本发明专利技术涉及一种用于分离和浓缩存在于流体中的颗粒的纳米和微流体的设备和方法。该设备，包括：第一微通道，具有至少一个第一开孔；至少一个第二微通道，具有至少一个第二开孔、和端部；所述第一微通道环绕至少部分的在所述端部的所述第二微通道；所述第一微通道和所述第二微通道在所述端部通过至少一个纳米通道连接，所述纳米通道在所述第一微通道和所述第二微通道之间形成一限制，其几何形状在预定的时间期限固定；盖，在所述端部结合所述第一微通道、所述第二微通道和所述纳米通道，所述第一微通道和所述第二微通道制作在第一基板中，所述第一开孔和所述第二开孔开在该基板的同一面内。用于分离和浓缩生物样品，如病毒、DNA或合成分子的应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于分离和浓缩存在于流体中的颗粒的设备。更精确而言，本专利技术涉及通过进行选择性的空间过滤和/或离子过滤而对从至少一个微通道中分流至至少一个纳米通道中的流体中存在的颗粒的分离和浓缩。在本文中特定的本专利技术的范围内，微通道(微米通道，microchannel)是指高度在微米范围内的流体通道，即典型地，通道的高度，或换言之通道的深度是几十个Pm (微米)的数量级。同样，典型地，微通道的宽度为约50至约100个μπι (微米)的数量级。也在本文中特定的本专利技术的范围内，纳米通道(毫微通道，nanochannel)是指流体通道的高度或换言之深度在纳米的范围内，即典型地，通道的高度小于或等于IOOnm (纳米)。在本专利技术特定的范围内，颗粒是指纳米粒子和微米粒子。根据IS0TS/27687标准，纳米粒子通常(但不是仅仅)是指个体平均直径小于约IOOnm的球形颗粒。有利地，意在通过根据本专利技术的设备分离和浓缩的颗粒的尺寸可以是几十至约一百个纳米，典型的在50至120nm之间。同样的尺寸实际上代表某些生物微粒如病毒、DNA以及某些用于医学成象应用而开发的颗粒。
技术介绍
为了浓缩和分离存在于流体中的颗粒，已知利用空间效应在理论上是可能的，从而因此使流体通过其制造是已知的纳米通道。但是也指出，对于微米和纳米流体等级的液体流量控制可能是困难的。从而，由于纳米通道的尺寸低于约一百个纳米，因此认为流体阻力是很高的。从而，如果尝试直接通过流体动力注入(水动力进样，hydrodynamicinjection)使流体从微通道通过至纳米通道，应当提供非常高的压力来实现流速Q1，流速Ql总是保持非常低，约为每分钟几个纳升(nanolitre) (nl/min)。在本文中特定的通过流体动力注入是指在本专利技术的范围内，只通过施加在管路的入口和出口之间的压力差(超压(过压，overpressure)、抽吸或重力),将流体注入到流体管路中。特定的通过电动注入(电动进样,electrokinetic injection)是指通过施加电压将流体注入到流体管路中，以使存在于管路中的带电物质在电场的作用下移动，从而使移动速度是它们的电荷的函数。可以使用电渗或电泳技术。从而，在流体动力注入模式下，通过几毫升(ml)体积需要非常长的时间。在图1中示意性地示出这种构造:对于将流体从入口微通道I通过纳米通道3注入至出口微通道2而言，在入口微通道I中施加比出口微通道2的压力P2高很多的压力Pl是必要的。此夕卜，气泡可能被截留，堵塞纳米通道3，甚至使其更加困难。最后，存在于流体中的颗粒可能在纳米通道3的入口累积，随之开始阻塞纳米通道3。为了克服这些困难，通常将系统设计成“旁通”(旁路，by-pass)设备，在已经提出的文献中这是经常可以找到的。在图2中示出这样一种旁通设备:它由彼此平行的并通过一个或多个纳米通道3连接的两个微通道1、2构成，每个微通道1、2连接到流体入口 10、20和出口 11、21上。换言之，流体分别在给定的压力Pl或P3下，从微通道的入口 10或20，通过每一个微通道I或2，分别在P2或P4的压力下流动至微通道的出口 11或21，伴随每分钟几个微升(μ 1/min)量级的流速Q。流体也通过从微通道I至微通道2的旁路，以几个nl/min量级的流速Q1流动通过一个或几个纳米通道3。这些已知的旁通设备的优点在于，它能够经由微通道1、2并以较高的流速(Q为几个μ 1/min的量级)控制较大量的液体体积。从而纳米通道可以更容易地填充，并且在不用施加巨大压力的情况下，可以更容易地清除可能的气泡。另一方面，这种旁通设备也有很多缺点，可以概括如下:-纳米通道3的高度是固定的并且是在工艺制造步骤期间确定的。