基于聲表面波的微流控血漿分離芯片及方法
【專利說明】基于聲表面波的微流控血漿分離芯片及方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物樣品處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種血漿分離芯片及方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 血液是人體內(nèi)最重要的流體之一，其成分往往受到人體的生理變化和病理變化的 影響，所以血液成分的檢測(cè)有重要的臨床意義。血液由血細(xì)胞和血漿組成。血細(xì)胞主要包 括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板。血漿大約占血液體積的55%，其組成成分中90%為水，還含有 無機(jī)鹽、纖維蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素等各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物等。這些物質(zhì)無 一定的形態(tài)，但具有重要的生理功能，因此大約90%的血液檢測(cè)以血漿為樣品。因此從全血 中分離血漿是血液分析過程中的一個(gè)必要步驟。
[0003] 目前，傳統(tǒng)的血漿分離技術(shù)主要有離心法和薄膜過濾法。然而，離心法消耗的血液 樣品量大、處理時(shí)間長(zhǎng)，不適用于現(xiàn)場(chǎng)快速分析，薄膜過濾法存在嚴(yán)重的細(xì)胞堵塞問題，大 大降低分離效率。
[0004] 最近二十多年來，微流控技術(shù)（也叫芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)）得到迅速發(fā)展。由于尺寸 縮小到微米級(jí)，樣品和試劑的消耗量大大降低并且反應(yīng)時(shí)間大大縮短，因此微流控技術(shù)廣 泛應(yīng)用在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。目前為止已經(jīng)有多個(gè)研宄小組致力于微流控血液分離技術(shù)及 器件的研宄。這些技術(shù)主要包括交叉流動(dòng)過濾、流體動(dòng)力學(xué)分離等被動(dòng)式分離技術(shù)以及采 用聲、光、電等外場(chǎng)力的主動(dòng)式分離技術(shù)。被動(dòng)式分離技術(shù)往往依賴通道中的微結(jié)構(gòu)，需要 對(duì)微結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的控制，并且分離過程中的流速需要精確控制，因此分離效率受 到限制。主動(dòng)式分離中，光學(xué)裝置比較昂貴并且不適于便攜，介電泳等基于電場(chǎng)力的分離方 法中需要在流體中產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)，對(duì)微通道的幾何形狀提出很高的要求，制作困難較高。
[0005] 基于聲場(chǎng)作用的分離依靠聲波與流體的耦合在流體中形成流體壓強(qiáng)的周期性分 布，流體中的細(xì)胞等懸浮粒子受到周圍流體的聲輻射力的作用而迀移到駐波場(chǎng)的波節(jié)或者 波腹位置。聲輻射力的大小與聲場(chǎng)強(qiáng)度和粒子的體積有關(guān)，方向則取決于流體介質(zhì)和粒子 的密度及可壓縮性的相對(duì)大小。水性介質(zhì)中的固體粒子會(huì)受到指向波節(jié)的聲場(chǎng)力，而其中 的氣泡或者油滴等則會(huì)受到指向波腹的聲場(chǎng)力。聲輻射力不僅能夠根據(jù)聲學(xué)對(duì)比因子符號(hào) 的不同對(duì)粒子進(jìn)行二元分離，也能夠根據(jù)所受聲輻射力大小的不同對(duì)不同體積的粒子進(jìn)行 梯度分離。由于聲波傳感器與流體之間不必直接接觸，是一種非入侵式的分離技術(shù)，并且從 文獻(xiàn)來看，聲輻射力對(duì)細(xì)胞等生物材料沒有傷害。因此基于聲波的血液分離技術(shù)也是研宄 的熱點(diǎn)之一。
[0006] 基于聲波的微小粒子操控技術(shù)中，體聲波（bulk acoustic wave, BAW)是最早得到 關(guān)注和研宄的，在研宄領(lǐng)域也是相對(duì)比較成熟的一種方法。Laurell及其研宄團(tuán)隊(duì)所研宄 的基于體聲波駐波場(chǎng)的血液清洗技術(shù)，根據(jù)紅細(xì)胞和脂肪微粒在聲表面駐波場(chǎng)中的聲學(xué)對(duì) 比因子的正負(fù)差異，利用聲輻射力使紅細(xì)胞聚集到位于微通道正中央的波節(jié)平面內(nèi)，而脂 肪微粒被拉向微通道側(cè)壁的波腹平面內(nèi)，這樣通過下游的分叉在不同的出口分別收集紅細(xì) 胞和脂肪微粒，從而實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞的清洗。（詳見A. Nilsson, F. Petersson, H. Jonsson and T.Laurell, Acoustic control of suspended particles in micro fluidic chips, Lab on a chip, 2004, 4, 131-135. )Laurell團(tuán)隊(duì)的這種聲場(chǎng)分離技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行商業(yè)開發(fā)，用于 紅細(xì)胞和脂肪粒子的二元分離，其專利W0/2002/072236 Particle Separation (ErySave AB, Henrik Knsson，Thomas Laurell, Mats Allers, Hans Persson)公布了一種利用體聲波 在微通道內(nèi)的駐波效應(yīng)形成多個(gè)聲壓節(jié)點(diǎn)來聚集顆粒進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微通道內(nèi)的顆粒物質(zhì)分離 (尤其用于血液處理）的裝置。