基于微凹槽侧通道鞘流和惯性跃迁的粒子连续分选方法

【作者】 申峰； 张杰； 玄鑫龙； 刘赵淼；

【机构】 北京工业大学数学统计学与力学学院；

【摘要】 从复杂的细胞样本中分选稀有的循环肿瘤细胞（CTC,1-10个/mL）对细胞生物学分析和癌症早期检测有重要意义。惯性微流控技术是一种新兴的细胞分选方法,具有通量高、无标记等特点。本文提出了一种新型的惯性微流控芯片装置,可以在较低雷诺数（Re≤36）下对目标粒子/细胞进行分选操控。粒子分选运动包括三个步骤:首先,在剪切梯度诱导升力(F_LS)和壁面效应诱导升力(F_LW)的共同作用下,粒子在微通道中进行惯性聚焦,不同大小的粒子具有不同的平衡聚焦位置;然后,在微凹槽入口区域,F_LW消失,粒子在FLS作用下发生侧向迁移,迁移距离与粒子粒径成正比;最后,在惯性作用下,大粒子跨越弯曲的流线而进入侧通道的鞘流,通过调控侧通道流量,使多数小粒子流入主出口通道,实现基于粒径差别的大小粒子被动式连续分选。为了优化分选性能,将芯片微凹槽内流场分为主流、鞘流和涡胞三部分,并分析了不同Re（Re=9～36）和侧通道鞘流流量比e(e=Q₂/Q_in=1/10～1/20)对微凹槽内的流场结构演变和分布特性的影响,进而揭示了各种因素对粒子跨越弯曲流线的跃迁行为的影响机制。当Re=18.5,侧通道流量比e=1/15时,此芯片装置对目标大粒子（D=20μm）的分选效率最高可达98%,富集浓度提高了7.5倍,溶液中大粒子纯度提高了157.9倍,血细胞去除效率为97.1%。此芯片装置基于粒子粒径进行连续分选,具有微通道长度短、雷诺数低、细胞损伤小、操作方便等优点,预期可以进行并行化分选,也可以设计多级微通道结构实现多重分选,是一种简便、易操作的微流控细胞分选方法。更多还原