一种基于微流控芯片的微纳尺度颗粒分离的分级流体动力色谱系统

本发明属于微流控芯片液相色谱，特别是涉及一种用于微纳尺度颗粒分离的分级流体动力色谱微流控芯片。

背景技术：

1、微纳尺度颗粒的分离是多个科学领域和工业应用中的重要环节，具有广泛的必要性和重要性。例如在环境监测和保护中，微纳塑料等微纳颗粒在水体和土壤中的积累可能对环境构成长期威胁。准确分离和定量这些颗粒对于监测环境污染水平、评估生态风险和制定相应的环保措施至关重要。在医药和生物医学研究中，在药物递送系统中，纳米颗粒被用来作为载体，可实现针对性治疗和减少副作用。分离出具有特定尺寸和性质的颗粒对于确保药物安全性和有效性至关重要。在材料科学中，纳米材料在电子、光学和催化等领域有着广泛的应用。分离出具有均一尺寸和形状的颗粒对于研究和开发先进材料和提高其性能至关重要。在化学工程和工业生产中，在化工产品的生产中，粒径分布直接影响产品的质量和性能。分离和控制生产流程中的颗粒尺寸对于保证产品一致性和提高生产效率是必需的。由于微纳尺度颗粒的特性与其尺寸密切相关，因此对这些颗粒进行有效的分离是十分必要的。

2、传统的微纳尺度的颗粒分离方法通常采用膜分离与密度分离的方式。然而膜分离法因颗粒沉积在膜表面或颗粒堵塞膜孔而导致性能下降；对于颗粒大小的截止范围有限，对于分布范围较广的颗粒，分离效率不高；膜可能对化学腐蚀或物理磨损敏感，尤其是在处理有机溶剂或具有磨蚀性的颗粒时；膜在使用一段时间后需要清洗或再生，造成复杂和成本高昂的过程。而密度分离法依赖于颗粒与介质的密度差异，分离效率和精度较低；并且密度分离法通常需要较长的分离时间，特别是在离心过程中，这限制了其在快速检测和实时监测中的应用；分离后的样品可能混合有分离介质，需要进一步的处理从而增加了操作的复杂度；通常需要使用大型设备，如离心机，这些设备耗电量大、成本较高，且对实验环境有特定要求。

3、微流控芯片液相色谱是一种结合了微流控技术和液相色谱原理的分析方法。它在微型芯片上集成了色谱分离通道和各种检测元件，能够实现样品的高效分离和快速分析。该技术的优点包括：微型化、高效快速、样品和试剂消耗少、自动化程度高、多功能集成等。相比传统液相色谱，微流控芯片液相色谱具有更小的体积和更高的分离效率，能够在短时间内完成复杂样品的分析。然而传统的微流控芯片液相色谱在分离微纳尺度颗粒中具有处理样品量低、堵塞、耐压性能低等问题。

技术实现思路

1、发明目的：为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种分级流体动力色谱微流控芯片，该装置能够实现基于尺寸的微纳颗粒高精度与高效分离。

2、为实现上述技术目的，本发明提出一种用于微纳尺度颗粒分离的分级流体动力色谱微流控芯片，在玻璃基板以及基板上所刻蚀的通道，其中包括样品通道(1)、夹流通道(2)、聚焦通道(3)、一级通道(4)、侧方通道(5)与分级通道(6)。样品通道(1)一端、夹流通道(2)一端汇聚在一起，然后与聚焦通道(3)一端相互连接形成三通管，样品通道(1)与聚焦通道(3)成直线，夹流通道(2)垂直样品通道(1)；所述聚焦通道(3)的另一端与一级通道(4)一端连接，聚焦通道(3)一级通道(4)形成直线排列；一级通道(4)的左侧或/和右侧设有侧方通道(5)，侧方通道(5)的一端与一级通道(4)的侧边连接连通，侧方通道(5)的另一端与分级通道(6)的侧边连接连通；

