螺旋通道中穩定增強的二次流構建及其粒子聚焦研究

關鍵詞 微流控芯片；慣性微流；螺旋通道；二次流；粒子聚焦

微流控技術是一種利用微通道操控微尺度流體和粒子的技術，在環境監測、生理生化分析、癌細胞富集與研究以及醫學診斷等領域廣泛應用[1-4]。作為微流控領域的重要分支，慣性微流控技術具有高通量、簡單流道結構、無需特定標記和外部能量輔助等優點，能夠突破傳統對微尺度低雷諾數流動的觀念，巧妙利用有限雷諾數下誘導的微流控慣性效應實現顆粒和流體的操控[5-8]。目前，慣性微流控技術已廣泛應用于細胞的聚焦、排列、分選和捕獲等領域，為細胞分析和檢測提供了重要的預處理手段[9-12]。

目前，慣性微流在通道幾何形狀創新方面已取得了重大進展，包括直通道、彎曲通道和復合通道等不同構型[13]。其中，螺旋通道因其較長的通道長度、合理的空間排列和獨特的Dean 二次流而備受青睞[6]。然而，由于不同圈數半徑差異導致的Dean 二次流波動，使得開發一種能夠有效操控粒子/細胞的螺旋通道變得具有挑戰性[14-15]，目前尚缺乏能夠穩定和增強Dean 二次流的有效方法，限制了慣性聚焦中粒子尺寸和操作流量的范圍。此外，在較大尺寸通道中Dean 二次流較弱，導致當前的螺旋通道設計管道較窄，這不利于提高樣品處理通量，并可能導致通道堵塞[16-18]。因此，在慣性微流體領域，開發一種能夠穩定并加速大尺寸通道中的二次流的新型螺旋微通道非常重要。

在本課題組前期設計的微結構輔助慣性微流控芯片[19-23]基礎上，本研究對其進一步優化改進，開發了一種微結構輔助的新型超低高寬比（Aspect ratio（AR）=50 μm/1000 μm）螺旋通道。通過模擬驗證，證實在螺旋管道內均勻分布微柱可實現不同圈數的二次流加速和穩定。實驗結果表明，與正常螺旋管道相比，本研究設計的螺旋管道在不同灌注流速下實現了粒子的高效聚焦。不同粒徑（7.3 μm 和15.5 μm）的熒光粒子能夠在寬1 mm 的大尺寸螺旋通道芯片內實現聚焦，其聚焦效率分別達到94%和99%以上。本研究還發現，粒子聚焦位置距離管道內壁約100 μm，遠大于其它慣性聚焦芯片。這種結構設計為便攜式分析診斷儀器的開發提供了新的技術手段。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

2X2-2 型真空泵、DHG 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏試驗設備有限公司）；SW-CJ-2F 型雙人雙面凈化工作臺（蘇州凈化設備有限公司）；612 式錫紙（安徽青爾包裝制品有限公司）；JA2003 型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；102式定性濾紙（杭州特種紙業有限公司）；KW-4 型勻膠機（中國科學院微電子中心研究部）；LSP04-1A 型注射器泵（蘭格恒流泵有限公司）；CKX41 型倒置熒光顯微鏡、DP72電荷耦合器件照相機和URFLT50 型汞燈（日本Olympus 公司）。1%熒光微球（上海輝質生物公司）；聚二甲基硅氧烷（PDMS， RTV615，美國Momentive 公司）；磷酸鹽緩沖液（PBS，北京索萊寶公司）；乙醇（75%，河北康濟藥械有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 慣性微流控芯片的設計

本研究中的微流控芯片采用AutoCAD 2018版本軟件設計和繪制。此通道是一個具有超低高寬比的大螺旋通道，在通道內側增加了等序列分布的微柱，每圈具有13個微柱陣列， 2條微柱之間的夾角為π/7，每個微柱的具體尺寸見圖1A。芯片設計完成后，由深圳美精微光電有限公司制備光掩膜。

