微流控装置、使用方法及外泌体分离分析方法

本发明属于微纳米尺度生物样品分离及分析，具体涉及一种微流控装置、使用方法及外泌体分离分析方法。

背景技术：

1、外泌体(exosomes)是一类具有磷脂双分子层的细胞外囊泡，直径约30-150nm，密度为1.15-1.19g/ml。研究发现，外泌体稳定地存在于各种体液中，如血液、尿液、唾液、眼泪、精液、羊水甚至乳汁，参与了免疫平衡与调节、肿瘤发生、代谢物处理等过程。外泌体作为一种液体活检标志物，其生物信息和数据信息等作为中间结果的信息，其分离和检测技术的研究至关重要。传统的外泌体分离方法如超速离心、超滤、聚合物沉淀、亲和捕获等存在操作繁琐、耗时、样品破损、成本高并且需要大量的生物体液，限制了其临床应用的转化。

2、微流控技术是一种利用几十到几百微米的通道来操控或处理微小体积(10-9～10-18μl)流体的科学和技术。微流控技术可实现多项功能的集成，将多个处理步骤耦合在一个芯片中，减少处理时间和样本损失，提高分析效率。新兴的微流控技术通过精确控制和操纵微通道中的流体，可以从各种生物基质中富集外泌体，并实现对外泌体和其他微纳米尺度颗粒的分类和分离。

3、在现有的微流控技术中，有四大类分离方法：一类是对磁珠或其它微米颗粒进行表面化学修饰，借助结合力捕获外泌体之后，利用微流控装置中的微阵列或微腔室结构实现对磁珠或其它微米颗粒的截留捕获，进而实现对外泌体的富集；第二类是对微流控通道表面直接进行化学修饰，进而原位捕获外泌体；第三类是在微流控装置内设置富有纳米孔的膜，实现外泌体的截留和富集；第四类是构建复杂的微流道，借助表面声波、流体惯性力、电场力等实现外泌体的分离。

4、然而，这些分离方法主要依赖于软光刻技术的pdms装置，加工程序多，芯片结构复杂，需要专门设备。此外，在具体的分离过程中需要极其专业和精细的操作，步骤多且操作不便，容易出现微室通道由于结构较为复杂而经常出现堵塞的情况。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供微流控装置、使用方法及外泌体分离分析方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供一种微流控装置，包括：

4、至少一个分离单元；所述分离单元包括微流道，微流道具有入口通道和从所述入口通道分支出的至少两路出口通道；以及

5、磁性构件，在所述入口通道与所述出口通道之间的分支口处施加磁场，该磁场用于使注入微流道的磁微粒在分支口处形成用于过滤截留且具有多孔结构的堆积体。

6、通过上述的技术方案，以微流道作为磁微粒动态堆积的场所，在施加磁性构件施加的磁场和微流道流场的共同驱动作用下，注入微流道的磁微粒能够在t型通道的分支口处聚集形成具有过滤截留功能的堆积体，该堆积体可以对含有如外泌体等分离目标的样品进行过滤，从而实现对分离目标的分离，并且通过堆积形成的堆积体具有较好的灵活性和可塑性，装置结构也较为简单，使其也具有结构简单、小型化、低成本、样品量少和可重复使用等特点。

7、在可能的实现方式中，所述磁性构件施加的磁场使得所述堆积体延伸至出口通道内且形成具有预设长度的封堵段一。

8、通过上述的技术方案，在磁场的作用下，堆积体能够延伸至出口通道内且形成具有预设长度的封堵段一，通过该封堵段一既能够延长堆积体在出口通道方向的长度，提高过滤能力，也利于使整体结构在磁场的作用下更为稳定。

9、在可能的实现方式中，所述磁性构件施加的磁场使得所述堆积体延伸至入口通道内且形成具有预设长度的封堵段二。

10、通过上述的技术方案，封堵段二可在入口通道方向具有预设长度，该预设长度能够使其形成的磁微粒链在该方向更长，进一步提高堆积体的过滤能力，并且在一定程度上能够与封堵段一构成类似于t型的结构，该结构能够使堆积体与微流道相对稳定。

11、在可能的实现方式中，所述磁性构件的磁极指向方向与所述微流道所在的平面垂直。

12、通过上述的技术方案，申请人通过多次实验的验证，磁性构件的磁极指向对于磁微粒的堆积存在较大的影响，不同的磁极指向会使得磁微粒堆积方法不同，排列结构存在变化，而通过磁性构件磁极指向方向与所述微流道所在的平面垂直，通道中的磁微粒会沿着磁场方向形成复杂的紧密排列的链状团簇结构，可将出口通道完全堵住堆积更紧密、稳定，对于纳米颗粒和外泌体的截留效果可能最好。

13、在可能的实现方式中，所述磁微粒为fe3o4磁纳米颗粒。

14、通过上述的技术方案，fe3o4磁纳米颗粒是一种超顺磁性纳米颗粒，是具有磁性的黑色晶体，不溶于水，可溶于酸溶液，具有独特的化学和磁学稳定性，较小的生物毒性，低廉的价格等优势，并且其内部分子排列规则，分子电流取向一致导致对外表现出磁性。当把磁铁靠近铁磁性物质时，受磁铁磁性作用，铁磁性物质内部分子电流亦趋于规则取向，而具有磁性，该过程叫磁化。通过采用fe3o4磁纳米颗粒作为形成堆积体的堆积材料，能够使得堆积体更为稳定，并且可通过选用不同尺寸大小的fe3o4磁纳米颗粒堆积为不同过滤精度的堆积体。

