CN102580798A

CN102580798A - 一种微流控芯片溶液梯度稀释装置

Info

Publication number: CN102580798A
Application number: CN2012100473222A
Authority: CN
Inventors: 徐章润; 杨春光
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: CN102580798B

Abstract

本发明属化学分析领域，具体涉及一种微流控芯片溶液梯度稀释装置。本发明的装置由具有上下两层结构的微流控芯片组成；微流控芯片上层是圆盘状带有辐射形微通道网络的基片，下层是平板基片，二者相对封接，形成底层的微通道网络；微通道网络具有N条同心圆环形通道，N级蜿蜒形通道，其中最后一级蜿蜒形通道为直线形通道，以及M个作为入口的孔。本发明是利用对称的微通道网络对流体进行平均分配，在蜿蜒通道中实现基于分子扩散的完全混合，经过反复的分流-混合过程，最终将初始浓度稀释成浓度呈梯度分布的溶液。本发明的稀释装置试样消耗少，节省空间，生成系列浓度快速而稳定。

Description

一种微流控芯片溶液梯度稀释装置

技术领域

本发明属于化学分析领域，具体涉及一种微流控芯片溶液梯度稀释装置。

背景技术

在化学和生物化学实验中，梯度稀释是最常用的操作之一，特别是在细胞毒性分析中，梯度稀释操作显得更加重要，在药物剂量响应实验中，需要配制一系列线性稀释或对数稀释的药物，药物浓度一般需要跨越3-6个数量级，常规的梯度稀释方法需要精确的计量与混合溶液，操作费时费力，而且易于引起实验误差，影响实验结果的准确性。

微流控技术的出现，为梯度稀释操作提供了一种有力的手段。两种溶液在微流控芯片的通道中，可以通过重复汇流-混合-分流过程，在汇合后的主通道中形成浓度梯度（Jeon N L, Dertinger S K W, Chiu D T, Choi I S, Stroock A D, Whitesides G M. Langmuir, 2000, 16, 8311-8316.），若上述溶液在最后一步不是汇合进入一个主通道，而是分散进入多个分支通道中，则形成一系列梯度稀释的溶液（Ye N N, Qin J H, Shi W W, Liu X, Lin B C. Lab Chip, 2007, 7, 1696-1704），这种梯度稀释方法可以方便地将一种药物溶液稀释成一系列浓度，并且可以和细胞培养装置集成在一起，用于药物筛选研究，但该方法若要形成更宽的浓度范围，则要求芯片面积明显增大，而且难以实现多种药物的组合稀释溶液，操作过程也变得更加复杂。通过流阻比不同，也可以在微流控芯片上实现溶液的梯度稀释操作，并能产生浓度范围横跨6个数量级的梯度（Sugiura S, Hattori K, Kanamori T. Anal. Chem., 2010, 82, 8278-8282），但这种梯度稀释方法同样存在的问题是，增加浓度梯度分支通道将显著增大芯片面积，难以进行不同溶液的组合稀释，而且浓度梯度分布不够精细。目前已报道的现有的微流控梯度稀释方法，由于稀释溶液的浓度分布范围不够宽，难以进行不同物质组合稀释，无法满足对一种溶液大规模稀释和对多种溶液组合稀释的需求，在实际应用中受到诸多限制。

发明内容

针对现有梯度稀释技术存在的不足，本发明提供一种微流控芯片溶液梯度稀释装置，目的是通过装置的微流控芯片上特殊的微通道网络设计，满足对一种溶液大规模稀释或对多种溶液组合稀释，在溶液稀释过程中形成一组或多组梯度稀释溶液系列，每组溶液的浓度均呈梯度分布，彼此独立区分明确，能够精确读取浓度数值。

实现本发明的技术方案是：

本发明的微流控芯片溶液梯度稀释装置由具有上下两层结构的微流控芯片组成；所述的微流控芯片上层是圆盘状带有辐射形微通道网络的基片，下层是平板基片，二者相对封接，形成底层封闭的微通道网络；

