CN101850231B - 一种微流体反应器、使用方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种自动化、高通量的微流体反应器、使用方法及其应用，所述的微流体反应器为基于表面亲水性材料和表面疏水性材料构建的复合式微流控芯片，其中包含多组辐射状排列的微管道和微腔；该微流体反应器通过毛细作用力实现微量液相样品在微管道中的自动化进样，同时结合毛细疏水阀和离心力实现微量样品的定量分配和混合。所述微流体反应器可应用于化学合成条件和生化反应条件的高通量筛选，大大节省人力和成本。本发明与现有的微流体反应器相比，结构简单，无需复杂驱动设备和器件，简化了微流体反应器的操作流程，有利于微流体反应器的广泛应用。

Description

一种微流体反应器、使用方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种自动化、高通量的微流体反应器、使用方法及其应用。所提供的微流体反应器可应用于化学、制药和生物领域，尤其是应用于化学合成和生化反应条件的高通量筛选。

背景技术

“微流体反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器。近十年，微流体反应器的应用已经显示了其优势，它不仅具有所需空间小、耗样少以及反应快等优点，而且相对于传统设备具有更环保、安全的特性。由于尺度的缩小，在微流体反应器内，反应体系表面体积比极大增加，传质路径极短、传热速度极快，使反应体系的转化率、选择性有了明显的提高，而且可以制备某些传统常规反应器难以制备的产品，因此有着许多潜在的新的应用价值。目前微流体反应器已吸引了众多领域研究者的关注，逐渐成为国际精细化工技术领域的研究热点，也被认为是化学工程学科发展的一个新突破点。尽管目前国内外对微流体反应器进行了大量研究，并且也开发了不少微流体反应器产品，如基于多相层流混合的微流体反应器[Tokeshi M，Minagawa T，Uchiyama K，Hibara A，Sato K，Hisamoto H，Kitamori T.Continuous-flow chemical processing on a microchip by combiningmicrounit operations and a multiphase flow network.AnalyticalChemistry，2002，74(7)：1565-1571.]以及基于液滴型的微流体反应器[Cygan ZT，Cabral JT，Beers KL，Amis EJ.Microfluidic platform for thegeneration of organic-phase microreactors.Langmuir.2005，21(8)：3629-3634.]，但是这些微流体反应器大都需要外配精密注射泵或气压源以及微阀等控制设备和单元，存在系统结构复杂、操控繁琐等问题，极大地影响了微流体反应器的推广和应用。因此，开发结构简单、操作简便、自动化的微流体反应器具有积极的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流体反应器、使用方法及其应用，所提供的微流体反应器具有自动化程度高和高通量特点，可望应用于化学合成、制药和生化反应条件的高通量筛选。

本发明提供的自动化、高通量微流体反应器，其特征在于：所述微流体反应器为一种复合式微流控芯片，其中包含多组辐射状排列的微管道和微腔以及至少两个进样孔和一个通气孔；该微流体反应器通过毛细作用力实现微量液相样品在微管道中的自动化进样，同时结合微腔的毛细疏水阀作用和离心力实现微量样品的定量分配和混合。

具体而言，微流体反应器由一表面加工有微管道且具有疏水特性的基片和另一表面具有亲水特性的平整基片键合而成；其中亲水性基片可以为玻璃、硅或经过亲水性处理的聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚对二甲苯，疏水性基片可以为聚二甲基硅氧烷或经过疏水性表面处理的玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、聚对二甲苯。所述微流体反应器为圆盘形，包含多组辐射状排列的微管道和微腔以及至少两个进样孔和一个通气孔；其中微管道横截面宽高比大于1.5，保证微管道中亲水作用力大于疏水作用力，以实现微流体反应器中基于毛细作用的水相样品自动化进样；另外，利用高度大于微管道高度的微反应腔形成疏水阀结构，由于微腔相对微管道高度增加，其局部疏水表面积比例增大以致此局部疏水作用大于亲水作用，导致水相液体流经此处因疏水阻力而停止，从而发挥微阀控制的功能。操作时，首先在各进样孔滴入水相反应试样，水相试样在毛细力的作用下自动充满进样管道，并因毛细输水阀作用而自动停止在进样微管道与微反应腔相接处；然后通过旋转芯片，利用离心力使待反应液样克服微腔的毛细疏水阀阻力作用进入微反应腔混合、反应。由于离心力的作用方向是从芯片中心向外周辐射的，因此，进样管道中仅有从与通气管道相通处至微反应腔之间的试样受离心力作用进入微反应腔，因而通过微管道几何形状和微腔位置设计可以限定进入微反应腔的试样量，从而实现待反应样品的定量分配和混合。

