СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ МИКРОЖИДКОСТНЫХ ЧАСТИЦ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПОСОБА Российский патент 2022 года по МПК G01N33/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к микрогидродинамике и, в частности, к способу улучшения разделения для частиц, взвешенных в жидкости в соответствии с размером. Конкретным применением может являться выделение циркулирующих опухолевых клеток (CTC) из образцов крови.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Манипулирование микрочастицами имеет большой потенциал для идентификации и анализа конкретных частиц во многих биохимических и клинических приложениях (Yoon, SciRep, 2016). Ключевым параметром с точки зрения обнаружения и анализа частиц является точное манипулирование жидкостями и микрочастицами, например, фокусировка, разделение и фракционирование (Zhang, LabChip, 2016). При обработке или манипулировании небольшими объемами жидкостей (от 10^-3 до 10^-12 миллилитров) внутри каналов с размерами от десятков до сотен микрометров (Whitesides, Nature, 2006) микрожидкостные методики являются мощными подходами за счет выполнения точного разделения и обнаружения с низким содержанием жидкости в образцах, низкой стоимостью, высокой чувствительностью и быстрой обработкой образцов (Shen, LabChip, 2017).

Обеспечение быстрого, высокопроизводительного и эффективного разделения частиц без использования меток имеет важное значение для микрожидкостных платформ (Shen, LabChip, 2017). Без приложения внешнего поля методики гидродинамического разделения имеют значительное преимущество над активными методиками (такими как электрофорез, диэлектрофорез, магнитные, оптические и акустические) с точки зрения стоимости оборудования и сложности экспериментальной установки (Sajeeh, MicrofluidNanofluid, 2014). В гидродинамическом разделении в основном используются размерные и/или упругие свойства частиц. Среди них наиболее распространенной методикой является разделение по размеру. Были разработаны разные теории для разделения частиц с двумя разными размерами в микроканалах, но новаторские исследования были проведены Сегре и Зильбербергом, которые первыми заметили присутствие равновесных положений частиц в потоке, исследуя их движения в канале (Segre и Silberberg, Nature, 1962).

Гидродинамическое разделение сильно зависит от взаимодействия между частицей и стенкой или жидкостью, например, от инерционной микрогидродинамики. В частности, инерционная микрогидродинамика обеспечивает быстрое, высокопроизводительное, без использования меток и эффективное разделение частиц посредством манипулирования микрочастицами без приложения каких-либо внешних сил и с использованием только сил, возникающих из гидродинамики системы (Schaap, MicrofluidNanofluid, 2016). Идея, лежащая в основе этой методики, заключается в создании сил инерции без влияния на условия ламинарного потока в микрожидкостных каналах. В общем, можно применять силы инерции для различной геометрии микроканалов. Примеры микроканалов различной геометрии могут включать прямые микроканалы (Zhou, LabChip, 2013; Dudani, AnalChem, 2014), изогнутые микроканалы (Yoon, LabChip, 2009), гладкие микроканалы с полостями, образующими вихри (Sollier, LabChip, 2014), змеевидные микроканалы (Zhang, SciRep, 2014; Jiang, RSCAdv, 2016) и спиральные микроканалы (Gregoratto, Proc of SPIE, 2007; Bhagat, LabChip, 2008; Nivedita, BioMicrofluid, 2013).

В прямом канале на частицы действуют две силы, заставляющие их пересекать линии потока жидкости: подъемная сила градиента сдвига и подъемная сила стенки. Вследствие наличия профиля течения Пуазейля (параболического профиля потока) подъемная сила градиента сдвига перемещает частицы к стенкам канала, в то время как подъемная сила стенки отталкивает их от стенки из-за асимметричного вихревого следа частиц. Эта конкуренция между этими двумя силами создает результирующую силу, называемую чистой подъемной силой (F_L), и определяет положения равновесия для частиц в поперечном сечении канала. Форма/тип поперечного сечения определяет величину положения равновесия. Круглое поперечное сечение канала создает кольцо положений равновесия с фиксированным расстоянием от центра канала, четыре положения равновесия вдоль четырех стенок возникают при квадратном поперечном сечении, и прямоугольное поперечное сечение дает только два положения равновесия вблизи верхней и нижней стенок в середине канала. Чистая подъемная сила выражается как:

, (E1)

где ρ представляет собой плотность жидкости, U_avg представляет собой среднюю скорость жидкости в канале, a представляет собой диаметр частицы, c_L представляет собой коэффициент подъемной силы, D_H представляет собой гидравлический диаметр. Гидравлический диаметр выражается как:

, (E2)

где h представляет собой высоту, w представляет собой ширину поперечного сечения микроканала. Согласно уравнению 1, диаметр частиц является существенным для чистой подъемной силы, поэтому частицы разного размера имеют различные положения равновесия в поперечном сечении канала.

