胞儀的探測精度。
[0013]本實用新型工作時，利用532nm的單色激光，通過顯微探測系統(tǒng)，可以觀測到一連串的樣品粒子流快速流過消逝場時散射出來的激光或是被激發(fā)的熒光，高速度下，利用高速探測成像系統(tǒng)，將會采集到不同大小的納米顆粒的圖片。與此同時，利用超連續(xù)白激光形成的消逝場，當(dāng)不同尺寸的納米金顆粒到達(dá)探測區(qū)，由于散射峰不一樣，可以對途徑的納米顆粒進(jìn)行分辨，實現(xiàn)一個分辨的功能。這樣即使在高速下，也大大的提高了探測精度和準(zhǔn)確度。
[0014]本實用新型引入了全內(nèi)反射的消逝場來對納米顆粒的高速探測的設(shè)計。利用水力聚焦將樣品粒子流的寬度控制在Ιμπι，通過計算可得，兩相流即混合油和乙二醇水溶液界面形成的全內(nèi)反射消逝場的趨膚深度也為Iym左右，在此情形下芯層被消逝場全部覆蓋，樣品粒子流將全部經(jīng)過消逝場探測區(qū)。比較與傳統(tǒng)的全內(nèi)反射型流式細(xì)胞儀，探測納米樣品的效率大大提升;比較傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀，它的探測精度是其10倍以上。
[0015]裝有本芯片的流式細(xì)胞儀相比于傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀來說，傳統(tǒng)的流式細(xì)胞儀大多探測微米級別的細(xì)胞，對于納米尺度下的探測無發(fā)實現(xiàn);傳統(tǒng)的全內(nèi)反射流式細(xì)胞儀，大多是利用固液表面(例如，玻璃-水界面)形成全內(nèi)反射的消逝場，這樣的消逝場的趨膚深度緊緊貼在固液界面的深度大該200nm左右，對于探測樣品有非常大的限制，只能探測到緊貼界面的樣品，而且效率也不高，具有很大的局限性。而裝有本芯片的流式細(xì)胞儀將全內(nèi)反射和兩相流結(jié)合起來，利用光流控芯片技術(shù)實現(xiàn)納米顆粒的探測，并且達(dá)到突破衍射極限的水平，大大提高了流式細(xì)胞儀的探測效率和精度。發(fā)明簡單，過程簡易有利于降低成本，大規(guī)模應(yīng)用。
[0016]在本設(shè)計中，我們旨在依靠基于全內(nèi)反射的光流控技術(shù)增加流式細(xì)胞儀的探測精度。我們創(chuàng)新地將油一水界面互不擴(kuò)散的特性和全內(nèi)反射形成消逝場相結(jié)合應(yīng)用到流式細(xì)胞儀中。其中的油水界面的調(diào)至機(jī)制是通過調(diào)節(jié)油與水間的粘滯系數(shù)差來形成一個平滑無擴(kuò)散的穩(wěn)定界面。它為全內(nèi)反射的形成提供了一個相當(dāng)有利的物理條件。其中，油由石蠟油和硅油混合而成，通過不同的配比得到合適的粘度系數(shù)和相應(yīng)的折射率。在此情形下，由全內(nèi)反射形成的消逝場，在油水界面呈指數(shù)衰減并且產(chǎn)生了能夠突破衍射極限的探測光場。利用這個優(yōu)勢，探測納米級顆?；蚴?0nm以下的顆粒成為可能，并將大大提高探測精度。我們采用了水力聚焦的物理原理，利用光流控技術(shù)實現(xiàn)了對全樣品納米顆粒的探測。對應(yīng)這一原理，我們設(shè)計的芯片包含三個入口和一個出口。芯片由樣品粒子入口部引入粒子流，由鞘層I入口部引入混合油，由鞘層2入口部引入輔助流。三股流同時對稱的注入溝道寬度為30μπι的光學(xué)探測微通道，形成三股穩(wěn)定的層流，即粒子流被鞘層流擠壓形成寬度約為Ιμπι的芯流的水力聚焦現(xiàn)象。三股流的流速分別為:粒子流為0.55yL/min，鞘層I流為9.0μ!7min，鞘層2流為3.5yL/min。最終，全部粒子將會被束縛在芯層，并且會全部經(jīng)過探測區(qū)后流入微流出口部。在光學(xué)探測區(qū)，一束由空氣凹透鏡校準(zhǔn)的激光從與光學(xué)探測微流通道夾角為5°的方向引入，光由芯片注入溝道。這里，鞘層I流的混合油的折射率與芯片材質(zhì)PDMS的折射率一致。當(dāng)光束注入時，無折射的直接經(jīng)過微流通道壁與層流的界面，再經(jīng)過鞘層I流后與油水表面發(fā)生全內(nèi)反射形成消逝場，對比入射光強(qiáng)，消逝場的強(qiáng)度為其3倍左右，并且由理論計算可得其趨膚深度大概有Iym左右，恰好將芯層包覆蓋。當(dāng)粒子經(jīng)過光學(xué)探測區(qū)時，納米顆粒會被消逝場照亮，或是散射光，亦或是熒光。如此，有效的實現(xiàn)了對納米顆粒樣品的探測。該方法在粒子中實現(xiàn)了 50nm和10nm的納米金顆粒的探測以及200nm的焚光球的探測。