3、优选地，所述的样品通道(1)的通道截面为圆形，直径在20-1000μm之间。

4、优选地，所述的夹流通道(2)的通道截面为圆形，直径在20-1000μm之间，优选样品通道(1)与夹流通道(2)的直径相同。

5、优选地，所述的聚焦通道(3)的通道截面为圆形，直径在20-500μm之间，聚焦通道的长度在500-5000μm之间，聚焦通道(3)的直径均小于样品通道(1)直径、夹流通道(2)直径与一级通道(4)直径。

6、优选地，所述的一级通道(4)的通道截面为矩形，矩形宽度为20-5000μm，深度即高度为20-1000μm。

7、优选地，所述的侧方通道(5)为直通管，通道截面为圆形，直径为20-500μm，且侧方通道(5)与一级通道(4)内流体流动方向的夹角为30-150°，优选为锐角。

8、优选地，分级通道(6)的截面为矩形，宽度为20-5000μm，深度为20-1000μm；优选与侧方通道(5)连接的分级通道(6)的一段与一级通道(4)平行，优选一级通道(4)截面尺寸与分级通道(6)的截面尺寸相同。

9、优选地，一级通道(4)的左或/和右侧连接一个或多个侧方通道(5)和对应的分级通道(6)。

10、进一步的，分级通道(6)的左或/和右侧连接一个或多个二级侧方通道，每个二级侧方通道连接一个二级分级通道；进一步二级分级通道的左或/和右侧连接一个或多个三级侧方通道，每个三级侧方通道连接一个三级分级通道，依次类推。

11、样品通道(1)、夹流通道(2)、分级通道(6)、各级分级通道与外接毛细管连接，并用于泵入相关溶液；

12、芯片基板采用玻璃材质，芯片中的通道通过湿法刻蚀制作，芯片的键合采用热键和方法。

13、采用上述系统进行微纳尺度颗粒分离的方法，包括以下步骤：

14、颗粒样品溶液通过样品通道(1)进入，夹流通道(2)中通入纯溶剂，样品溶液与夹流通道(2)中的溶剂汇合形成夹流，从而流入较窄的聚焦通道(3)；颗粒在较窄的聚焦通道(3)内流动时会受到层流引起的梯度剪切升力与壁面诱导的壁面升力，样品中的不同尺寸的颗粒在聚焦通道(3)中形成不同的平衡位置，较窄的流动区域会使颗粒更加快速地聚焦到平衡位置，该平衡位置在随后的一级通道(4)中被放大，然后颗粒样品中粒径相对最小的颗粒在一级通道与侧方通道中被分离流入到分级通道(6)内，在颗粒进入分级通道(6)前分级通道(6)内一直有溶剂停留或流动，溶剂流动方向与一级通道(4)内液体流动方向一致，但是分级通道(6)内液体流速不高于一级通道(4)的流速；若果沿着一级通道(4)轴长流体继续流动在遇到下一个侧方通道时，剩余颗粒样品中粒径相对最小的颗粒会再次被分离到下一个侧方通道进而流入对应的分级通道；依次类推；若上述各分级通道还设有二级侧方通道和对应的二级分级通道，则各分级通道类似于被作为一级通道(4)，各分级通道内对应的颗粒样品中粒径相对最小的颗粒会被分离流入到二级通道内，相当于各分级通道内对应的颗粒样品中小颗粒的会再次被分离，依次类推。

15、通过调节分级通道的流速、侧方通道(5)与一级通道的夹角，从而平衡与一级通道的压力分布实现分离的精度的控制。

16、所述的样品溶液在样品通道(1)中的流量在1-1000μl/min。

17、优选地，所述的溶剂在夹流通道(2)中的流量在1-2000μl/min。

18、优选地，所述的样品溶液在分级通道(6)中的流量在1-2000μl/min。

19、本发明提供的以上技术方案，具有以下优点和有益效果：

20、1)本发明制作的用于微纳尺度颗粒分离的分级流体动力色谱微流控芯片能够实现微纳颗粒的高精度分离；

21、2)连续流动体系能够实现大批量样品处理。

22、3)通过单纯的流体力学实现的颗粒分离不会对通道造成任何堵塞。解决了传统分离微纳尺度颗粒方法难以连续高精度分离的特性。