С другой стороны, необходимость фокусировать частицы только в одном положении равновесия в соответствии с их размером удовлетворяется за счет создания смещающей силы, которая может создаваться через изогнутые каналы. Следовательно, несколько положений равновесия перекрываются в одном положении фокусировки. Из-за несоответствия импульса жидкости в центре и у стенки изогнутого канала возникают два встречных вторичных потока, называемых потоками Дина. Поток Дина характеризуется безразмерным числом Дина:

, (E3)

где R представляет собой радиус кривизны канала, Re представляет собой число Рейнольдса канала, и μ представляет собой вязкость жидкости. В спиральных каналах поток Дина воздействует на частицы силой Дина по формуле:

, (E4)

где (Saffman, 1965, JFluidMech) представляет собой поперечную скорость потока Дина. Согласно уравнению 4 размер частиц (а) является детерминированным параметром силы Дина. Положения фокусирования частиц зависят и от F_L, и от F_D, и они значительно изменяются в зависимости от размера частиц (F_L/F_D α a³). Это означает, что частицы разного размера располагаются в разных боковых положениях по поперечному сечению канала. Хотя основной силой, воздействующей на положения равновесия частиц, является F_L, F_D изменяет эти положения равновесия, уменьшает их количество и облегчает однопоточную фокусировку в изогнутых микроканалах (Gosset, AnalChem, 2009; Warkiani, NatProtoc, 2016).

Для эффективного разделения частиц по размеру необходимо параллельно определять среднюю скорость потока жидкости (U_avg), соотношение сторон канала (а) и коэффициент удержания (λ) канала. Коэффициент удержания можно рассчитать, разделив диаметр частицы на гидравлический диаметр (D_H) канала:

. (E5)

Согласно Мартелю и Тонеру (Martel, SciRep, 2013), частицы не могут быть сфокусированы на какой-либо линии потока в спиральном микроканале и рассеяны по боковой плоскости под воздействием сил Дина, если коэффициент удержания намного меньше 0,07. Если он составляет около 0,07 или больше, то можно разделять частицы по их размеру.

EP 1585583 B1 раскрывает способ и устройство для разделения частиц в соответствии с их размером. Для этого используются препятствия, обеспечивающие асимметричный поток. Раскрыто, что массивы препятствий выровнены в микрожидкостном канале, и массив препятствий расположен асимметрично по отношению к приложенному направлению потока. Однако препятствие не имеет формы гидрокрыла, и для разделения необходим массив препятствий.

Использование препятствия как формы гидрокрыла раскрыто в патенте США N 9433880 B2. В этом патентном документе описан способ разделения взвешенных частиц, содержащих биологический материал, и ускоритель, который может иметь форму гидрокрыла, расположен в канале таким образом, чтобы задняя грань ускорителей располагалась ближе к внутренней стенке, чем к внешней стенке канала, в то время как передняя грань располагалась бы ближе к внешней стенке, чтобы создать такой угол атаки, который сокращает путь потока и время прохождения частиц. Функция гидрокрыла состоит в том, чтобы сузить полосу разделения для увеличения количества частиц, но не в разделении частиц.

В патенте США № 9427688 В2 раскрыто применение препятствий для диспергирования частиц. В этом патентном документе поле препятствий, которое также может иметь форму гидрокрыла, применяют для диспергирования частиц на основе взаимодействия частиц и препятствий. Утверждалось, что вследствие асимметричного взаимодействия частиц с препятствиями частицы могут смещаться в одну сторону от препятствий. Однако конкретное применение гидрокрыла для разделения частиц не рассматривалось.

Разделение по размеру может быть реализовано на микрожидкостных каналах спиральной формы без использования гидрокрыла. Применение спиральных каналов для разделения частиц раскрыто в патенте США № 8208138 B2. В этом патентном документе спиральный микроканал с множеством петель применяют для разделения частиц разных размеров за счет использования сил сопротивления Дина и подъемных сил на частицах. В патенте США № 9458489 B2 спиральные каналы применяют аналогичным образом для разделения клеток крови в зависимости от их размеров. Однако применение спиральных каналов без гидрокрыла требует нескольких оборотов спирального канала для достижения значимого разделения частиц при желаемой скорости потока.

Такие способы и устройства можно применять в жидкостной биопсии для выделения CTC (циркулирующих опухолевых клеток). CTC представляют собой клетки, которые распространяются в кровь из первичных или метастатических опухолей и играют ключевую роль в метастатическом каскаде. CTC являются редкими клетками, присутствующие в крови больных раком. Прогностическая ценность CTC была доказана и одобрена FDA для рака груди, простаты и колоректального рака, где большее количество CTC (> 5 CTC/7,5 мл крови) коррелирует с более низким общим коэффициентом выживаемости (OSR). Другие потенциальные клинические применения CTC включают мониторинг заболеваний, рекомендации по терапии, стратификацию пациентов для точной медицины и индивидуализированной терапии, скрининг для ранней диагностики, исследования рака и разработку лекарств.