[0017]本實用新型由有三個區(qū)域組成，首先是水力聚焦區(qū)，其次是光學(xué)探測區(qū)，最終是顆粒出口區(qū)，包含三個入口和一個出口。
[0018]本行實用新型創(chuàng)新地將油一水界面互不擴(kuò)散的特性應(yīng)用于流式細(xì)胞儀，其中的油水界面的調(diào)至機(jī)制是通過調(diào)節(jié)油與水間的粘滯系數(shù)差來形成一個平滑無擴(kuò)散的穩(wěn)定界面。它為全內(nèi)反射的形成提供了一個相當(dāng)有利的物理條件。其中，油由石蠟油和硅油混合而成，通過不同的配比得到合適的粘度系數(shù)和相應(yīng)的折射率，經(jīng)過匹配后混合油的粘滯系數(shù):9.2mPa s,折射率為:1.406(與芯片材質(zhì)PDMS的折射率一致)。
[0019]本實用新型由樣品粒子入口部引入粒子流，由鞘層I入口部引入混合油，由鞘層2入口部引入輔助流。三股流同時對稱的注入溝道寬度為30μπι的光學(xué)探測微通道。在光學(xué)探測微流通道中形成三股穩(wěn)定的層流，即粒子流被鞘層流擠壓形成寬度約為Ιμπι的芯流的水力聚焦現(xiàn)象。三股流的流速分別為:粒子流為0.55yL/min，鞘層I流為9.0yL/min，鞘層2流為
3.5yL/min。粒子在芯層中呈現(xiàn)珍珠串式的排列方式通過光學(xué)探測區(qū)。
[0020]激光通過準(zhǔn)直透鏡，直射進(jìn)入微流溝道，在油水界面形成全內(nèi)反射，并且形成趨膚深度足以覆蓋芯層的消逝場。
[0021]本實用新型中消逝場的強(qiáng)度相比于入射光強(qiáng)為之3倍左右，為突破衍射極限的探測提供了可能，大大提高了探測精度;可以對200nm焚光球，10nm和50nm納米金顆粒進(jìn)行探測。也可以進(jìn)一步的實現(xiàn)計數(shù)、成像等功能。
[0022]本實用新型有效的實現(xiàn)了對納米顆粒樣品的探測。該方法在粒子中實現(xiàn)了50nm和10nm的納米金顆粒的探測以及200nm的焚光球的探測。
[0023]本實用新型結(jié)合油-水不相溶，利用水利聚焦使樣品流寬度被夾成I微米及以下，同時在光學(xué)探測微通道的探測區(qū)域形成一個穩(wěn)定平滑的全內(nèi)反射界面，以供形成一個穩(wěn)定的消逝場將樣品流覆蓋，在此對粒子進(jìn)行探測。大大降低了探測樣品尺度的限制，實現(xiàn)對納米級顆粒的探測(較傳統(tǒng)流式細(xì)胞儀，可探測精度至少提高10倍)，而且大大提高了探測的效率。
【附圖說明】
[0024]圖1流式細(xì)胞儀的光流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]其中微流入口I，光學(xué)探測微通道2，微流出口 3，樣品粒子入口 11，鞘層I入口 12，鞘層2入口 13，光纖槽4，準(zhǔn)直凹透鏡5;
[0026]圖2流式細(xì)胞儀的探測結(jié)果圖，其中:
[0027](a)-50nm金納米顆粒經(jīng)過532nm激光形成的消逝場的散射光圖；(b)_100nm金納米可經(jīng)過探測區(qū)的532nm激光散射圖；(c)-200nm熒光微球經(jīng)過532nm激光形成的消逝場探測區(qū)的熒光圖；(d)-三種納米納米顆粒在白激光形成的消逝場中的譜線圖；
[0028]圖3為消逝場的趨膚深度理論計算圖；其中a為粒子流的流體折射率大小與趨膚深度的關(guān)系圖，b為激光入射角度與趨膚深度的關(guān)系圖，c為入射光的兩垂直分量:P分量和s分量，其強(qiáng)度與入射角度的關(guān)系圖，d為光學(xué)探測微通道中的光強(qiáng)分布圖；
[0029]圖4為水力聚焦驗證圖；其中a為光學(xué)探測微通道的俯視圖，b為芯層(粒子流)寬度滿足IMi時的光學(xué)探測微通道的三維立體圖，c為芯層寬度大概8μπι時的光學(xué)探測微通道的三維立體圖，(1為在高粘滯系數(shù)的鞘層I流的情況下光學(xué)探測微通道的三維立體圖；
