惯性微流体的应用与发展*

高 贤,于成壮,魏春阳,谷美林,李姗姗,2

(1.河北工业大学 机械工程学院,天津 300130；2.河北省机器人传感及人机融合重点实验室,天津 300130)

0 引 言

微流控技术是指在微米甚至纳米尺度的微通道内控制流体进行流动传质、传热的技术。在微米甚至纳米尺度的通道内,通道表面积与内部体积比很大,通道的结构、形状以及壁面性质对液体的流动都有很大的影响。不同于大尺寸通道液体流动,微流体的雷诺数极低,通常小于100,在微通道中呈层流状态,此时流体分层流动,互不混合,流体黏度的影响很大。这些特点都使得对微流体的操控更为困难。微流控对粒子的操控技术分为主动技术和被动技术两种。主动技术如介电泳[1,2]、磁泳[3]、声泳[4]等都依赖外力场,通过控制外力场来控制流体以及颗粒的运动,主动技术流量较低,因为目标粒子需要长时间暴露于力场中。尽管提供力场的辅助系统可以增加主动技术的灵活性和可控性,但增加了设备的复杂化。而被动技术主要依赖通道形状、几何尺寸以及流体特性等本身固有条件,设备简单,在处理过程中不需要进行潜在的细胞免疫标记过程。惯性微流体作为被动技术可以达到很高的流量,在生物化学、环境以及医药领域应用于粒子的聚焦[5～8]、分选[9,10]、富集[11,12]等操作。目前已在多种微流控通道结构中实现上述功能。通过改变通道入口流速[13]、通道宽高比[14]以及在微通道中设置微结构等条件来达到减少粒子的平衡位置的目的,实现粒子的精确操控。

结合本课题组在微米级颗粒惯性迁移以及介电泳颗粒操控领域的研究经验,本文综述了惯性微流体颗粒操控的最新研究进展。本文将惯性微流体颗粒操控最新研究进展以通道形状的复杂程度分为直通道和其他结构微通道两大类,并分别阐述：直通道结构简单,颗粒迁移过程只受惯性力影响；其他结构微通道包括弯曲通道、螺旋通道、蜿蜒通道以及扩缩通道。本文对每一种通道结构中颗粒迁移的原理及应用实例进行详细介绍,分析各自存在的优缺点及发展趋势。此外结合本课题组的研究基础讨论了现阶段惯性微流体发展的一些不足并作出展望。

1 直通道

1.1 直通道粒子惯性迁移机理

粒子的惯性迁移最早由Segre G和Silberberg发现于圆形管流中[14]。在较低雷诺数的层流中悬浮颗粒会在压力的作用下随流体在主流方向流动,同时在垂直于主流方向发生侧向迁移至距管轴线大约0.6倍半径处。经过后来学者的理论研究发现颗粒垂直主流方向的运动受流体惯性决定。造成侧向迁移的升力称为惯性升力,主要有两部分组成：1)剪切梯度升力FLs,泊肃叶流速分布的剪切率梯度导致颗粒两侧受力不均,产生指向平衡位置的升力；2)壁面效应FLw,壁面的存在导致颗粒两侧受力不均匀产生指向平衡位置的升力。

Ho B和Leal L[15]运用正则摄动法研究两无限平板间Poiseuille流中悬浮颗粒所受惯性升力,得到净惯性升力表达式FL=CLρU2a4/L2,其中ρ为液体密度,U为通道内特征流速,a为颗粒直径,L为通道特征尺寸。圆管通道中L为通道直径,矩形截面通道L为通道水力直径Dh,Dh=2WH/(W+H),其中W,H分别为通道宽和高,升力系数CL是侧向位置的函数。Asmolov E S和Matas J P计算雷诺数Re(Re=ρUL/μ,其中μ为流体的动力黏度)超过1 000时的升力如图1所示,其中z为距通道轴线长度,l为通道宽度,发现随着Re升高,CL变小且平衡位置更靠近墙面[16,17]。