Однако обнаружение CTC представляет собой непростую задачу вследствие их небольшого количества в образцах крови, а именно, всего одна CTC на миллиард клеток крови. Ни одна из современных технологий выделения CTC не может обеспечить необходимую чувствительность, надежность, робастность, простоту применения и экономическую эффективность, которые являются наиболее важными потребностями пользователя с точки зрения клинических и экономических перспектив.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшения разделения частиц через асимметричное препятствие в форме асимметричного гидрокрыла и предоставление микрожидкостной системы разделения частиц на основе размера, состоящей из верхней части, которая имеет спиральную форму, и нижней части, которая имеет прямую форму. Когда частицы текут внутри верхней части микроканала, инерционные эффекты заставляют частицы течь по разным сфокусированным траекториям, что приводит к разделению по размеру. Асимметричное гидрокрыло увеличивает поперечное расстояние между частицами, что приводит к повышению эффективности разделения. Таким образом, лучшее разделение может быть достигнуто в более коротком спиральном канале, что снижает гидравлическое сопротивление и площадь основания. Возможность сокращения требуемого количества витков спирали имеет ряд других преимуществ:

Функционирование при более низком давлении: гидродинамическое сопротивление канала значимо уменьшается, если количество витков спирального канала уменьшается. Это позволяет работать с такими же скоростями потока жидкости при гораздо меньших значениях давления на входе. Это дает устройству преимущество с точки зрения регулирования и снижает требования к оборудованию лаборатории, в которой будет эксплуатироваться система.

Пропускная способность: при уменьшении необходимого давления устройство может работать с более высокими скоростями потока, что повышает пропускную способность. Это дает преимущество для последующего анализа, поскольку жизнеспособность клеток резко снижается с увеличением продолжительности теста.

Меньшая занимаемая площадь: уменьшенное количество витков уменьшает занимаемую площадь устройства, что потенциально снижает производственные затраты (как для MEMS, так и для технологий изготовления полимеров).

Применение гидрокрыла повышает эффективность разделения. Это обеспечивает анализ, который имеет более высокие значения чистоты и скорости восстановления, превосходящие производительность современных систем.

Одно из применений изобретения относится к биомедицинским микросистемам для диагностических целей in vitro, тогда как другое применение связано с подготовкой образцов перед любыми последующими анализами, такими как молекулярный, генетический или мутационный анализ. Представленное изобретение может быть применено в микрожидкостных платформах для обогащения/разделения циркулирующих опухолевых клеток (CTC) из образцов крови больных раком, благодаря разнице в размерах CTC и других клеток периферической крови: CTC обычно больше, чем другие клетки крови. Вследствие своих больших размеров CTC сфокусированы на траектории ближе к внутренней стенке спирального микроканала, чем другие клетки крови, и поэтому их можно отделить от остальной части образца, разделив канал на два выхода (выходы для образца и отходов). Использование асимметричного гидрокрыла выше по потоку относительно соединения выпускных каналов повышает эффективность разделения, а также уменьшает необходимую длину канала, занимаемую площадь и давление, необходимое для достижения требуемой скорости потока образца.

Фигуры

Фиг. 1 представляет собой типичный вид разделения частиц вокруг асимметричного гидрокрыла с ненулевым углом атаки;

Фиг. 2 представляет собой типичный вид разделения частиц вокруг асимметричного гидрокрыла с ненулевым углом атаки и вихревой областью ниже по потоку от гидрокрыла;

Фиг. 3 представляет собой результат моделирования разделения частиц вокруг гидрокрыла, где частицы большего размера текут ниже гидрокрыла.

Фиг. 4 представляет собой результат моделирования разделения частиц вокруг гидрокрыла, где частицы большего размера текут выше гидрокрыла.

Фиг. 5 представляет собой результат моделирования распределения частиц разного размера вокруг гидрокрыла, где частицы большего размера текут выше гидрокрыла.

Фиг. 6 представляет собой результат моделирования распределения частиц разного размера вокруг гидрокрыла, где частицы большего размера текут ниже гидрокрыла.

Фиг. 7 представляет собой типичный вид разделения частиц вокруг гидрокрыла и потока частиц вокруг разделительной стенки, расположенной ниже по потоку от гидрокрыла;

Фиг. 8 представляет собой типичный вид разделения распределения частиц вокруг гидрокрыла и потока распределения частиц вокруг разделительной стенки, расположенной ниже по потоку от гидрокрыла;

Фиг. 9 представляет собой типичный вид варианта осуществления, в котором частицы разного размера разделяются гидрокрыльями и проходят через два разных канала ниже по потоку.

Фиг. 10 представляет собой типичный вид варианта осуществления, в котором частицы разного размера разделяются гидрокрыльями и проходят через два разных канала ниже по потоку.

Фиг. 11 представляет собой типичный вид варианта осуществления, который состоит из верхнего по потоку спирального канала, гидрокрыла и разделительной стенки ниже по потоку, и двух нижних по потоку каналов.

Фиг. 12 представляет собой результат эксперимента, показывающий фокусировку частиц разного размера вдоль спирального канала.

Фиг. 13 представляет собой результат эксперимента, показывающий распределение частиц разного размера в поперечном сечении вдоль спирального канала.

Фиг. 14 представляет собой результаты моделирования, показывающие разделение распределения частиц вокруг гидрокрыла и поток вокруг разделительной стенки.

Фиг. 15 представляет собой SEM-изображение варианта осуществления, показывающего верхний по потоку спиральный канал, гидрокрыло и разделительную стенку ниже по потоку, и два нижних по потоку канала.