[0030]圖5為兩相流折射率與粘滯系數(shù)配比圖；其中a為硅油和石蠟油的粘度系數(shù)與其折射率的關(guān)系，b為當(dāng)鞘層流速不變時，芯層的流速與其寬度的關(guān)系圖；
[0031]圖6為全內(nèi)反射模擬及實驗圖；其中a為全內(nèi)反射模擬圖，b為全內(nèi)反射實驗圖；
[0032]圖7為納米顆粒計數(shù)圖，其中a為一秒內(nèi)探測到的光強(qiáng)峰譜，b為每秒探測的預(yù)估計數(shù)速度。
【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型做進(jìn)一步說明。
[0034]—種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:包括光學(xué)探測微通道(2)和分別位于光學(xué)探測微通道(2)兩端的微流入口( I)和微流出口(3);所述微流入口( I)包括樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13);所述鞘層I入口(12)和鞘層2入口(13)對稱的分布在樣品粒子入口(11)兩側(cè);所述微流出口(3)旁設(shè)置有向光學(xué)探測微通道(2)傾斜的光纖槽(4)，所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間設(shè)置有準(zhǔn)直凹透鏡(5)。
[0035]所述芯片的材料為聚二甲基硅氧烷。
[0036]所述樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13)和光學(xué)探測微通道(2)的寬度一致;光纖凹槽和準(zhǔn)直凹透鏡的寬一致。
[0037]所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間的夾角為5度。
[0038]所述芯片的的折射率為1.406，準(zhǔn)直凹透鏡本體的折射率為1.0且環(huán)境折射率為
1.406。
[0039]所述樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13)和光學(xué)探測微通道(2)的寬度均為30μπι，光纖凹槽和準(zhǔn)直凹透鏡的寬為20微米。
[0040]如圖1所示，本發(fā)明提供的流式細(xì)胞儀的光流控芯片，包括微流入口部，光學(xué)探測微通道，以及微流出口部和一個帶準(zhǔn)直透鏡的光纖槽。
[0041]所述光流控芯片的模版是通過紫外光刻技術(shù)制成，芯片是由材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
[0042]所述微流入口部包括樣品粒子入口部，鞘層I入口部，鞘層2入口部。
[0043]所述入口部通入的流體分別為，鞘層I入口部通入由硅油和石蠟油按比例合成的混合油，其折射率為1.406，粘度系數(shù)為9.2mPa s，作為鞘層I流;其余入口部都通入乙二醇水溶液，折射率為1.40，粘度系數(shù)為6 mPa s其中樣品粒子入口部的溶液載體中加入了待測粒子樣品，故分別記為鞘層2流和樣品粒子流。
[0044]所述微流出口部為所有溶液的出口部分。
[0045]所述一個帶準(zhǔn)直透鏡的光纖槽包括一個本體折射率為1.0且環(huán)境折射率為1.406的準(zhǔn)直凹透鏡和寬為20微米的光纖凹槽。
[0046]三股流的流速分別為:粒子流為0.55yL/min，鞘層I流為9.0yL/min，鞘層2流為3.5yL/min.最終，三股流體進(jìn)行水力聚焦，形成“鞘層-芯層-鞘層”的穩(wěn)定層流，并且芯層寬度被控制在IMi左右，全部粒子將會有序并排的被束縛在芯層，并且會全部經(jīng)過探測區(qū)后流入微流出口部。
[0047]所述光學(xué)探測微通道為入射激光在微通道兩相流表面發(fā)生全內(nèi)反射形成的消逝場，其中消逝場的趨膚深度恰好與通道中的樣品粒子流所形成的芯層寬度一致。光學(xué)探測微通道提供了探測區(qū)域，當(dāng)穩(wěn)定的粒子層流經(jīng)過探測地點，樣品被意義探測到。