1.2.2 慣性微流控芯片的制備

將通過AutoCAD軟件設計得到的微流控芯片結構打印到透明的掩膜上，通過光刻膠（SU-8 2025）等制備含有微通道結構的PDMS 芯片模板，再進行芯片實物制備，芯片實物圖和尺寸如圖1 所示。在所有的粒子聚焦實驗中，將樣品裝入一次性注射器（10 mL）中，使用LSP04-1A 型注射器泵調節注射量，以產生連續的微流。采用Tygon 軟油管（長25 cm、內徑0.42 mm）連接微流體裝置孔口和注射器。每次實驗前，將所有軟管和微流控芯片用紫外光照射1 h， 然后用70%乙醇、超純水和PBS 緩沖溶液依次沖洗。

1.2.3 圖像獲取與分析

圖像獲取均在倒置熒光顯微鏡下進行。熒光和相位比較圖像通過配有電荷耦合器件照相機和汞燈的顯微鏡在恒定參數下獲得。圖片和數據通過Image-Pro?Plus6.0、Origin9 和SPSS12.0 軟件處理和分析。

2 結果與討論

2.1 理論與設計原理

大尺寸通道的設計使得微通道脫模更加容易，避免了復雜的芯片制作過程和操作繁瑣密集、耗時長的缺點[24]。另外，為減少灌注樣品堵塞并提高灌注通量，本研究設計了一種新型超低高寬比螺旋微流控芯片，具備較小的通道高度和較大的通道寬度。螺旋通道內壁設置有均勻排列的微結構，以提升Dean二

次流，進而增加迪恩阻力，實現粒子在大尺寸通道中的穩定聚焦效果。如圖2 所示，在慣性微流控的螺旋通道系統中，粒子聚焦來自4 種作用力：剪切誘導升力（F_LS）、壁誘導升力（F_LW）、薩夫曼升力（F_LΩ）和迪恩阻力（F_DD）[25]，其中， F_LS 和F_LW 組成FL。F_LΩ是指當顆粒與其周圍的流體之間存在速度差，并且流體的速度梯度垂直于顆粒的運動方向時，由于顆粒兩側的流速不同，會產生一種由低速指向高速方向的升力[26]。隨著螺旋微通道環數增加， F_L 和F_DD促使粒子隨著Dean流動，直至接近通道內壁附近的平衡線位置[27]。

2.2 二次流CFD模擬

為研究微結構設計對Dean二次流加速和穩定化的影響，選取螺旋通道中8個截面（標記為1、2、3、4、5、6、7 和8）（圖2）進行二次流強度和圖案的分析。此外，本研究設計了一種沒有微結構輔助的常規螺旋管道作為對照（與微結構輔助的螺旋管道具有相同的通道高度和寬度）。如圖3和4所示，在相同流速2 mL/min 灌注下，傳統螺旋管道和微結構輔助的螺旋管道在不同圈數的總流速（U_x）是一致的，但是傳統螺旋管道產生的Dean 二次流（U_y）由于圈數半徑（R）不同而表現出不同的強度。由于截面1 所在的管道圈數R 最小，其U_y 強度最大; 隨著圈數R 增大，截面（2～8）的U_y 強度逐漸減小。這說明當粒子通過傳統螺旋管道的不同圈數時， Dean 二次流不斷變化，穩定性不高。這種現象不利于芯片內粒子的穩定聚焦。

盡管微結構輔助的螺旋管道中每個圈數的R 不同，但是，本研究發現微結構引起的超大曲率變化在管道內起主導作用[18-20]。不論圈數如何設置，由微結構引起的曲率變化相同。因此，在微結構輔助的螺旋管道中，管道截面（1～8）內的Dean 二次流不會隨著螺旋的圈數變化而改變。相對于傳統螺旋管道，微結構輔助的螺旋管道中Uy 明顯增強。這種增強有助于粒子更快地進行橫向遷移，并迅速達到平衡位置。如圖5 所示，與傳統螺旋管道中的Dean 二次流相比，微結構輔助的螺旋管道中Dean 二次流渦旋中心更加集中并向內壁靠攏。這表明在微結構輔助的螺旋管道中，流速的變化范圍更大。由于流速的差異，粒子更容易被渦旋流捕獲，最終穩定地聚焦在靠近管道內壁的位置上。綜上，通過在常規螺旋通道內壁引入等序列的微結構，本研究成功構建了穩定增強的Dean 二次流。這種二次流對Dean 阻力的大小具有顯著影響，對于粒子的聚焦具有重要意義。