Описание компонентов и частей изобретения

Компоненты, показанные на чертежах, подготовленных для лучшего объяснения устройства для улучшения разделения микрожидкостных частиц, пронумерованы отдельно, и объяснение каждого номера дается ниже.

(1) гидрокрыло

(le) передняя грань

(te) задняя грань

(2) линия хорды

(3) центральная ось

(4) линия потока, совпадающая с центральной осью

(5) более крупные частицы

(6) более мелкие частицы

(7) точка разделения потока

(8) вихревая область

(9) линия потока выше центральной оси гидрокрыла

(10) линия потока ниже центральной оси гидрокрыла

(11) частицы диаметром 14 мкм

(12) частицы диаметром 10 мкм

(13) разделительная стенка

(T) крайняя точка разделительной стенки

(14) распределение более крупных частиц

(15) распределение более мелких частиц

(16) верхний по потоку канал

(17) a, b нижние по потоку каналы

(18) a, b частицы разного размера

(19) a, b Распределение частиц разного размера

(20) вход

(21) спиральный канал

(22) a, b Выходы

(23) линия потока, несущего флуоресцентные частицы диаметром 20 мкм

(24) линия потока, несущего флуоресцентные частицы диаметром 10 мкм

(α) угол атаки

(а) расстояние между линией потока перед гидрокрылом

(h) высота проекции гидрокрыла вдоль ширины канала

(d) расстояние между линиями потока в непосредственной близости ниже по потоку от вихревой области

Подробное описание изобретения

В настоящем изобретении используются гидрокрылья для обеспечения возможности и улучшения разделения частиц разного размера с одинаковой плотностью. Гидрокрыло (1), которое является асимметричным относительно линии хорды (2), соединяющей переднюю грань (le) и заднюю грань (te) крыла, расположенное в потоке под ненулевым углом атаки (α), который представляет собой угол между линией хорды и центральной осью (3), измеренный от центральной оси, так что угол атаки (α) является положительным, как показано на фигуре 1, создает градиент давления вдоль крыла, сопровождаемый градиентом скорости, в соответствии с законом сохранения импульса. Следовательно, средняя скорость на одной стороне крыла будет выше по сравнению со средней скоростью на противоположной стороне. В этом случае, когда линия потока, совпадающая с центральной осью (4) и несущая частицы двух разных размеров, встречается с передней гранью крыла, более крупные частицы (5) в потоке стремятся протекать через одну из сторон крыла с меньшей средней скоростью вследствие их относительно большой инерции. С другой стороны, более мелкие частицы (6) текут вдоль более быстрого потока, поскольку их можно легче ускорить вследствие меньшей инерции. Следовательно, гидрокрыло можно использовать для разделения частиц в потоке в зависимости от их размеров.

Другим аспектом применения гидрокрыла с ненулевым углом атаки является разделение потока и вихрей ниже по потоку, как показано на фигуре 2. Когда скорость потока достаточно высока, эффекты вязкости становятся относительно менее эффективными, и инерция жидкости становится доминирующей. Следовательно, поток не может следовать по поверхности гидрокрыла и разделяется. Точка, в которой это происходит, называется точкой разделения потока (7). Ниже по потоку от точки разделения потока образуются вихри, что обеспечивает сохранение углового момента жидкости. Если поток, несущий частицы, отделяется от поверхности гидрокрыла, частицы в потоке не стремятся дрейфовать к вихревой области (8). Следовательно, частицы, разделенные в соответствии с их размерами на передней грани гидрокрыла, не встречаются на выходе из гидрокрыла в вихревой области. Следовательно, когда две параллельные линии потока, несущие частицы, встречаются с гидрокрылом, так что одна линия потока (9) находится выше центральной оси (3) гидрокрыла, а другая линия потока (10) находится ниже центральной оси (3) гидрокрыла и существует расстояние (а) между линиями потока выше по потоку от гидрокрыла, которое меньше высоты (h) проекции гидрокрыла вдоль ширины канала, тогда, поскольку частицы, прошедшие мимо гидрокрыла, не могут дрейфовать в вихревую область (8), то расстояние между линиями потока (d) в непосредственной близости ниже по потоку от вихревой области будет больше, чем (a), как показано на фигуре 2, что улучшает разделение частиц. Этот результат не зависит от того, несет ли линия потока (9) или линия потока (10) более крупные или более мелкие частицы, поскольку линии потока не могут пересекать центральную ось (3), проходящую через переднюю грань гидрокрыла выше по потоку. На фигуре 3 представлены результаты моделирования, показывающие траектории частиц диаметром 14 мкм (11) и частиц диаметром 10 мкм (12), переносимых линиями потока ниже и выше центральной оси, соответственно. Фигура 4 представляет случай, когда частицы диаметром 14 мкм (11) и частицы диаметром 10 мкм (12) переносятся линиями потока выше и ниже центральной оси, соответственно.

