CN102500266B - 一种用于高粘度溶液的快速微混合装置 - Google Patents

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本发明公开了一种用于高粘度溶液的快速微混合装置，包括PDMS薄层，其特征在于，所述PDMS薄层上加工有三个相连通的通道，其中两个溶液入口通道关于第三个溶液出口通道对称，溶液出口通道内顺序加工有多个ω型微结构，ω型微结构的两开口朝向三通道交叉处。本发明结构简单，加工过程简易，能让高粘度溶液在500μs内完成完全混合。

Description

一种用于高粘度溶液的快速微混合装置
技术领域
本发明涉及一种用于高粘度溶液的快速微混合装置，能将高粘度样品溶液实现微秒级混合，广泛用于蛋白质或DNA等生物大分子在拥挤环境下的动力学研究领域。
背景技术
微流控芯片实验室是本世纪一项重要的科学技术，其特征为将一个生物或化学实验室微缩到一块只有几平方厘米的薄片上，它通过微通道、微阀和微泵等结构实现进样、预处理、混合、反应、检测等一系列操作单元的集成，这种多功能单元高密度集成的微小平台使得样品处理时间大幅缩短，检测分辨率显著提高。目前，微流控芯片已经应用于包括疾病诊断、环境监测、食品安全等与人们生活息息相关的众多行业之中。
微混合器作为微流控芯片中的一个重要部分，它能实现化学或生物样品快速而有效的混合，且所消耗试量在纳升级别，非常利于分析蛋白质或核酸等贵重的生物样品，被认为是研究快速生物化学反应的一个有效工具。
蛋白质是细胞内一类很很重要的大分子，它作为生命活动的执行者，其折叠机制是分子生物学中心法则中尚未解决的一个重大生物学问题。长期以来，由于某些实际原因，研究蛋白质体外折叠的实验一般是在一些简单的缓冲体系——稀溶液中进行的。然而所有的细胞中都存在着大量的蛋白质、核酸、多糖等各种生物大分子，它们大约占用细胞容积的20％～30％，总浓度高达80～200g/L，所以任何一种大分子都处于一个充满其他大分子的拥挤环境中。因此，对蛋白质折叠的研究需要考虑到“大分子拥挤效应”(A.P.，Minton，The effect of volumeoccupancy upon the thermodynamic activity of proteins：some biochemicalconsequences.Mol Cell Biochem，1983，55(1)：119～140)。为研究蛋白质在拥挤环境下的折叠动力学情况，研究者将高浓度的牛血清蛋白或聚蔗糖或聚乙二醇溶于溶液中(这种溶液粘度极高)以模拟蛋白质在细胞中的拥挤状态(M.Smita，andM.W.，Matthias，(2009)Effect of Macromolecular Crowding on Protein FoldingDynamics at the Secondary Structure Level，J.Mol.Biol.，393，227-236)。
为在微流控芯片中实现高粘度溶液的混合，Xia等人(H.M.，Xia and Z.P.Wang，(2010)A microfluidic mixer with self-excited‘turbulent’fluid motion for wideviscosity ratio applications，lab chip，10，1712-1716)设计了一个双层芯片，通过溶液在上下两层通道中间的流动，使溶液不断由小腔室突然进入大腔室从而带来剧烈扰动实现高粘度溶液的混合。这种装置能实现粘度差异很大的两种溶液的混合，但它的混合时间长(约为1min)，且其芯片为双层结构，加工较为复杂。Wang等人(S.S.，Wang and X.Y.，Huang(2011)Mixing enhancement for highviscous fluids in a microfluidic chamber，lab chip，11，2081-2087)通过在微芯片的混合腔中加入一个高频振动的压电小装置，使高粘度的甘油溶液实现快速混合。此微混合器的混合时间约为5s，其溶液的扰动需要外加动力装置(压电装置)的作用从而使其整体结构显得较为复杂。