該專利中，硅材料的諧振腔背面需要設(shè)置壓電陶瓷作為超 聲換能器，用以將電能轉(zhuǎn)化為聲能，造成整個(gè)裝置體積較大，并且不易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造。除 此之外，這類基于體聲波駐波場(chǎng)的粒子分離系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的組成材料的聲學(xué)特性有較高的要 求，因?yàn)轶w聲波駐波場(chǎng)的建立依賴于構(gòu)成流體腔體的材料之間的優(yōu)良的聲學(xué)反射特性。因 此從聲學(xué)諧振腔的角度考慮，硅、玻璃等硬脆材料是流體腔體材料的首選。微流控系統(tǒng)中常 用的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS)雖然具有諸如低成本、容易大規(guī)模制 造、透光性好等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)榫哂信c水相近的聲阻抗而無法在PDMS-水界面上形成有效 的聲波反射，所以被普遍認(rèn)為難以應(yīng)用到基于體聲波的粒子分離系統(tǒng)中。
[0007] 基于聲表面波（surface acoustic wave, SAW)的微流控粒子操控技術(shù)是近年來得 到關(guān)注并發(fā)展起來的一種技術(shù)。聲表面波是不同于體聲波的一種聲波，沿著彈性材料表面 傳播。在壓電襯底表面的叉指電極上施加正弦電壓，可以得到在壓電襯底表面?zhèn)鞑サ穆暠?面波。聲表面波的振幅隨著襯底深度迅速衰減，機(jī)械能集中在壓電襯底的表面一個(gè)波長(zhǎng)的 深度范圍內(nèi)。因此，與體聲波系統(tǒng)相比，聲表面波系統(tǒng)具有更高的能量密度。由于聲表面波 的激勵(lì)只需要在壓電襯底制作叉指電極，因此可以方便地利用目前成熟的集成電路的加工 工藝進(jìn)行制作。更重要的是，聲表面波的頻率和波長(zhǎng)取決于叉指換能器的周期以及壓電襯 底中的聲速，因此能夠更精確地驅(qū)動(dòng)粒子到指定位置。另外，通常認(rèn)為聲表面波駐波場(chǎng)的構(gòu) 建不依賴于通道材料與內(nèi)部流體界面的反射，而是通常由進(jìn)入微通道的兩相向傳播的同頻 率的聲表面行波（travelling surface acoustic wave, TSAW)干涉形成駐波場(chǎng)，因此可以 在聲表面波粒子操控系統(tǒng)中采用PDMS作為微通道的制作材料。憑借上述優(yōu)勢(shì)，基于聲表面 波技術(shù)的微流控粒子操控的研宄近年來得到迅速發(fā)展。
[0008] 根據(jù)作用原理的不同，聲表面波在粒子操控中的應(yīng)用主要分為兩類。一種是利用 聲表面波所激發(fā)的聲流（acoustic streaming)對(duì)微通道中的流體施加一個(gè)整體的推動(dòng)。 Franke及其研宄團(tuán)隊(duì)在微通道的一側(cè)設(shè)置一組叉指換能器，叉指換能器在壓電襯底上激發(fā) 的聲表面波在微通道中產(chǎn)生聲流，引起由鞘液包裹的含有細(xì)胞的緩沖液的流動(dòng)發(fā)生偏移。 (# JAL T. Franke, S. Braunmilller, L. Schmid, A. ffixforth, D. A. ffeitz, Surface acoustic wave actuated cell sorting(SAWACS), Lab on a chip, 2010, 10, 789-794.)這樣通過控制 叉指電極的電源開關(guān)就能控制細(xì)胞最終的流出路徑。聲流的優(yōu)勢(shì)在于可以驅(qū)動(dòng)連續(xù)流體以 及流體中的懸浮粒子，對(duì)粒子的可壓縮性和密度沒有特別要求。雖然這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)有 效的細(xì)胞分選，但是由于細(xì)胞的偏移量非常小，并且僅適合細(xì)胞密度極低的情況，難以滿足 從血液中分離血漿的要求。
[0009] 聲表面波在粒子操控中的另一種應(yīng)用與體聲波的作用原理相似，是利用聲表面波 的駐波效應(yīng)將不同的粒子聚集在微通道內(nèi)的不同平衡位置（聲壓波節(jié)或者波腹）。目前 已公開發(fā)表的基于這一原理的粒子操控方面的研宄中，在器件的設(shè)計(jì)上具有共同的特點(diǎn)， 在微通道兩側(cè)對(duì)稱布置兩組叉指換能器，并且微通道與叉指換能器的對(duì)準(zhǔn)精度要求很高， 因?yàn)椴嬷笓Q能器的位置決定了聲表面駐波的波節(jié)波腹分布，流道必須與之匹配才能實(shí)現(xiàn) 細(xì)胞等粒子聚集后的分選等操作。Huang的研宄團(tuán)隊(duì)在聲表面波微流控粒子分離研宄中 將微通道與叉指換能器對(duì)齊，保證通道寬度剛好包含一個(gè)半波長(zhǎng)并且聲壓波節(jié)位于流道 的中央，從而使粒子迀移至流道中央。（詳見J. Shi, H. Huang, Z. Stratton, Y. Huang and T. J. Huang, Continuous particle separation in a microfluidic channel via standing surface acoustic waves(SSAW), Lab on a chip, 2009, 9, 3354-3359. )Huang 的研宄團(tuán)隊(duì) 設(shè)計(jì)的另外一個(gè)聲表面波粒子分離芯片中，采用線性調(diào)頻的叉指換能器，通過調(diào)節(jié)施加到 叉指換能器上的正弦信號(hào)的頻率來控制流道中聲壓波節(jié)的位置來控制細(xì)胞的平衡位置。 (# JAL X. Ding, S. -C. S. Lin, Μ. I. Lapsley, S. Li, X. Guo, C. Y. Chan, I. K. Chiang, L. Wang, J. P. McCoy and T.J. Huang, Standing surface acoustic wave (SSAff) based multi