[0048]本實用新型是通過標(biāo)準(zhǔn)的紫外光刻技術(shù)制作的。首先，按照所設(shè)計的芯片結(jié)構(gòu)將模版圖樣畫出來。然后在刻畫在掩膜版上，通過紫外光刻技術(shù)，對應(yīng)于由SU8-2050光刻膠涂抹均勻的硅片，經(jīng)過紫外曝光后，再由顯影液沖洗硅片便可得到PDMS的模具。在將未凝固的PDMS澆筑在模版上，經(jīng)烤箱75攝氏度烘烤一個小時后，再取下PDMS。如此，在將所獲得的PDMS溝道層與涂有一層PDMS的載玻片用等離子清洗機(jī)鍵合。如此便得到流式細(xì)胞儀的光流控芯片。
[0049]本實用新型中入口部的流速分別為:粒子流為0.55yL/min，鞘層I流為9.0yL/min，鞘層2流為3.5yL/min.最終，三股流體進(jìn)行水力聚焦，形成“鞘層_芯層-鞘層”的穩(wěn)定層流，并且芯層寬度被控制在IMi左右，全部粒子將會有序并排的被束縛在芯層，并且會全部經(jīng)過探測區(qū)后流入微流出口部。
[0050]本實用新型中，用到兩種激光光源:一是532nm激光，用于對納米顆粒的圖像采集及計數(shù)；
[0051]二是超連續(xù)白激光，用于對探測區(qū)域的納米顆粒的光譜采集，以便分辨不同大小的納米顆粒。
[0052]如圖2中(a)所述，本實用新型的流式細(xì)胞儀的核心光流控芯片的一個應(yīng)用實例，50nm金納米顆粒經(jīng)過532nm激光形成的消逝場的散射光圖；
[0053]如圖2中(b)所述，本實用新型的流式細(xì)胞儀的核心光流控芯片的一個應(yīng)用實例，10nm金納米顆粒經(jīng)過532nm激光形成的消逝場的散射光圖；
[0054]如圖2中(c)所述，本實用新型的流式細(xì)胞儀的核心光流控芯片的一個應(yīng)用實例，200nm納米焚光微球經(jīng)過5 3 2nm激光形成的消逝場的焚光圖；
[0055]如圖2中(d)所述，本實用新型的流式細(xì)胞儀的核心光流控芯片的一個應(yīng)用實例，在白激光形成的消逝場下，三種納米顆粒的譜線圖。不同的顆粒對應(yīng)著不同的譜峰，由此便可以有效的分析納米顆粒的尺寸，大大提尚探測精度。
【主權(quán)項】
1.一種具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:包括光學(xué)探測微通道(2)和分別位于光學(xué)探測微通道(2)兩端的微流入口(I)和微流出口(3);所述微流入口(I)包括樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13);所述鞘層I入口(12)和鞘層2入口(13)對稱的分布在樣品粒子入口(11)兩側(cè);所述微流出口(3)旁設(shè)置有向光學(xué)探測微通道(2)傾斜的光纖槽(4)，所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間設(shè)置有準(zhǔn)直凹透鏡(5)。2.如權(quán)利要求1所述的具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:所述芯片的材料為聚一■甲基娃氧燒。3.如權(quán)利要求1所述的具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:所述樣品粒子入口(11)，鞘層I入口(12)，鞘層2入口(13)和光學(xué)探測微通道(2)的寬度一致;光纖凹槽和準(zhǔn)直凹透鏡的寬一致。4.如權(quán)利要求1所述的具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:所述光纖槽(4)與光學(xué)探測微通道(2)之間的夾角為5度。5.如權(quán)利要求1所述的具備兩相流和全內(nèi)反射的光流控芯片，其特征在于:所述芯片的折射率為1.406，準(zhǔn)直凹透鏡本體的折射率為1.0且環(huán)境折射率為1.406。
【文檔編號】G01N15/14GK205483948SQ201620135450
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月23日
【發(fā)明人】楊奕, 梁莉, 左云峰, 吳唯
【申請人】武漢大學(xué)