宋飛飛，馬玉婷，吳云良，裴智果，王 策

（中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)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(xué)中有關(guān)微小尺度流體中微粒相關(guān)檢測和分選的多功能集成系統(tǒng)，被稱之為“芯片實(shí)驗(yàn)室”。在微流控芯片中，不僅可以實(shí)現(xiàn)樣品的聚焦［3-4］，還可以實(shí)現(xiàn)樣品的分析、分選［5-6］等功能。與常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作相比，采用微流控技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)所需試劑，實(shí)現(xiàn)微米級尺度微粒的分析和分選，同時(shí)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(diǎn)。

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(xì)菌檢測［11-12］等諸多領(lǐng)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(xì)胞和其他微生物實(shí)體的尺寸在一個(gè)量級，在這樣的系統(tǒng)中不僅能夠在體外有效模擬細(xì)胞微環(huán)境，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對單個(gè)細(xì)胞的分析和分選。具體說，在細(xì)胞分析領(lǐng)域，通過微流控芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞與細(xì)胞共同培養(yǎng)和相互作用、體外細(xì)胞微環(huán)境的構(gòu)建和模擬、單細(xì)胞操控［13-14］和分析以及芯片器官等，這些都極大地促進(jìn)了現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

然而，在應(yīng)用于流式細(xì)胞分選的微流控芯片出口通道一般至少包括一個(gè)分選通道和廢液通道，這樣在兩個(gè)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(diǎn)，這種駐點(diǎn)的存在致使細(xì)胞或者微粒黏附上面，進(jìn)而引起細(xì)胞或者微粒的聚集，導(dǎo)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(shí)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(diǎn)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(xì)胞在駐點(diǎn)區(qū)域接觸到壁面，從而防止細(xì)胞聚集阻塞流道，同時(shí)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(jì)算流體力學(xué)分析軟件Fluent對芯片中的流場進(jìn)行仿真分析，從而對這種方法的芯片流體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gè)與黏性力和慣性力之比有關(guān)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(guān)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(guān)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(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)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(jìn)而對流速產(chǎn)生影響。同時(shí)，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(jìn)行上樣，保持入口流量不變，隨著鞘液與樣品共同進(jìn)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(chǎn)生聚焦作用。

2 建立幾何模型并進(jìn)行邊界條件設(shè)定

如圖1所示為再聚焦微流控芯片二維模型，主要包括進(jìn)樣口，寬度100 μm；兩個(gè)鞘液入口，寬度100 μm；兩個(gè)出口，寬度100 μm；一個(gè)鞘液逆流入口，寬度100 μm，形成了典型微流聚焦芯片結(jié)構(gòu)。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(jié)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(cè)鞘液的作用下進(jìn)行初次聚焦，以及在有無逆流鞘液下進(jìn)行再次聚焦的樣品流體積分?jǐn)?shù)分布。實(shí)驗(yàn)過程中，一般是先通入鞘液以排出芯片內(nèi)部的氣泡，然后再通入樣品。為了與實(shí)驗(yàn)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(shí)假定樣品流進(jìn)樣速度為0.02 m/s，進(jìn)樣鞘液流進(jìn)樣速度為0.03 m/s，以及逆流鞘液的進(jìn)樣速度為0.1 m/s。

圖2 不同聚集狀態(tài)下樣品體積分?jǐn)?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(cè)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(nèi)，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(cè)低的拋物線形狀，因此樣品流的平均流速要快于兩側(cè)鞘液，相對于鞘液來說，樣品流會聚焦地更細(xì)；另一方面根據(jù)流體連續(xù)性原理，樣品流和鞘液流進(jìn)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(rèn)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(xì)。

相對于無逆流鞘液來說，在微流控芯片兩側(cè)出口交界面處充滿了樣品流，形成明顯的駐點(diǎn)區(qū)域，樣品流在駐點(diǎn)區(qū)域直接與壁面接觸，而在實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞、微球一旦接觸壁面很容易黏附在上面，進(jìn)而聚集導(dǎo)致流道阻塞。而在有逆流鞘液再聚焦時(shí)，在駐點(diǎn)區(qū)域的細(xì)胞等必然在逆流鞘液的帶動下遠(yuǎn)離流道壁面，流向兩側(cè)出口，防止了細(xì)胞的黏附阻塞，減小了駐點(diǎn)區(qū)域壁面對細(xì)胞或者微粒的影響；同時(shí)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(cè)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(jìn)樣鞘液不同流速下的樣品流初次聚焦?fàn)顟B(tài)。由圖2可知，在進(jìn)樣鞘液不同流速下，樣品流在兩側(cè)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(jìn)行也開始逐漸變??；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(jìn)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?yàn)殡S著兩側(cè)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(xì)，得到進(jìn)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?jǐn)?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(shí)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(shí)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(cè)出口的交界區(qū)域處遠(yuǎn)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(yuǎn)，細(xì)胞黏附的概率越小。同時(shí)，從兩側(cè)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(yàn)證。

圖5 不同流速下再聚焦樣品流體積分?jǐn)?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?jǐn)?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(shí)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(cè)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(jié) 語

本文提出一種新型微流控芯片，通過逆流鞘液進(jìn)行再聚焦的方式，能夠防止細(xì)胞聚集阻塞流道，同時(shí)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(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了引入逆流鞘液的可行性，同時(shí)也為下一步的實(shí)驗(yàn)開展提供了參考依據(jù)。