一种微流控芯片以及微纳粒子分离装置

本技术属于芯片领域，涉及一种微流控芯片以及微纳粒子分离装置。

背景技术：

1、自20世纪50年代起，塑料开始大规模生产并持续扩张。到2021年，全球塑料年产量已突破3.8亿吨，年均增长率约为4 %。塑料虽为人类社会带来诸多便利，深刻改变了现代生活方式，但因管理不足与回收效率低下，大量塑料垃圾最终进入自然环境。2004年，一篇公开出版物首次引入“微塑料”一词，用以描述直径约20 μm的塑料残余碎片。如今，微塑料被普遍界定为尺寸小于5 mm的颗粒，已公认为一类高度多样、具有全球影响的污染物。其来源多样，既包括化妆品、涂料等产品中添加的一次性微塑料，也包括塑料生产原料中的颗粒与碎片，以及在使用过程中因磨损产生的二次微塑料（如来自纺织品和轮胎），还有环境中大型塑料制品破碎所形成的碎片。微塑料能借助风力与水流广泛迁移，目前已在海面至深海沉积物、农田至高山极顶、海冰、湖泊与河流等多种环境中被检出。从食物链基层的无脊椎动物到顶端捕食者，微塑料已在超过1300种水生与陆生物种体内发现，并在从细胞到生态系统的各个生物组织层次中，留下了其影响的科学证据。

2、微塑料对生物健康的影响往往遵循“量效关系”，但越来越多的证据表明，塑料颗粒的粒径是影响其环境毒理学效应的关键因素。粒径大小直接决定了微塑料在水环境中的迁移能力、被生物摄食的可能性、在生物体内的滞留时间、跨越组织屏障并向器官转移的潜力，以及沿食物链传递的效率。研究表明，随着粒径减小，微塑料的毒性效应趋于增强。这主要归因于其尺寸微小和比表面积高的特性：更小的颗粒更容易与环境中其他污染物结合，形成复合载体；同时也更易穿透细胞膜等生物屏障，从而在各种水生生物体内富集并产生复杂的联合毒性。因此，在评估微塑料的环境风险时，除了关注其总量，粒径分布已成为不可忽视的核心参数。

3、高效的基于不同尺寸的微塑料分离、检测方法对研究微塑料的环境行为及生物毒性研究有着重要意义。然而，常用的分离技术如筛分法，虽操作简便，但在实际应用中存在显著缺陷，尤其在效率和精确度方面表现不足，该方法依赖物理筛网，分辨率有限，主要适用于粒径较大的颗粒（通常大于25微米），对于更微小的微塑料，极易因静电吸附或物理黏附作用而滞留在筛网或容器表面，导致样本严重损失，此外，频繁的人工操作过程也易引入外部污染物（如空气中的纤维或其它颗粒），进而干扰分析结果的准确性与可靠性。利用密度差异进行浮选分离是当前处理微塑料样本的主流方法，例如采用饱和nacl溶液进行分离，然而，该方法本质上是一种基于密度的粗分离手段，无法对微塑料进行精确的粒径分选，其分离效果严重依赖于目标颗粒与分离液之间的密度差，对于密度与分离液接近的微塑料，或表面经过老化、附着生物膜等形成的异质颗粒，该方法分离效率显著降低，因此，密度浮选法难以适应对微塑料粒径等进行精细化环境行为与毒理学研究的需求。尽管流体动力色谱、离心场分级等先进技术理论上可实现高分辨率粒径分离，但这些方法设备昂贵、操作复杂、样品通量极低，难以处理环境样本的大体积与复杂性。现有分离技术在效率、精准度、高通量能力等方面存在缺陷，不仅造成小粒径微塑料的严重低估，也阻碍了对不同粒径微塑料的环境归趋、生物可利用性与毒性机制的深入理解。因此，发展高效、精准、标准化的粒径分离技术是微塑料研究领域亟待突破的一个关键方向。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种微流控芯片以及微纳粒子分离装置，以解决或缓解上面提出的一项或更多项技术问题。