图1 中高雷诺数下惯性升力分布特性

1.2 直通道粒子聚焦

雷诺数在颗粒的惯性聚焦过程中发挥着重要作用,随着雷诺数增加,惯性聚焦形式趋向于复杂化。Liu C等人[18]为完善高雷诺数下颗粒惯性迁移,采用高度H=50 μm的微通道进行多组实验,如图2所示,通过调节入口流速,通道宽高比AR(AR=W/H)来对比5 μm(浅色)和15 μm(深色)聚苯乙烯小球在矩形通道中的聚焦形式。当AR=1时,颗粒汇聚在通道四边中点,如图2(a),与现有研究结果相同[20]。当AR=2时,如图2(b),15 μm的颗粒在Re=111时聚焦到长边中点附近,在Re=222时有少数颗粒开始聚焦到长边的边缘(矩形通道四角)附近,随着雷诺数增加长边边缘颗粒汇聚逐渐增多。5 μm的颗粒在长边边缘附近聚焦较紧凑且稳定,在长边中点附近聚焦呈宽带状,5 μm颗粒相比于15 μm颗粒在较低雷诺数下所受惯性力较小,未能充分汇聚,随着入口流速增大,惯性力增大,聚焦模式更趋于紧凑稳定。AR=4(图2(c))和AR=6(图2(d))的聚焦情况在高雷诺数下比较复杂,随着雷诺数增加15 μm颗粒在长边聚焦位置由一个变为两个,且雷诺数越大,聚焦位置越接近长边边缘。5 μm的颗粒依然在长边聚焦成一条宽带,随着雷诺数增加宽带边缘聚焦颗粒增多。对于惯性聚焦应用角度,应设计合适的通道宽高比。

图2 直通道5 μm(浅色)和15 μm(深色)颗粒聚焦

1.3 特殊结构直通道粒子聚焦

通道入口处颗粒分布无规律布满整个通道,为了加快颗粒的聚焦,Nieuwstadt H A等人[20]设计了由三个入口和三个出口组成的直通道,包含颗粒的载液流由中心入口进入通道,保证所有颗粒都在横向中心处,这样有利于颗粒在相对较短的轴向距离形成Poiseuille流,有助于减小颗粒聚焦的轴向距离。用此直通道进行实验,在60 mL/h的流量下,直径10.2 μm的颗粒聚焦效果显著。

目前微通道处理样品的流量较小,远达不到商业化标准。为了开发商用微流控芯片,Mach A J和Di Carlo D等人[21]设计了并行化微流体芯片,可用于大规模分离血液中的致病菌,有效地增大了样品的处理量。该芯片由并行排列的40个单直微通道组成,每个通道由三个不同横截面的三段串连组成,通过血细胞与致病菌在通道中的聚焦位置不同,来达到分离细菌和细胞的目的。实验证明在240 mL/h的流量下,超过80 %的致病菌可通过两次分离被去除。

作为诊断恶性肿瘤以及其他疾病的手段,细胞样本的手动浓缩、染色以及观察处理通常由专业的病理学家执行。但是目前细胞染色的化学处理和化学反应通常很慢,限制了处理效率。惯性微流体作为一种处理细胞的工具可以调节细胞与其周围环境的反应时间[22]。 Tan A P等人[23]设计的三入口直通道,通道有三个入口,细胞悬浮液由两端入口进入,试剂由中心入口流入。细胞在主通道从原始培养基中向中心迁移,导致细胞与试剂接触发生反应。此微流体系统应用于细胞病理学可以使芯片上的细胞自动染色,细胞在流动中处理,大大增加了处理效率。Hur S C等人[24]利用具有高宽高比的特殊结构直通道从小鼠的肾上腺消化液中分离出了肾上腺皮质细胞。惯性聚焦位置取决与细胞尺寸,较大的细胞更靠近通道中心,较小的细胞更靠近通道壁,在出口处收集分离出来的肾上腺皮质细胞。在另一项研究中Hur S C等人[25]设计了一种由256个高宽高比的直通道并行组成的微通道结构,每秒可处理100万个细胞。

2 其他结构微通道

2.1 弯曲通道颗粒惯性迁移机理

图3 弯形通道横截面迪恩涡流以及颗粒受力情况示意

目前微流控装置的设计大部分用于实现特定颗粒或者细胞的操控,出现了弯曲形[11,26,27]、螺旋形[28～30]、蜿蜒形[31～33]、扩缩形[34～37]等多种类型的通道结构。

2.2 “U”形“S”形通道

弯曲微通道中颗粒不但受惯性力的作用,还受二次流引起的曳力的影响,二次流的加入有助于颗粒更快的到达平衡位置。Ramachandraiah H等人[38]使用U形和S形通道实现了颗粒的聚焦,并分析了多种通道宽高比(AR=1︰1～1︰20)下曲率对颗粒聚焦的影响。发现由弯曲通道离开进入直通道的颗粒聚焦位置与曲率半径无关。无论进入弯曲通道部分的颗粒已处在通道内平衡位置或随机分布,侧向聚焦位置都是固定和独立的。