发明内容
本发明的目的是克服现有高粘度溶液微混合装置结构复杂，混合时间长的缺点，提供一种结构简单、加工简易、混合时间短的微混合装置。
一种用于高粘度溶液的快速微混合装置，包括PDMS薄层，所述PDMS薄层上加工有三个相连通的通道，其中两个溶液入口通道关于第三个溶液出口通道对称，溶液出口通道内顺序加工有多个ω型微结构，ω型微结构的两开口朝向三通道交叉处。
进一步地，所述多个ω型微结构其左右开口大小的尺寸差交替为正值和负值。
进一步地，最靠近三通道交叉处的两个ω型微结构分别偏向溶液出口通道左侧和右侧。
进一步地，还包括开有进样孔的基片。
进一步地，还包括用于引入外部溶液的芯片夹。
本发明的突出特点在于：(1)提出了一种打破微通道中溶液层流状态的不对称ω结构，通过将周期摆放的ω结构有效扰动通道中的高粘度溶液从而达到快速混合(约500μs)；(2)通过在基片上打孔再与芯片夹连接的方式将外部溶液引入芯片，与传统的在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上打孔再连接进样管的的方式相比，本发明显得更经济方便，且可减小PDMS碎屑对微通道的污染。该装置为研究蛋白质或DNA在大分子拥挤状态下的折叠动力学提供了一种新的途径，在今后高粘度溶液的快速混合及反应领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1微通道结构示意图。
图2微混合器组装示意图。
图3微混合器中水溶液在不同流量下的混合结果图，图3(a)-(d)分别为0.003mL/min、0.03mL/min、0.1mL/min、0.22mL/min流量时的混合效果图，图3(e)为不同流量下图3(a)虚线所示位置处的荧光分布，图3(f)为不同流量下的混合效率示意图。
图4微混合器中HEC的混合结果图，图4(a)为0.25mL/min流量时的混合效果图，图4(b)为0.25mL/min流量时图4(a)中虚线所示位置处的混合效率示意图。
图5不同流量下微混合器中甘油的混合结果图，图5(a)为50％甘油与水混合结果示意图，图5(b)为50％甘油与50％甘油混合结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作详细的说明。
快速微混合装置包括PDMS薄层，所述PDMS薄层上加工有三个相连通的通道，其中两个溶液入口通道a，b关于第三个溶液出口通道c对称，溶液出口通道内顺序加工有多个ω型微结构。三通道连接方式可采取为Y型、T型或箭头型，ω型微结构的两开口朝向三通道交叉处。作为优化，ω型微结构在通道中的排布方式为其左右开口大小的尺寸差交替为正值和负值。这种方式与单纯将ω型微结构重复排布于通道中的方式相比，可以更有效的引起溶液的扰动，实验快速混合。同时，将最靠近三通道交叉点的两个ω型微结构分别偏向溶液出口通道左侧和右侧，这样可以使两溶液在刚进入出口通道时被挤压到更小的空间内，对溶液最终实现完全混合大有裨益。
为了引入外部溶液，传统方式一般采取在PDMS薄层上打孔后键合载玻片，再在PDMS打孔处连上钢针和塑料管的方式。这种方式一方面容易带来PDMS碎屑从而阻塞微通道；另一方面在PDMS打孔处键合强度相对较弱，高流速的溶液流过时容易将此处冲开。为克服上述问题，本发明采取先将基片精确打孔，然后与PDMS薄层键合，最后再用连接有钢针和塑料管的芯片夹将PDMS芯片封装的方式来实现外部溶液的引入。
图1给出了一个实例，实例中PDMS薄层上加工有T型通道，两个入口通道宽度为200μm，出口通道中窄的位置其宽度为20μm，宽的位置其宽度为200μm，出口通道加工有7个ω型微结构，按照左右开口大小的尺寸差先负后正的方式排布即序号为1、3、5、7的ω型微结构其左开口小于右开口，序号为2、4、6的ω型微结构其左开口大于右开口，且第1个ω型微结构偏向溶液出口通道左侧，第2个ω型微结构偏向溶液出口通道右侧。