由本发明提供的微流体反应器可应用于化学合成条件和生化反应条件的高通量筛选，大大节省人力和成本，作为一个实例是用于蛋白质结晶条件的筛选(详见实施例2)。

总之，本发明提供的微流体反应器具有结构简单，无需复杂驱动设备和器件，简化了传统微流体反应器的操作流程，有利于微流体反应器的广泛应用。

附图说明

图1为本发明微流体反应器组合结构示意图。

图2为本发明微流体反应器平面结构示意图。

图3为本发明微流体反应器中自动进样后平面示意图。

图4为本发明微流体反应器离心操作示意图。

图5为本发明微流体反应器中单一反应腔待反应样品定量分配示意图。

图6为本发明微流体反应器中待反应样品混合后平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

如图1所示，本发明微流体反应器为一种复合式圆盘形微流体芯片，该芯片由一表面加工有微管道且具有疏水特性的基片1和另一表面具有亲水特性的平整基片2键合构成；其中包含主进样孔3、分支进样孔4、中心通气孔5、外围通气孔6、主进样微管道7、分支进样微管道8、中心通气微管道9、分支通气微管道10和微反应腔11等结构(如图2所示)；其中主进样微管道7和分支进样微管道8的横截面宽高比大于1.5，保证微管道中亲水作用力大于疏水作用力，以实现微流体反应器中基于毛细作用的水相样品自动化进样；同时，利用腔体高度大于进样微管道高度的微反应腔11形成疏水阀结构，由于微反应腔11相对微管道高度增加，其与微管道接口处局部疏水表面积比例增大以致此处疏水作用大于亲水作用，导致水相液体流经此处因疏水阻力而停止，从而发挥微阀控制的功能。微反应腔11连接至少一个进样管道和通气管道，同时主进样微管道7和分支进样微管道8分别与中心通气微管道9和分支通气微管道10之间通过至少一个通气口12相通。进样管道与大气压相通可以防止离心过程中进样管道中形成负压，影响反应液的分配。

微流体反应器工作时，首先通过加样器在主进样孔3和各分支进样孔4中分别加入待反应的液样13，液样在毛细力的作用下自动填充进样管道，并因毛细疏水阀作用，停止于微反应腔11前(如图3所示)。然后将完成进样后的微流体反应器，通过芯片固定孔14放置并固定于离心机15上(如图4所示)，通过旋转芯片，利用离心力使两种待反应液样克服毛细疏水阀的阻力作用进入微反应腔11中混合，其中主进样管道7中和分支进样管道8中仅有从通气口12至微反应腔11之间的反应液16在离心力作用下进入微反应腔11(如图5阴影部分所示)，从而发生混合形成最终的反应产物17(如图6所示)。

实施例2

将实施例1制备的微流体反应器应用于蛋白质结晶条件的高通量筛选，其方式为：首先将待结晶蛋白液滴入主进样孔3，并将各种不同配比和浓度的结晶剂加入各分支进样孔4，然后将完成进样后的微流体反应器，通过芯片固定孔14放置并固定于离心机上15上，高速旋转芯片，通过离心力将主进样管道各分段的蛋白液和各分支进样管道分段结晶剂分配至各微反应腔11中混合，之后在中心通气孔5中加入硅油，待硅油在毛细力作用下充满中心通气管道后，再将微流体反应器进行离心，使硅油进入各微反应腔11中封盖蛋白液与结晶剂的混合体系，防止混合体系中水分的挥发，最后将微流体反应器放置于4℃或25℃条件下进行结晶。并间隔一定时间后对微流体反应器中各反应腔结晶结果进行观察，以此确定合适的结晶条件。

Claims (8)

1.一种微流体反应器，其特征在于所述的微流体反应器为一种复合式微流控芯片，其中包含多组辐射状排列的微管道和微反应腔以及至少两个进样孔和一个通气孔；该微流体反应器通过毛细作用力实现微量液相样品在微管道中的自动化进样；所述的复合式微流控芯片是由一个表面加工有微管道结构且具有疏水特性的基片和一个表面平整且具有亲水特性的基片键合而成的；

其中(1)所述的微管道横截面宽高比大于1.5，使微管道中亲水作用力大于疏水作用力，实现基于毛细作用的水相样品自动化进样；

(2)所述的微反应腔高度大于与之相连的微管道；形成疏水阀结构。

2.根据权利要求1所述的微流体反应器，其特征在于所述的复合式微流控芯片为圆盘形。

3.根据权利要求1所述的微流体反应器，其特征在于所述的微反应腔连接至少一个进样管道和通气管道。

4.根据权利要求1所述的微流体反应器，其特征在于：

(1)所述的亲水性基片为玻璃、硅或经过亲水性处理的聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚对二甲苯中的任意一种；

(2)所述的疏水性基片为聚二甲基硅氧烷或经过疏水性表面处理的玻璃、硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚对二甲苯中的任意一种。

5.使用权利要求1所述的微流体反应器的方法，其特征在于：首先将待反应的水相试样分别滴加在各进样孔，使其在毛细作用的驱动下自动充满进样微管道，并因疏水阀的阻力作用而自动停在微管道与微反应腔相接处；然后通过芯片旋转，利用离心力使进样微管道中从通气口至微反应腔之间的试样克服毛细疏水阀的阻力进入微反应腔混合、反应，从而实现定量分配和混合。

6.根据权利要求5使用所述的微流体反应器的方法，其特征在于芯片旋转是通过芯片的固定孔放置并固定于离心机上实施的。

7.按权利要求1所述的微流体反应器的应用，其特征在于用于化学合成条件和生化反应条件的高通量筛选。

8.按权利要求7所述的微流体反应器的应用，其特征在于用于蛋白质结晶条件的高通量筛选，筛选的步骤是：

(a)首先将待结晶蛋白液滴入主进样孔(3)，并将各种不同配比和浓度的结晶剂加入各分支进样孔(4)；

(b)然后将完成进样后的微流体反应器，通过芯片固定孔(14)放置并固定于离心机(15)上，使芯片旋转，通过离心力将主进样管道各分段的蛋白液和各分支进样管道分段结晶剂分配至各微反应腔(11)中混合；

(c)之后在中心通气孔(5)中加入硅油，待硅油在毛细力作用下充满中心通气管道后，再将微流体反应器进行离心，使硅油进入各微反应腔(11)中封盖蛋白液与结晶剂的混合体系，防止混合体系中水分的挥发；

(d)最后将微流体反应器放置于4℃或25℃条件下进行结晶，并间隔一定时间后对微流体反应器中各反应腔结晶结果进行观察，以确定合适的结晶条件。

Images