基于逆流鞘液的微流控芯片設計及流場分析

宋飛飛，馬玉婷，吳云良，裴智果，王 策

（中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所，江蘇蘇州215163）

0 引 言

微流控芯片［1-2］是指在微米和亞微米尺度下研究生物和化學中有關微小尺度流體中微粒相關檢測和分選的多功能集成系統(tǒng)，被稱之為“芯片實驗室”。在微流控芯片中，不僅可以實現(xiàn)樣品的聚焦［3-4］，還可以實現(xiàn)樣品的分析、分選［5-6］等功能。與常規(guī)的實驗操作相比，采用微流控技術可以減少實驗所需試劑，實現(xiàn)微米級尺度微粒的分析和分選，同時因其尺寸微小，多種功能集成在一起，具有便于攜帶、全操作自動化等優(yōu)點。

自微流控芯片問世以來，在微生物檢測［7-9］、醫(yī)用分選分析［10］、細菌檢測［11-12］等諸多領域越來越受到人們的重視和青睞。微流控系統(tǒng)的特征尺寸與細胞和其他微生物實體的尺寸在一個量級，在這樣的系統(tǒng)中不僅能夠在體外有效模擬細胞微環(huán)境，而且能夠實現(xiàn)對單個細胞的分析和分選。具體說，在細胞分析領域，通過微流控芯片已經(jīng)實現(xiàn)了細胞與細胞共同培養(yǎng)和相互作用、體外細胞微環(huán)境的構建和模擬、單細胞操控［13-14］和分析以及芯片器官等，這些都極大地促進了現(xiàn)代生物醫(yī)學的發(fā)展。

然而，在應用于流式細胞分選的微流控芯片出口通道一般至少包括一個分選通道和廢液通道，這樣在兩個出口通道的交叉口會形成相對于流體流動方向的凸起，在凸起區(qū)域形成流動中駐點，這種駐點的存在致使細胞或者微粒黏附上面，進而引起細胞或者微粒的聚集，導致微流體的流動狀態(tài)發(fā)生改變，使分析或者分選精度下降，同時也會引起流道擁堵、樣品污染、純度下降等問題。

本文采用在微流控芯片分選出口和廢液出口的中間流體駐點區(qū)域增加一路鞘液入口，該鞘液入口流動方向與主流道流動方向相反，形成逆流，避免細胞在駐點區(qū)域接觸到壁面，從而防止細胞聚集阻塞流道，同時該鞘液對分選通道和廢液通道中樣品流再次聚焦，使樣品流動更加穩(wěn)定。本文還利用計算流體力學分析軟件Fluent對芯片中的流場進行仿真分析，從而對這種方法的芯片流體結構進一步優(yōu)化。

1 水力聚焦原理分析

在特定的流體模型中，雷諾數(shù)是一個與黏性力和慣性力之比有關的無量綱參數(shù)，

式中：ρ為液體的密度（kg/m3）；D為水力直徑；v為斷面平均流速（m/s）；μ 為液體的黏度系數(shù)（Pa·s）。雷諾數(shù)反映了在流體流動過程中黏滯力與慣性力的對比關系，其大小是判定流體的流動狀態(tài)的依據(jù)。雷諾數(shù)與流體流動狀態(tài)關系如下：Re＜1，蠕動流；Re＜2 000，層流；2 000＜Re＜4 000，過渡流（屬于不穩(wěn)定流）；Re＜4 000，湍流。

通過流體理論、流體斷面的平均流速和芯片設計參數(shù)計算可知，微流控芯片中微流體的雷諾數(shù)很小，符合低雷諾數(shù)的流動規(guī)律，即在微通道中的相鄰多層流體可以相鄰流動卻不會相互混合，進而對流速產生影響。同時，根據(jù)流體連續(xù)性原理，對于不可壓縮定常流有

倘若鞘液與樣品采用相同的截面積進行上樣，保持入口流量不變，隨著鞘液與樣品共同進入主流道，主流道截面積變?yōu)樵瓉淼?/3，根據(jù)連續(xù)性原理，那么樣品流速度增加，截面積縮短，產生聚焦作用。

2 建立幾何模型并進行邊界條件設定

如圖1所示為再聚焦微流控芯片二維模型，主要包括進樣口，寬度100 μm；兩個鞘液入口，寬度100 μm；兩個出口，寬度100 μm；一個鞘液逆流入口，寬度100 μm，形成了典型微流聚焦芯片結構。樣品流流速v1，鞘液流流速v2，逆流鞘液流速v3。

圖1 再聚焦微流控芯片二維模型

3 仿真結果分析

3.1 逆流鞘液的流動狀態(tài)分析

圖2是主流道中樣品流在兩側鞘液的作用下進行初次聚焦，以及在有無逆流鞘液下進行再次聚焦的樣品流體積分數(shù)分布。實驗過程中，一般是先通入鞘液以排出芯片內部的氣泡，然后再通入樣品。為了與實驗更加貼近，在仿真中假定微流控芯片初始狀態(tài)充滿鞘液，同時假定樣品流進樣速度為0.02 m/s，進樣鞘液流進樣速度為0.03 m/s，以及逆流鞘液的進樣速度為0.1 m/s。