15、在可能的实现方式中，所述分离单元包括两个相互垂直且连通的透明管，两个透明管的内腔共同构成为所述微流道；

16、所述分离单元和所述磁性构件设于一基片上。

17、通过上述的技术方案，采用透明管可制作形成透明以便于观测的分离单元，且形成的分离单元具有t型的微流道，这样结构的微流道能够更利于磁微粒的堆积，更好地发挥微流道的作用，而分离通道设于基片上可构成芯片，芯片结构简单且制作成本低，其使用方法也更为简单。

18、在可能的实现方式中，所述出口通道靠近所述入口通道的一端为弯折结构。

19、通过上述的技术方案，弯折结构可提高磁微粒聚集形成的堆积体的体积和路径长度，使得通道路径复杂化，让水流动行程加大，增大截留量，提高截留效率，进而能够提高过滤能力，更好地进行外泌体的分离。

20、在可能的实现方式中，所述分离单元设有多个且多个分离单元串联或并联；

21、当多个所述分离单元串联时，上一级分离单元的出口通道分别与一个下一级分离单元的入口通道连接，且上一级分离单元的堆积体的过滤孔径大于下一级分离单元的堆积体的过滤孔径；

22、当多个所述分离单元并联时，每一分离单元的入口通道同时连接一个进样管路，且每一分离单元的堆积体的过滤孔径相同。

23、通过上述的技术方案，多个分离单元可根据实际需求通过串联或并联进行连接，进而能够便于实现多级分离或同级批量分离，从而可利于提高分离精度和实现批量化的分离处理，其中的串联连接方式可以实现样品连续多级分离(样品中不同尺寸颗粒逐级分类分离)，提高系统的整体处理能力和灵活性，使得各个分离步骤之间更加紧密协调提高分离效率，而并联连接方式可以同时进行多个相同的微流控实验，提高处理样本的效率和平行化操作的能力，适用于高通量分析和重复性实验的应用。

24、第二方面，也提供一种如上述任一项技术方案的微流控装置的使用方法，包括以下步骤：

25、采用多通道抽吸装置，多通道抽吸装置与每一出口通道连接；

26、至少分两次的将含有磁微粒的溶液通过多通道抽吸装置从入口通道抽吸入微流道内，且每次抽吸入的溶液流速逐次递减，在磁场构件施加的磁场作用下磁微粒在分支口处形成堆积体；

27、通过多通道抽吸装置的抽吸，使样品从微流道的入口通道进入且经过堆积体进行分离和富集。

28、通过上述的技术方案，采用多通道的抽吸方式能够与多个出口通道相适配，以较为均衡的流速和流量使得磁微粒更为均匀的对接在靠近交叉口的出口通道部位，并且通过先后以不同且逐次降低的流速进行堆积，可减少样品的浪费，并能够防止磁微粒在样品管的聚集和沉降现象，缩短实验时间，这样也是为了降低对t型交叉口已堆积磁微粒的冲击，同时依靠磁铁的引力和流体的惯性，逐渐堵住微通道构筑具有多孔结构的堆积体。相应的，在注入流体时通过多通道抽吸的方式，也能够使得样品能够更为均衡的经过堆积体的每个分支部位进行过滤，分离效果更好。另外，通过抽吸进样的方式，可实现流体的被动输送，能有效避免因磁微粒、外泌体等其他微纳米物质的重力沉降造成的通道堵塞、进样不均、操作稳定性和重复性不好的问题，进而确保实验的可靠性，提高实验的效率并减少样品和试剂的消耗。

29、第三方面，还提供一种外泌体分离分析方法，基于如上述任一项技术方案的微流控装置，包括以下步骤：

30、将荧光染料定位于样品中的外泌体可被观测的部位；

31、将含有外泌体的样品通过泵送装置送入微流控装置的分离单元内，使样品经过微流道内形成的堆积体进行分离；

32、使用显微镜获取被截留在微流控装置内的外泌体的荧光图像，并将该图像导入图像处理软件进行图像处理，得到处理后的图像；

33、对处理后的图像进行定性及定量分析。

34、通过上述的技术方案，通过显微镜实时观察实现荧光染色颗粒捕获的实时可视化，利用imagej、imaris viewer等软件进行三维图像重构实现分离效果的立体展示和定量分析，进而可得到关于外泌体的相关数据信息。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、本发明的微流控装置，以具有t型交叉口的微流道作为磁微粒动态堆积的场所，在外加磁场和微流道流场的共同驱动作用下，磁纳米颗粒聚集形成具有连通的纳米尺寸孔隙的堆积体，进而能够对样品中的外泌体或微纳米颗粒进行过滤截留和富集，并且也具有小型化、操作简便、成本低、重复性好和稳定性好等特点，为面向外泌体更广阔的生物医学应用提供可靠的分离分析平台。

37、本发明的微流控装置的使用方法，磁微粒和外泌体样品进样方式采用抽吸进样的模式，可实现流体的被动输送，能有效避免因磁微粒、外泌体等其他微纳米物质的重力沉降造成的通道堵塞、进样不均和操作稳定性和重复性不好的问题，进而确保实验的可靠性，提高实验的效率并减少样品和试剂的消耗，并且通过先后以不同且逐次降低的流速进行抽吸而使磁微粒堆积，可减少样品的浪费，并能够防止磁微粒在样品管的聚集和沉降现象，也降低了对t型交叉口已堆积磁微粒的冲击，更利于堆积形成堆积体。

38、本发明的外泌体分离分析方法，通过显微镜实时观察实现荧光染色颗粒捕获的实时可视化，利用图像处理软件进行三维图像重构实现分离效果的立体展示和定量分析，进而可得到关于外泌体的相关数据信息。