2、本申请实施例第一方面提供一种微流控芯片，所述微流控芯片包括通道层；

3、所述通道层为螺旋形通道，所述螺旋形通道包括内侧壁和外侧壁；

4、所述内侧壁为平壁，外侧壁为波浪型壁。

5、优选地，所述波浪型壁的振幅与螺旋形通道宽度的比例为(0.1-0.5):1。

6、优选地，所述波浪型壁的波长与螺旋形通道宽度的比例为(1-5):1。

7、优选地，所述螺旋形通道中，所述平壁至相对应波浪型壁波峰位置的距离为120-660 μm。

8、优选地，所述平壁至相对应波浪型壁波谷位置的距离为80-500μm。

9、优选地，相邻通道之间，所述螺旋形通道的外侧平壁到螺旋形通道的内侧波浪型壁的波峰位置的距离为300-800 μm。

10、优选地，相邻通道之间，所述螺旋形通道的外侧平壁到螺旋形通道的内侧波浪型壁的波谷位置的距离为340-960 μm。

11、优选地，所述螺旋形通道的深度为50-150 μm。

12、优选地，所述螺旋形通道的截面为矩形。

13、优选地，所述螺旋形通道的圈数为4-9圈。

14、优选地，所述通道层包括样品输入口，所述样品输入口位于螺旋形通道的中心位置。

15、优选地，所述样品输入口的个数为1-2个。

16、优选地，所述螺旋形通道在样品输入口处的曲率半径为2-20 mm。

17、优选地，所述通道层包括分离收集区，所述分离收集区位于螺旋形通道的末端。

18、优选地，沿螺旋形通道中心至末端方向，所述分离收集区包括依次相连接的突扩结构、出口通道以及出口。

19、优选地，所述突扩结构为三角形结构，所述三角形结构的高度为1-3 mm，最宽处的宽度为500-2000 μm。

20、优选地，所述出口通道的个数为4-8个。

21、优选地，所述出口通道的宽度为50-150 μm，长度为5-15 mm。

22、优选地，所述出口的个数与出口通道的个数相同。

23、优选地，所述出口的形状为圆形，所述圆形的直径为0.4-0.8 mm。

24、优选地，相邻两个出口之间的距离为0.4-1 cm。

25、优选地，所述芯片还包括基底层，所述基底层和通道层相互键合封装。

26、本申请实施例第二方面在于提供一种微纳粒子分离装置，所述微纳粒子分离装置包括：

27、微流控芯片，所述微流控芯片为目的之一所述的微流控芯片；

28、流体驱动系统，用于将待分离的样品输送至微流控芯片中；

29、以及，检测系统，用于检测微流控芯片中样品的分离情况。

30、优选地，所述流体驱动系统包括压力泵以及流量传感器。

31、优选地，所述检测系统为光学检测系统、电学检测系统或质谱检测系统中的任意一种。

32、本实用新型的技术特点和有益效果：

33、本申请中，通过创新的不对称波浪型壁螺旋通道设计，实现了小颗粒靠内、大颗粒靠外的独特分离效果，突破了传统螺旋芯片的分离模式。该微流控芯片结构能在无需外场作用下实现微塑料等粒子高通量、高效率的连续分离，且操作简便、成本低廉。分离后的颗粒可直接对接多种分析仪器，为微塑料等微纳粒子的尺寸、成分及含量分析提供了高效可靠的前处理解决方案。

1.一种微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括通道层；

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述波浪型壁的振幅与螺旋形通道宽度的比例为(0.1-0.5):1；

3.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，所述螺旋形通道中，所述平壁至相对应波浪型壁波峰位置的距离为120-660 μm；

4.根据权利要求1或2所述的微流控芯片，其特征在于，相邻通道之间，所述螺旋形通道的外侧平壁到螺旋形通道的内侧波浪型壁的波峰位置的距离为300-800 μm；

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述螺旋形通道的深度为50-150 μm；

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述通道层包括样品输入口，所述样品输入口位于螺旋形通道的中心位置；

7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述通道层包括分离收集区，所述分离收集区位于螺旋形通道的末端；

8.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述芯片还包括基底层；

9.一种微纳粒子分离装置，其特征在于，所述微纳粒子分离装置包括：

10.根据权利要求9所述的微纳粒子分离装置，其特征在于，所述流体驱动系统包括压力泵以及流量传感器；