В случае, когда частицы разного размера не фокусируются на отдельных линиях потока, а распределяются по нескольким линиям потока, при этом эти два распределения частиц совпадают на центральной оси (3), происходит либо разделение частиц, либо улучшение разделения частиц ниже по потоку от гидрокрыла. Здесь эффективность разделения частиц можно охарактеризовать, обратившись к определению степени разделения, обычно используемому в приложениях хроматографии (T. Hanai, 1999):

, (E6)

где R представляет собой степень разделения, d_p,2 представляет собой положение пика более мелких (или более крупных) частиц по ширине канала, d_p,1 представляет собой положение пика более крупных (или более мелких) частиц по ширине канала, w_0,5h,1 представляет собой ширину распределения более крупных (или более мелких) частиц на половине высоты пика распределения, и w_0,5h,2 представляет собой ширину распределения более мелких (или более крупных) частиц на половине высоты пика распределения. На практике, R>1 означает, что распределение частиц не перекрывается. Со ссылкой на это определение, в случае, когда угол атаки (α) положительный, результатом будет повышение эффективности разделения частиц, когда частицы большего размера распределены по линии потока, проходящей через сторону низкого давления гидрокрыла (например, как линия потока (9) на фигуре 2); в противном случае результатом будет полное разделение частиц с R>1. Соответственно, на фигуре 5 показаны результаты моделирования, в котором гидрокрыло с положительным углом атаки (α) расположено в потоке, а частицы (11) диаметром 14 мкм распределены по линии потока, которая проходит через сторону более низкого давления гидрокрыла над центральной осью, в то время как частицы (12) диаметром 10 мкм распределены по линии потока, которая проходит через сторону более высокого давления гидрокрыла под центральной осью. Видно, что некоторые из частиц диаметром 14 мкм (11) текут по линиям потока, несущим частицы диаметром 10 мкм (12). Однако расстояние между точками пика распределенных частиц увеличивается ниже по потоку от гидрокрыла, что указывает на улучшенное значение R, и, следовательно, на эффективность разделения. С другой стороны, на фигуре 6 показаны результаты моделирования, в котором используется то же гидрокрыло, что и на фигуре 5, и частицы диаметром 14 мкм (11) распределены по линии потока, которая проходит через сторону более высокого давления гидрокрыла ниже центральной оси, тогда как как частицы (12) диаметром 10 мкм распределены вокруг линии потока, которая проходит через сторону низкого давления гидрокрыла выше центральной оси. Результаты показывают, что ни одна из частиц диаметром 14 мкм (11) не течет по линиям потока, несущим частицы диаметром 10 мкм (12), и расстояние между распределениями частиц увеличивается ниже по потоку от гидрокрыла.

Другой аспект применения гидрокрыла относится к вихревой области (8) ниже по потоку от гидрокрыла. Поскольку частицы, проходящие мимо гидрокрыла, не стремятся дрейфовать в вихревую область (8), то разделительная стенка (13), которая разделяет поток на два отдельных потока (3), и крайняя точка (T) которой расположена непосредственно на конце ниже по потоку вихревой области, предотвращает смешивание частиц разного размера, которые уже разделены гидрокрыльями, вдоль разделительной стенки (13). На фигуре 7 представлен этот случай, в котором более крупные частицы (5) и более мелкие частицы (4), переносимые параллельными потоками, один из которых находится выше, а другой ниже центральной оси (3), разделены гидрокрылом и разделительной стенкой (13), расположенной ниже по потоку. Аналогичным образом, на фигуре 8 представлен случай, в котором распределение более крупных частиц (14) и распределение более мелких частиц (15) разделены гидрокрылом, а разделительная стенка (13) расположена ниже по потоку.

Способы, проиллюстрированные на фигурах 2 и 7, могут быть применены в варианте осуществления, использующем гидрокрылья для разделения частиц одинаковой плотности в зависимости от их размеров, как показано на фигуре 9. Вариант осуществления включает один верхний по потоку канал (16), два нижних по потоку канала (17a, 17b), и гидрокрыло (1), расположенное немного выше по потоку от пересечения двух нижних по потоку каналов. Линии потока, несущие частицы, с расстоянием (а) между ними таким, что одна линия потока находится выше, а другая ниже центральной оси (3) в верхнем по потоку канале (16) будут разделяться на гидрокрыльях (1) и направляться в нижние по потоку каналы (17а, 17b). Таким образом, частицы разного размера (18a, 18b) могут собираться в разных нижних по потоку каналах (17a, 17b).

В другом варианте осуществления, проиллюстрированном на фигуре 10, применяются способы, показанные на фигурах 5, 6 и 7. Этот вариант осуществления снова включает один верхний по потоку канал (16), два нижних по потоку канала (17a, 17b) и гидрокрыло (1), расположенное немного выше по потоку от пересечения двух нижних по потоку каналов. Потоки, несущие распределение частиц разного размера (19a, 19b) с расстоянием (a) между положениями их пиков, так что положения пиков расположены с двух сторон от центральной оси (3), в верхнем по потоку канале будут разделены на гидрокрыле (1) и направлены в разные нижние по потоку каналы. Когда частицы большего размера распределяются вокруг линии потока, которая проходит через сторону более низкого давления гидрокрыла, такой как линия потока (9) на фигуре 2, результатом является улучшение разделения частиц и сбор разделенных частиц в нижних по потоку каналах (17a, 17 b). В противном случае результатом будет полное разделение частиц и сбор разделенных частиц в нижних по потоку каналах (17a, 17b).