图2给出的实例为所述微混合装置的组装过程。
微混合装置的具体实施方式如下：
1.PDMS薄层的制备：首先用软光刻技术制作SU-8阳模。即将SU-8(1070)甩于洗净烘干的硅片上(700r 18s，2100r 60s)，前烘除去SU-8胶中的溶剂之后(65℃ 15min，95℃ 40min)，进行光刻(40s，3.5mJ/cm2)，然后置于热平板上进行后烘(65℃ 15min，95℃ 40min)，之后经显影液显影后，再进行坚膜(135℃120min)，即可得具微结构的阳模(根据电镜所拍图片，测定其高度约27μm)，其通道具体结构图一。制作出阳模后，再用快速成型方法将阳模的微结构复制到PDMS上。即将PDMS与其固化剂按10∶1混匀并除气得到前聚体，然后将PDMS前聚体倒于阳模上，热平板上65度固化4小时，将固化后的PDMS揭起并切边即可得到含有微通道的PDMS薄层(厚约3cm)。
2.基片的精确打孔。将3mm加厚载玻片(基片)与1mm普通载玻片(牺牲层)用502胶粘好，然后置于小型数控机床上(基片在上)。通过数控机床的相关软件读取含有微通道三个进样孔的AutoCAD文件，并设好相应参数，对载玻片进行精确打孔。打好孔后用丙酮、Piranha溶液(浓H2SO4∶H2O2＝3∶1，v/v)、超纯水进行清洗后，在热平板上烘干得到洁净的基片。
3.PDMS与基片的键合。将含有微通道的PDMS薄层与含有进样孔的洁净基片至于等离子体清洗器中处理(800V，2min)后，在键合面滴加水量超纯水，然后在立式显微镜下将PDMS薄层上的三个进样孔与玻璃基片上的三个孔进行精确对准，然后置于真空烘箱中，在真空状态下65℃加热2h后得到PDMS芯片。
4.PDMS芯片与芯片夹的组装。得到PDMS芯片后，为将外界溶液导入芯片中，需将其与芯片夹组装起来得到最后的微混合器装置，其组装示意图如图2所示，其中a为进样管一，其材质为聚四氟乙烯管；b为进样管二，其材质为聚四氟乙烯管；c为溶液出口管，其材质为聚四氟乙烯管；d、e、f为不锈钢管；g为固定螺丝；h为芯片夹盖片，其材质为8mm厚的有机玻璃；i为密封垫圈，其材质为硅橡胶；j为基片，其材质为载破片；k为含有微通道的PDMS；l为芯片夹底片，其材质为3mm厚的不锈钢板。
微混合器装置组装完成后，我们先用荧光素与磺酰罗丹明的水溶液作为初步评价混合效果的样品。在不同流量下，用微注射泵将两溶液以相同速度从两入口注入，其混合效果见图3。
为研究该微混合装置对高粘度溶液的混合效果，我们将1％的羟乙基纤维素(HEC)与水溶液分别从两微混合器的两入口通入，在两入口流量均为0.25mL/min时，其混合效果如图4所示。
附：2％的HEC配置方法：将100mL水加热至80°并保持该温度，然后边搅拌边将2g HEC加入水中配制成2％HEC，其理论粘度约为4000cp，根据需要将HEC用水稀释成对应粘度。
为进一步研究该微混合装置对高粘度溶液的混合效果，我们将(a)50％的甘油与水、(b)50％的甘油与50％的甘油分别通入混合器的两入口，不同流量下在混合器出口处其混合效率如图5所示。

Claims (2)

1.一种用于高粘度溶液的快速微混合装置，包括PDMS薄层，其特征在于，所述PDMS薄层上加工有三个相连通的通道，其中两个溶液入口通道关于第三个溶液出口通道对称，溶液出口通道内顺序加工有多个ω型微结构，ω型微结构的两开口朝向三通道交叉处；所述多个ω型微结构其左右开口大小的尺寸差交替为正值和负值；最靠近三通道交叉处的两个ω型微结构分别偏向溶液出口通道左侧和右侧。
2.根据权利要求1所述的快速微混合装置，其特征在于，还包括开有进样孔的基片，还包括用于引入外部溶液的芯片夹。
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