2.3 粒子的聚焦特征

為獲得不同灌注流速下粒子運動的軌跡，驗證具有微柱的螺旋通道是否能夠穩定聚焦粒子，將不同尺寸（15.5 和7.3μm）的粒子分別在流速0.25～3.00 mL/min 范圍內進行灌注。如圖6A 所示，在流速為0.25～0.50 mL/min （De=1.42～2.84）時，傳統螺旋通道下15.5 μm 粒子無明顯聚焦，不能達到預期的聚焦效果。當流速提高到1.00～3.00 mL/min （De=5.69～17.08）時，粒子有一定聚焦，但聚焦效果較差且不穩定。這是因為Dean 流太小，無法提供足夠大的Dean 力將粒子移動到聚焦位置。如圖6B 所示，利用本研究設計的具有微結構輔助的螺旋通道， 15.5 μm 粒子在0.50～2.00 mL/min （De=2.84～11.38）的流速范圍內展現出良好的單線聚焦軌跡。進一步觀察了區域8 和區域9 中粒子的聚焦軌跡（圖6C），發現在流速1.00 mL/min、De=7.45 條件下，無論是15.5 μm 粒子還是7.3 μm 粒子，均能在靠近管道內壁區域內實現單線聚焦。為了進一步觀察粒子聚焦是否穩定，將粒子在0.50～2.00 mL/min 流速范圍內的運動軌跡進行視頻拍攝（見電子版文后支持信息S1），結果表明，本研究設計的微結構輔助的螺旋通道具有較高的粒子聚焦穩定性，同時體現出此通道不會產生堵塞的優勢。

進一步對不同流速下兩種尺寸粒子的單線聚焦效率進行了統計分析。如圖6D 所示， 7.3 和15.5 μm的粒子在較大流速范圍（0.50～3.00 mL/min）內均能實現聚焦，聚焦效率分別可達94%和99%以上。15.5 μm 粒子的聚焦效果優于7.3 μm 粒子，這是因為隨著粒子尺寸增大，受到的流體動力學力增加，平衡位置不容易被改變，進而提高了聚焦效率。

在不同的流速條件下，采用高速顯微鏡觀察了粒子的聚焦情況（圖7A 和電子版文后支持信息S2），同時還對聚焦位置和管道壁之間的間距進行了分析（圖7B）。如圖7C 所示，在0.50～3.00 mL/min 的流速范圍內，粒子的聚焦位置與管道內壁的距離均能達到約100 μm， 遠超過其它慣性聚焦芯片的效果，這為便攜式分析診斷儀器的開發提供了新的技術手段。距離管壁越遠的聚焦位置對于進行后續的深入觀察和分析具有更多優勢。這種較大距離的優勢主要體現在：（1） 減少壁面干擾粒子聚焦位置距離管壁越遠，受到來自壁面的干擾越小，使得后續的觀察和分析更加精確和可靠；（2） 提供更大的視野聚焦位置距離管壁越遠，可觀察到的區域范圍越大，可獲得更多的信息和數據，更全面地了解粒子的行為和性質; （3） 便于采集樣本在聚焦位置較遠的區域，取得樣本或進行后續的實驗操作更加方便，可以提高實驗效率，并減少由于接觸壁面而可能引起的污染或損失。因此，在進行觀察和分析時，選擇距離管壁較遠的粒子聚焦位置可為研究者提供更多的優勢和便利，有助于深入研究粒子的特性和行為。

3 結論

本研究針對超低高寬比的螺旋微通道進行了設計，通過在通道芯片內部設置等序列的微結構，成功誘導出穩定且增強的二次流，從而實現了對流量和粒徑不敏感的慣性聚焦。相比于傳統的鞘流方式，此設計具有高通量和易于制造的優點，在細胞分析與檢測、流式細胞儀和在線樣品處理等領域具有廣闊的應用前景。此項技術不僅限于血細胞動力學研究和血漿分選，還可望應用于細胞分析、藥物篩選和生物傳感器等領域。通過深入研究Dean 二次流的生成機制和特性，可進一步改進通道設計和微結構排列，實現更精確的粒子和細胞聚焦效果，為相關領域的研究和應用提供更多可能性。本研究為理解和利用Dean 二次流在微流體系統中的作用提供了重要的實證基礎，此技術可為細菌檢測、循環腫瘤細胞分選、藥物篩選以及單細胞分析等提供新的技術手段，對開展環境檢測、醫學研究、藥物開發和生物分析等領域的研究具有重要的參考意義。