Верхний по потоку канал (16) на фигурах 9 и 10 может иметь форму спирали (фигура 11). В этом варианте осуществления, когда смесь частиц разного размера распределяется через вход (20), вихри Дина, образующиеся поперек спирального канала (21), вызывают фокусировку частиц разного размера на двух различных линиях потока или их распределение по ним. Частицы, переносимые этими линиями потока, могут быть разделены гидрокрылом (1), и разделенные частицы могут быть направлены к различным выходам (22a, 22b) через нижние по потоку каналы (17a, 17b), разделенные разделительной стенкой (13).

В случае спирального канала частицы обычно стремятся распределяться по линии потока на внутренних петлях спирали и фокусироваться на линии потока на внешних петлях, когда они текут внутри спирали (Gregoratto, Proc of SPIE, 2007; Bhagat, LabChip, 2008; Nivedita, BioMicrofluid, 2013). На фигуре 12 показано фокусирование флуоресцентных частиц с номинальными диаметрами 10 мкм и 18 мкм на различных линиях потока (23, 24), где линия потока (23) визуализируется по флуоресценции частиц диаметром 18 мкм, а линия потока (24) формируется по флуоресценции частиц диаметром 10 мкм. Как показано на фигуре 12, хотя более крупные частицы фокусируются на более ранних петлях, фокусирование как мелких, так и крупных частиц наблюдается только после 6-й петли спирали. В результате применения гидрокрыла можно разделить частицы на более ранних петлях, что устраняет необходимость в длинных спиральных каналах, и, таким образом, снижает общее гидродинамическое сопротивление. На фигуре 13 показано распределение частиц с номинальным диаметром 10 мкм (9,45±0,87 мкм) и 18 мкм (17,59±0,89 мкм) на основе интенсивностей их флуоресценции через 3-ю петлю спирального канала шириной 300 мкм. Частицы номинального диаметра 10 мкм распределены между 80 мкм и 220 мкм ширины канала, тогда как частицы номинального диаметра 18 мкм распределены узко вокруг линии потока, расположенной на 95 мкм. Моделирование, основанное на этих экспериментальных данных, показывает, что частицы с номинальными диаметрами 10 мкм и 18 мкм могут быть разделены с помощью гидрокрыла с углом атаки 30 градусов и разделительной стенки, расположенной на нижнем по потоку конце вихревой области (фигура 14). Следовательно, другой вариант осуществления, микрофотография которой, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии, представлена на фигуре 15, можно применять для разделения частиц, которые распределены по нескольким линиям потока. Вариант осуществления включает верхний по потоку спиральный канал (21), гидрокрыло (1), разделительную стенку (13) и два нижних по потоку канала (17a, 17b).

В одном из вариантов осуществления изобретения раскрыт способ разделения частиц в соответствии с их размерами с помощью асимметричного гидрокрыла, в котором частицы направляются к асимметричному гидрокрылу по потоку, совпадающему с центральной осью (4), проходящей через переднюю грань (le), имеющую угол атаки α с линией хорды. Указанное гидрокрыло является асимметричным относительно хорды, соединяющей переднюю грань (le) и заднюю грань (te) гидрокрыла, что составляет ненулевой угол атаки с центральной осью, которая является осью, параллельной потоку и проходящей через переднюю грань гидрокрыла.

В другом варианте осуществления изобретения раскрыт способ улучшения разделения двух параллельных линий потока, несущих частицы, где одна линия потока находится выше центральной оси гидрокрыла, а другая линия потока находится ниже центральной оси асимметричного гидрокрыла, и имеется расстояние (а) между линиями потока перед асимметричным гидрокрылом, которое меньше высоты (h) проекции гидрокрыла вдоль ширины канала, отличающийся тем, что две несущие частицы параллельные линии потока встречаются с асимметричным гидрокрылом, и затем, поскольку частицы, прошедшие мимо асимметричного гидрокрыла, не могут дрейфовать в вихревую область (8), образованную ниже по потоку от точки разделения потока (7) на асимметричном гидрокрыле, то расстояние между линиями потока (d) в непосредственной близости от вихревой области будет больше, чем (а).

В другом варианте осуществления изобретения раскрыт способ повышения степени разделения (R) согласно приведенной ниже формуле двух распределений частиц двух разных размеров, совпадающих на центральной оси, в котором один из пиков распределения находится выше центральной оси гидрокрыла и другой пик распределения находится ниже центральной оси асимметричного гидрокрыла, отличающийся направлением указанных двух распределений частиц на асимметричное гидрокрыло и, затем, поскольку частицы в распределениях за асимметричным гидрокрылом не могут дрейфовать в вихревую область (8), образованную ниже по потоку от точки разделения потока (7) на асимметричном гидрокрыле, частицы на линиях потока выше центральной осью следуют по траектории через верхнюю сторону гидрокрыла, частицы на линиях потока ниже центральной оси следуют по пути через нижнюю сторону гидрокрыла, и частицы на линии потока, совпадающей с центральной осью, движутся по такой траектории, что более крупные частицы на линии потока стремятся течь через сторону гидрокрыла с меньшей средней скоростью, а частицы меньшего размера протекают через сторону гидрокрыла с большей средней скоростью.