-很小的渗漏就足以使系统不稳定(失稳，destabilize)。从而，例如，如果通过在微通道之一 I的两端部10和11施加同样的压力(P1=P2)以在纳米通道3中引起所期望的稳定的流速Q1，那么两端都是入口，如在图3中用符号表示的，从而仅一处泄漏就可能产生压力的波动(Pl幸P2)，进而可能使通过纳米通道3的流速Q1不稳定。在美国专利申请2011/0198225中，已知由彼此之间经由一个或多个纳米通道连接的微通道构成的另一种旁通设备。在被称为样品微通道的微通道的两端部施加电势差，流体通过样品微通道以抽取样品，而被称为缓冲微通道的微通道，与样品微通道平行并通过纳米通道与样品微通道连接，且其中存在缓冲液的缓冲微通道是接地的。从而在样品微通道上出现独特的排空区(depletion area),对于任何类型的带电物质起到电荷屏障的作用。所利用的物理现象称为离子浓度极化(ICP)。在本文中将根据图4至图6D描述该物理现象。在这些图中特定的带负电的离子种类用负号表示，而那些带正电的用正号表示。首先想到的是基板附近的称为德拜双层的叠加原理。如在图4中所显示的，在图4中，其中存在正离子和负离子的二氧化硅缓冲溶液S来到基板30的壁上(物质Si0_)，根据德拜双层Cl、C2的总厚度指示为入d。具有对于存在于表面处的离子种类的极性(相反)的第一反极性(在该实例中为正的)的第一离子层Cl，设置在所述表面的附近。形成包含可移动的离子种类的第二层C2。包含所述第一极性离子的第二层C2迁移到第一层Cl的附近。它还包含相反(负的)极性的离子以平衡电荷。第一层Cl用于屏蔽表面电势(此处为负的)，该屏蔽通过第二层C2完成。该被称为德拜双层的双层的厚度为λ d,其作为溶液盐度的函数而变化。取决于所考虑的缓冲液体S，德拜双层的厚度范围从Inm至约一百个纳米。实际上，缓冲液体的盐度越低，德拜双层的厚度越大。从而，如果流体通道的至少一个尺寸具有德拜双层尺寸的量级，那么通道的双层可以叠加，取决于所考虑的材料的表面电荷，该通道对一种类型的离子(阴离子或阳离子)具有选择性。实际上，在这些条件下，表面电荷是普遍的，然后将排斥具有相同电荷的离子，吸引具有相反电荷的离子。从而，本文中所强调的是称为“离子透过选择性”(“ion perm-selectivity”)离子选择透过性的静电现象。通过降低流体的通道的高度至达到德拜双层厚度或者降低缓冲液的盐度以使德拜双层厚度可以达到通道的高度，从而可以获得离子选择透过性现象。在图5A至5C中，其中用符号表示了通道高度或在表面带负电的基板30之间形成的通道40中(即在阳离子渗透通道中)盐度的三种情况:从图5A至图5C通道3的高度是降低的(hAhphd。缓冲液体盐度的情况也如此。在图5C的情况下，达到了离子选择透过性，因为通道3的高度h3等于2* λ d，即两个彼此叠加的德拜双层的厚度。典型地，对于受限于两个二氧化硅基板30的并且与去离子水缓冲液体接触的通道3而言，该通道的一个尺寸(高度h3)应当小于或等于约lOOnm。现将根据图6A至6D描述对于在一个或多个纳米通道3和两个微通道1、2之间的去离子水的ICP现象，其中离子选择透过性可以在纳米通道3中获得。从而该纳米通道的高度h3是IOOnm量级的。具体地，通道3和微通道1、2在二氧化硅基板上制成:没有施加电场。图6A表示阳离子可渗透的纳米通道，该微通道的上游和下游分别与两个微通道连接。当在该纳米通道的入口和本文档来自技高网...
【技术保护点】
用于分离和浓缩存在于流体中的颗粒的设备，包括：·第一微通道，具有至少一个第一开孔；·至少一个第二微通道，具有至少一个第二开孔、和端部；·所述第一微通道环绕至少部分的在所述端部的所述第二微通道；·所述第一微通道和所述第二微通道在所述端部通过至少一个纳米通道连接，所述纳米通道在所述第一微通道和所述第二微通道之间形成一限制，其几何形状在预定的时间期限内固定；·盖，在所述端部结合所述第一微通道、所述第二微通道和所述纳米通道，所述第一微通道和所述第二微通道制作在第一基板中，所述第一开孔和所述第二开孔开在该基板的同一面内。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：科斯拉·艾策尔，伊夫·富耶，
申请(专利权)人：法国原子能及替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：
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