Yoon D H等人[39]提出了另一种弯曲通道颗粒聚焦分离理论。在研究中,颗粒的聚焦分离是通过二次流速分布的净效应来实现的,而不是二次流和惯性力共同作用的结果。实验证明直径大于0.72 H的颗粒在流经弯道处会受到向外的二次流阻力,而直径小于0.27 H的较小颗粒会受到向内的二次流阻力。因此颗粒完成聚焦后,在U形弯道处产生不同方向的迁移,从而分离两种不同大小的颗粒。

2.3 螺旋通道

作为特殊结构弯通道,不同粒径的颗粒在螺旋通道中聚焦位置不同,螺旋通道常被用于颗粒的分离。Bhagat A A S等人[40]用圈数为5的螺旋通道成功分离了7.32 μm和1.9 μm聚苯乙烯小球。同实验组的Kuntaegowdanahalli S S等人[41]在螺旋通道中连续分离三种大小的颗粒(直径10,15,20 μm),分离效率达到90 %。其实验组将螺旋通道用于细胞检测,检测系统对细胞的处理量可达每秒2100个。

癌症也被称为恶性肿瘤,是一种异常细胞生长导致疾病,具有对体内其他器官侵袭和增殖的潜力。 原发性肿瘤的转移是非血液癌患者的主要死亡原因[42]。在转移期间,癌细胞离开实体瘤进入血液,成为循环肿瘤细胞(circula-ting tumor cells,CTCs),可作为癌症转移早期诊断以及癌症后期治疗监测的重要标志物。Sun J等人[43,44]设计双螺旋结构通道,用于分离血液中的人类乳腺癌细胞(man rophage chemotatic factor,MCF—7)。双螺旋结构由两个螺旋结构在中间部分由“S”形连接而成。该结构用于聚焦和分离CTCs,在20 mL/h的流量下,首次分离效率可达96.7 %,重新捕获率达88.5 %。

除了单独用于粒子聚焦分离外惯性微流控芯片还被用于与其他系统结合达到特定效果。Kemna E W等人[46]设计将螺旋通道中的细胞排列与液滴微流体发生器结合的集成系统。细胞聚焦为单一的颗粒链,细胞捕获率达80 %。这样的系统在诸如细胞的测定,药物筛选和细胞打印等技术的应用中有很好的发展前景。

2.4 蜿蜒通道

蜿蜒通道属于复杂结构的弯曲通道,相比于一般的直通道和弯曲通道,蜿蜒通道曲率交替变化,产生交替变化的二次流,使得颗粒聚焦模式更为复杂。Zhang J等人[47]通过实验得到了蜿蜒通道(宽200 μm,高50 μm)中10 μm颗粒的三种聚焦模式,当雷诺数低于阈值A时,颗粒聚焦成为两条稳定的线,此时惯性升力主导颗粒平衡位置；当雷诺数大于阈值B时,颗粒聚焦为稳定的单条线,迪恩曳力对颗粒影响远大于惯性升力；当雷诺数处于阈值A与B之间时,颗粒出现了介于上述两种情况之间的汇聚情况,呈单条宽带状,产生此现象的原因可能是由于惯性升力与迪恩曳力处于相同数量级共同作用于颗粒,又由于矩形通道周期性复杂形状惯性升力与迪恩曳力相互竞争导致。

Liu C等人[48]对蜿蜒通道内颗粒的运动和受力进行三维数值模拟,微通道内液体流动采用N-S方程求解,颗粒运动轨迹在流场内由牛顿第二定律按照受力情况在时间上进行积分获得。通过实验与仿真对比发现,在50 mL/h的流量下,实验所得5 μm和15 μm的颗粒在矩形通道中的聚焦图像与数值模拟仿真结果基本吻合。Zhang J等人[49]发现,当雷诺数达到一定时,矩形通道中颗粒所受离心力不可忽略,离心力、惯性力和迪恩曳力三者共同作用于颗粒所示。在雷诺数为110的情况下,对9.9 μm的颗粒在矩形通道中的运动进行仿真,与实验结果有很好的匹配,说明离心力在颗粒的运动过程中起到重要作用。