В другом варианте осуществления представлен способ предотвращения смешивания частиц разного размера, которые уже разделены, или разделение или разрешение которых улучшается посредством гидрокрыла через разделительную стенку (13), которая разделяет поток на два отдельных потока, где крайняя точка (T) разделительной стенки (13) расположена прямо на нижнем по потоку конце вихревой области (8), образованной после точки разделения потока (7) на асимметричном гидрокрыле.

Устройство, применяющее все перечисленные выше способы, также представлено в изобретении, и оно содержит один верхний по потоку канал, два нижних по потоку канала, разделительную стенку (13) между этими двумя выходными каналами, и крайняя точка разделительной стенки (Т), расположенная непосредственно на нижнем по потоку конце вихревой области, образованной ниже по потоку от точки разделения потока на асимметричном гидрокрыле, при этом линии потока, несущие частицы разного размера в верхнем по потоку канале с расстоянием (а) между ними, так что одна линия потока находится выше, а другая ниже центральной оси, разделяются на гидрокрыльях и направляются в нижние по потоку каналы, так что частицы разного размера могут быть собраны раздельно. Устройство дополнительно содержит один вход (20), служащий для приема жидкости, содержащей частицы, и два выхода (22), служащих для подачи жидкости, содержащей частицы, при этом входной канал имеет форму спирали (21).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Yoon, Y., Seonil Kim, Jusin Lee, Jaewoong Choi, Rae-Kwon Kim, Su-Jae Lee, Onejae Sul & Seung-Beck Lee “Clogging-free microfluidics for continuous size-based separation of microparticles”, Sci. Rep. 6, 26531 (2013).

Zhang J., Yan S., Yuan D., Alici G., Nguyen N-T., Warkiani M. E. and Li W., “Fundamentals and applications of inertial microfluidics: a review”, Lab Chip, 2016,16, 10-34

Whitesides G. M., “The origins and the future of microfluidics”, NATURE|Vol 442|July 2006.

Shen S., Tian C., Li T., Xu J., Chen S-W., Tu Q., Yuan M-S., Liu W. and Wang J., “Spiral microchannel with ordered micro-obstacles for continuous and highly-efficient particle separation”, Lab Chip, 2017, 17, 3578.

Sajeesh P., Sen A. K., “Particle separation and sorting in microfluidic devices: a review”, Microfluid Nanofluid (2014) 17:1-52.

Segre G. and Silberberg A., “Behaviour of macroscopic rigid spheres in Poiseuille flow. Part 2. Experimental results and interpretation,” J. Fluid Mech. 14, 136-157 (1962).

Schaap A., Dumon J., den Toonder J, “Sorting algal cells by morphology in spiral microchannels using inertial microfluidics”, Microfluid Nanofluid (2016) 20:125.

Zhou J. and Papautsky I., “Fundamentals of inertial focusing in microchannels”, Lab Chip, 2013, 13, 1121-1132.

Dudani J. S., Go D. E., Gossett D. R., Tan A. P. and Di Carlo D., “Mediating millisecond reaction time around particles and cells”, Anal. Chem. 2014, 86, 3, 1502-1510.

Yoon D. H., Ha J. B., Bahk Y. K., Arakawa T., Shoji S. and Go J. S., “Size-selective separation of micro beads by utilizing secondary flow in a curved rectangular microchannel” Lab Chip, 2009, 9, 87-90.

Sollier E., Go D. E., Che J., Gossett D. R., O'Byrne S., Weaver W. M., Kummer N., Rettig M., Goldman J., Nickols N., McCloskey S., Kulkarni R. P. and Di Carlo D., “Size-selective collection of circulating tumor cells using Vortex technology”, Lab Chip, 2014, 14, 63.

Zhang, J., Yan S., Sluyter R., Li W.1, Alici G. & Nguyen N-T., “Inertial particle separation by differential equilibrium positions in a symmetrical serpentine micro-channel.”, Sci. Rep. 4, 4527 (2014).

Jiang D., Tang W., Xiang N. and Ni Z., “Numerical simulation of particle focusing in a symmetrical serpentine microchannel”, RSC Adv., 2016, 6, 57647.

Gregoratto I., McNeil C. J., Reeks M. W., “Micro-devices for rapid continuous separation of suspensions for use in micro-total-analysis-systems (μTAS)”, Proc. of SPIE Vol. 6465 646503-1, 2007.

Bhagat A. A. S., Kuntaegowdanahalli S.S. and Papautsky I., “Continuous particle separation in spiral microchannels using dean flows and differential migration”, Lab Chip, 2008, 8, 1906-1914.

Nivedita N. and Papautsky I., “Continuous separation of blood cells in spiral microfluidic devices”, Biomicrofluidics 7, 054101 (2013).