圖2 不同聚集狀態(tài)下樣品體積分數(shù)云圖

由圖2可知，在有無逆流鞘液情況下，樣品流的初次聚焦流動狀態(tài)基本相似，即樣品流在兩側鞘液作用下，慢慢匯聚并得到聚焦。這可以從兩方面得到解釋，首先在微通道的層流內，流體由于受到壁面的影響，不同位置流體流動速度不同，呈現(xiàn)中間高，兩側低的拋物線形狀，因此樣品流的平均流速要快于兩側鞘液，相對于鞘液來說，樣品流會聚焦地更細；另一方面根據(jù)流體連續(xù)性原理，樣品流和鞘液流進入同一通道，也就是說相對于樣品入口來說，流道截面積變小了，而且鞘液和樣品流可以認為是不可壓縮流，因此必然會使流體的速度變快，根據(jù)連續(xù)性原理，聚焦后的流體截面積必然變細。

相對于無逆流鞘液來說，在微流控芯片兩側出口交界面處充滿了樣品流，形成明顯的駐點區(qū)域，樣品流在駐點區(qū)域直接與壁面接觸，而在實驗中細胞、微球一旦接觸壁面很容易黏附在上面，進而聚集導致流道阻塞。而在有逆流鞘液再聚焦時，在駐點區(qū)域的細胞等必然在逆流鞘液的帶動下遠離流道壁面，流向兩側出口，防止了細胞的黏附阻塞，減小了駐點區(qū)域壁面對細胞或者微粒的影響；同時由圖2（b）可知，樣品流在逆流鞘液作用下會再次聚焦，并流向兩側出口，增加了樣品流動的穩(wěn)定性。

3.2 樣品流初次聚焦流動狀態(tài)分析

圖3是在樣品流流速不變下，進樣鞘液不同流速下的樣品流初次聚焦狀態(tài)。由圖2可知，在進樣鞘液不同流速下，樣品流在兩側鞘液作用下都會開始初次聚焦，樣品流的寬度隨著聚焦的進行也開始逐漸變小；但不同鞘液流速下，樣品流的聚焦寬度不同，由圖3及圖2（b），即在樣品流速都是0.02 m/s，進樣鞘液流速從0.01變化到0.04 m/s，鞘液流與樣品流流量比從1～4，樣品流初次聚焦的寬度也逐漸變小，即隨著鞘液流與樣品流流量比的逐漸增大，樣品流的聚焦寬度逐漸減小。這是因為隨著兩側鞘液的增多，流體流動速度加快。根據(jù)流體連續(xù)性原理可知，流體的截面積必然縮小，所以樣品流看起來更細，得到進一步聚焦。

圖3 不同入口速度下樣品流初次聚焦流動狀態(tài)分析

圖4是相同樣品流速和逆流鞘液流速下，即v1＝0.02 m/s和v3＝0.1 m/s，不同鞘液速度即v2下樣品流初次聚焦流動狀態(tài)，圖中曲線分別是圖2（b）上1處的流體速度分布和體積分數(shù)分布。由圖4（a）可知，不同鞘液流速下，主流道流速都是拋物線分布，同時隨著鞘液流速的增加，拋物線分布上的流速逐漸增加。由圖4（b）可知，隨著鞘液流與樣品流流量比的增加，樣品流聚焦寬度逐漸減小，這與前面的分析基本一致。

圖4 不同鞘液速度下樣品流初次聚焦流動狀態(tài)分析

3.3 樣品流再次聚焦流動狀態(tài)分析

由圖5可知，隨著逆流鞘液流速的降低，與初次聚焦相似，再聚焦的樣品流寬度逐漸增大，同時聚焦后的樣品流中心位置逐漸右偏。具體地說，在逆流鞘液作用下，樣品流在兩側出口的交界區(qū)域處遠離壁面；由圖可知，隨著逆流鞘液流速的增加，樣品流距離壁面越遠，細胞黏附的概率越小。同時，從兩側出口樣品流可以看出，逆流鞘液流速越大，樣品流再聚焦寬度越小，流動更穩(wěn)定，便于分選后對分選樣品的檢測驗證。

圖5 不同流速下再聚焦樣品流體積分數(shù)云圖

圖6是相同樣品流速度和鞘液速度下，即v1＝0.02 m/s和v2＝0.01 m/s，不同逆流鞘液速度v3下樣品流再次聚焦的流動狀態(tài)，圖中曲線分別是圖2（b）上2處的速度分布和體積分數(shù)分布。由圖6（a）可知，不同逆流鞘液流速下，主流道流速都是拋物線分布，同時隨著逆流鞘液流速的增加，拋物線分布上的流速逐漸增加。由圖6（b）可知逆流鞘液流速越大，樣品流再聚焦寬度越小，較大逆流鞘液流速可以使樣品與另一側壁面距離也越大，越不容易發(fā)生阻塞。

圖6 不同流速比樣品流再聚焦流動狀態(tài)分析

4 結 語

本文提出一種新型微流控芯片，通過逆流鞘液進行再聚焦的方式，能夠防止細胞聚集阻塞流道，同時對分選后樣品流再次聚焦，使樣品流動更加穩(wěn)定。針對這種新型芯片。利用CFD軟件Fluent對這種微流控芯片中的流場進行仿真分析，驗證了引入逆流鞘液的可行性，同時也為下一步的實驗開展提供了參考依據(jù)。