蛇形蜿蜒通道也常被用于颗粒的聚焦和分离[50,51]。Di Carlo D等人[52]研究了交替变化的曲率对颗粒惯性迁移的影响。研究中发现,由于设计通道的对称性,正方形截面直通道中颗粒的四个平衡位置在对称的蛇形蜿蜒通道中减少为两个。此外在不对称的蛇形蜿蜒通道中,平衡位置在一定条件下可减为一个如图4(a)所示。当增大De时,颗粒的聚焦情况变得更加复杂[53]。研制认为颗粒的聚焦是由惯性升力和迪恩曳力共同作用的结果。设计使用非对称蛇形通道[54],用来从混合物中分理出大颗粒。实验证明,从混合物中去除大颗粒后保留的小颗粒纯度可达90 %～100 %。Oakey J等人[55]改进了非对称蛇形通道,在蛇形通道前方和后方连接一段直通道,并连接流动式细胞仪进行观察如图4(b)所示。10.2 μm的聚苯乙烯小球在1.1 m/s的线速度下从通道上部观察,在前方支通道处颗粒聚焦为两个较宽的条纹,侧面观察颗粒水平并排；颗粒进入非对称蛇形通道后,从上部观察颗粒聚焦为较窄的一条,侧面观察颗粒竖直并排；当颗粒从非对称蛇形通道流出进入直通道后,从通道上部观察呈细条状,侧面观察为单股。其设计的芯片结构,在通道后方连接流动式细胞仪观察可以有效防止粒子重叠对观察的影响。

图4 蛇形结构微通道

2.5 扩缩通道

扩缩通道最先被设计用来增强流体的混合效应[34]。与普通直通道不同,在收缩区域入口处,离心力引起反向旋转的二次流与惯性升力一起作用于颗粒确定颗粒聚焦位置。Lee M G等人[35]设计了一种在直通道的单侧增加收缩扩张的阵列成功实现单流粒子聚焦。除了颗粒聚焦外,扩缩通道也用于一系列颗粒分离,包括分离直径为4 μm和10 μm的聚苯乙烯小球[56]、从全血中分离红细胞[57]以及血液中癌细胞的分离[58]。大颗粒或细胞如癌细胞主要受到惯性升力的影响,向收缩扩张侧迁移,而小颗粒或细胞由Dean曳力主导,向相反的方向转移。最终可以实现基于不同尺寸的颗粒或细胞的分离。

3 结 论

本文首先阐述了多种通道结构中特定大小的粒子惯性迁移机制,在直通道的Poiseuille流中,速度剪切力梯度产生的剪切力与壁面效应的平衡现象与Segre和Siberberg的实验结果有很好的匹配。颗粒的聚焦除了受通道形状和尺寸的影响外,颗粒本身的性质(形状、尺寸、可变形性等)和流体本身的性质(粘度、密度等)也起到决定性作用。在一般的弯通道中,颗粒除了受惯性力外,还受通道弯曲处二次流产生的曳力作用,两者共同作用于颗粒,影响颗粒在通道中的迁移。本文综述了一些特殊结构的弯曲通道,如螺旋通道、矩形通道、蛇形通道和扩缩通道中颗粒/细胞惯性迁移实例。这些惯性微流体装置已广泛地应用于生物医药和工业中,例如提取血浆,颗粒/细胞的分离,分离CTCs,细胞富集,检测疟疾病原体,超细纤维制造以及细胞周期同步等。虽然目前已经对粒子惯性聚焦机理进行了广泛的研究,并且已应用于颗粒/细胞分离,但是粒子在不同结构微通道中复杂的惯性迁移模式给惯性微流体设计带来困难,不同通道形状的设计多出自对特定粒子操控研究,且仍然不能对粒子进行定量操控。因此需要更多的研究来发掘粒子惯性迁移的底层机制。另外还需要更多的研究来优化通道结构,提高分离效率和处理速度。 虽然一些并行化设计可以作为很好的例子,但是得到一个基于不同通道结构的一般设计优化方案会对惯性微流体的发展有很大帮助。惯性微流体进行的颗粒操纵目前仅限于微米尺度内。纳米尺度的颗粒(脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)、蛋白质、病毒)的惯性操控等尚未被探索出来。纳米级的颗粒布朗运动将会很明显,甚至可以克服惯性效应。所以减小通道尺寸并不能实现纳米尺寸的操控。流体的粘弹性理论的引入在未来可能作为一个突破点来解决这个问题。

尽管过去几十年来惯性微流体已经取得了重大进展,即使有几种商业原型开发,惯性微流体本身仍处于早期发展阶段。制备工艺复杂,操作环境要求比较高,以及样品需预处理等缺点仍制约着惯性微流体的发展。但不可否认惯性微流体高通量,结构简单,成本低等优点,将使得微流控技术在未来的发展中不断趋向于商业化生产,应用于各个领域。