Saffman P. G., “The lift on a small sphere in a slow shear flow”, J. Fluid Mech. 22, 2, 1965, pp:385-400.

Gossett D. R. and Di Carlo D., “Particle Focusing Mechanisms in Curving Confined Flows”, Anal. Chem. 2009, 81, 8459-8465.

Warkiani M.E., Khoo B. L., Wu L., Tay A. K. P., Bhagat A. A. S., Han J. & Lim C. T., “Ultra-fast, label-free isolation of circulating tumor cells from blood using spiral microfluidics”, VOL.11 NO.1 | 2016 | Nature Protocols, 134-148.

Martel, J.M. & Toner, M., “Particle Focusing in CurvedMicrofluidic Channels.” Sci. Rep. 3, 3340 (2013).

T. Hanai, “HPLC A Practical Guide”, The Royal Society of Chemistry, UK, 1999, pp. 96-97.

Группа изобретений относится к микрогидродинамическому выделению циркулирующих опухолевых клеток из образцов крови. Предложен способ разделения частиц по размеру с помощью асимметричного относительно линии хорды гидрокрыла, в котором хорда соединяет переднюю и заднюю грани гидрокрыла. Согласно способу осуществляют направление частиц к асимметричному гидрокрылу по линии потока, совпадающей с центральной осью, которая является осью, параллельной потоку и проходящей через переднюю грань гидрокрыла. Центральная ось гидрокрыла имеет угол атаки α с линией хорды. Раскрыты способ повышения степени разделения двух распределений частиц, способ предотвращения смешивания частиц разного размера, разрешение которых уже повышено, и устройство для предотвращения смешивания разделенных частиц разного размера. Технический результат состоит в улучшении разделения частиц через асимметричное препятствие в форме асимметричного гидрокрыла. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ разделения частиц по размеру с помощью асимметричного гидрокрыла, в котором указанное гидрокрыло является асимметричным относительно линии хорды, соединяющей переднюю грань (le) и заднюю грань (te) гидрокрыла,

отличающийся тем, что

осуществляют направление частиц к асимметричному гидрокрылу по линии потока,

(i) совпадающей с центральной осью (4), которая является осью, параллельной потоку и проходящей через переднюю грань (le) гидрокрыла,

(ii) причем центральная ось гидрокрыла имеет угол атаки α с линией хорды.

2. Способ повышения степени разделения (R) двух распределений частиц, имеющих два различных размера, совпадающих на центральной оси, в соответствии с формулой

,

где d_p,2 - положение пика более мелких или более крупных частиц по ширине канала,

d _p,1 - положение пика более крупных или более мелких частиц по ширине канала,

w _0.5h,1 - ширина распределения более крупных или более мелких частиц на половине высоты пика распределения и

w _0.5h,2 - ширина распределения более мелких или более крупных частиц на половине высоты пика распределения, где один пик распределения находится выше центральной оси асимметричного гидрокрыла, а другой пик распределения находится ниже центральной оси асимметричного гидрокрыла,

отличающийся тем, что

поток с двумя распределениями частиц направляют на асимметричное гидрокрыло, создавая на одной стороне асимметричного гидрокрыла большую скорость, а на другой – меньшую,

частицы на линиях потока выше центральной оси пропускают по траектории через верхнюю сторону асимметричного гидрокрыла, частицы на линиях потока ниже центральной оси - по траектории через нижнюю сторону асимметричного гидрокрыла, не попадая в вихревую область (8), образованную ниже по потоку от точки разделения потока (7) на асимметричном гидрокрыле,

при этом частицы на линии потока, совпадающей с центральной осью, устремляются через сторону асимметричного гидрокрыла с меньшей средней скоростью, а частицы меньшего размера - через сторону асимметричного гидрокрыла с большей средней скоростью.

3. Способ предотвращения смешивания частиц разного размера, разрешение которых уже повышено согласно п. 2, с помощью асимметричного гидрокрыла,

отличающийся тем, что формируют разделительную стенку (13), которая разделяет поток на два отдельных потока и установлена ниже по потоку от асимметричного крыла за вихревой областью, образованной за точкой разделения потока асимметричного крыла, при этом точка разделения (Т) разделительной стенки (13) расположена на нижнем по потоку конце вихревой области (8), и

направляют линии потока с большими и линии потока с меньшими частицами к разделительной стенке, которая разделяет их на два отдельных потока.

4. Устройство для предотвращения смешивания разделенных частиц разного размера для осуществления способа по п. 3, содержащее

верхний по потоку канал для приема линий потока, несущих частицы разного размера, с расстоянием (а) между ними, так что одна линия потока находится выше, а другая ниже центральной оси,

установленное в канале асимметричное гидрокрыло,

два нижних по потоку расположенных за асимметричным гидрокрылом канала и

разделительную стенку (13) между этими двумя нижними по потоку каналами,

при этом указанная разделительная стенка (13) содержит точку разделения (Т) разделительной стенки, расположенную на нижнем по потоку конце вихревой области.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что содержит один вход (20) для приема текучей среды, содержащей частицы, и два выхода (22) для подачи жидкости, содержащей частицы, при этом верхний по потоку канал имеет форму спирали (21).