所述的微通道网络设有N条同心圆环形通道，N级蜿蜒形通道，其中最后一级蜿蜒形通道为直线形通道，以及M个入口孔，所述的N和M是≥2的整数；所述的蜿蜒形通道分布在每两条圆环形通道之间，以同心圆环的圆心为对称中心，沿径向呈辐射状均匀分布；所述的第N级蜿蜒通道为直线形，位于最外围的第N圆环形通道的外侧，以圆心为对称中心呈辐射状对称分布；所述的入口孔分布在第1圆环形通道周围，以圆心为对称中心呈中心对称分布；

所述的同心圆环形通道，蜿蜒形通道和入口孔的连接方式为：第1级蜿蜒通道中处于相间位置的M条蜿蜒通道的前端分别与M个入口孔一一对应相连，并通过孔与第1圆环形通道相连，剩余的同样处于相间位置的M条第1级蜿蜒通道的前端直接与第1级圆环形通道相连，所有的蜿蜒形通道末端与第2圆环形通道相连，以此类推，随着圆环形通道序号i[x1] 的增加，第i级蜿蜒形通道共包括M×2ⁱ条蜿蜒形通道，其中处于相间位置的M×2^i-1条蜿蜒形通道的前端与第i圆环形通道相连，并通过第i圆环形通道与第（i-1）级相对应的蜿蜒形通道的末端相连，其余的M×2^i-1条同样处于相间位置的第i级蜿蜒通道的前端与第i圆环形通道相连，所有的第i级蜿蜒形通道的末端与第（i+1）级圆环形通道相连；第N级蜿蜒通道为直线形，共计有M×2^N条，其前端与第N级圆环形通道相连，末端为开放式，即作为微通道网络的出口。

所述的同心圆环形通道的宽度相同，均为50-200μm。

所述的蜿蜒形通道的深度和宽度均相等，其中处于同一级的每条蜿蜒形通道的长度相等，所占面积也相等，第1级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道的长度为20-50mm，第i级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道的长度不小于第（i-1）级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道长度的二分之一。

所述的入口孔M≥3时，装置能同时稀释至少2种溶液，并能产生组合稀释液，将待稀释的M种溶液分别注入孔中，最终产生组两两相同的具有（2^N+1）个浓度梯度的溶液。

采用所述的稀释装置稀释溶液，从不同的孔注入溶液的流速均相等，且稳定不变。

所述的装置选用玻璃或聚二甲基硅氧烷为材料制成。

上述宽浓度范围的微流控芯片溶液梯度稀释装置的制作过程为，按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，在硅片上形成微通道网络的阳模，再于其上浇铸聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，脱模后形成具有辐射形微通道网络的聚二甲基硅氧烷基片。

在聚二甲基硅氧烷基片的微通道网络中心的相应位置，用打孔器加工M个贯穿聚二甲基硅氧烷层的孔，作为溶液入口，再沿着最外围的第N级直线形通道末端，进行环形切割，得到圆盘状聚二甲基硅氧烷装置组件。

聚二甲基硅氧烷层与平板玻璃基片经等离子体清洗，进行不可逆封接，便形成了封闭的微通道网络，位于第1级的2M条蜿蜒通道长度为20-50mm，其外相邻每一级蜿蜒通道的长度都略大于前一级通道长度的一半，依此类推，蜿蜒通道的长度越来越短。

本发明的稀释装置中微流控芯片还可以选用其他不与被稀释溶液发生化学反应的高分子聚合物等化学惰性材料，如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚四氟乙烯等。

与现有技术相比，本发明的原理和有益效果是：

本发明是基于层流和分子扩散原理，利用对称的微通道网络对流体进行平均分配，在蜿蜒通道中实现基于分子扩散的完全混合，经过反复的分流-混合过程，最终将初始浓度稀释成浓度呈梯度分布的溶液。

以具有2个入口，n条同心圆环形通道和n级蜿蜒形通道的稀释装置为例进行原理说明，在最外圈共计2ⁿ⁺¹条直线形通道中形成了两组对称的梯度溶液，这两组梯度溶液是各自包含初始浓度在内的（2ⁿ+1）种浓度的溶液；若从2个入口引入不同的初始溶液，能够形成两种初始溶液的组合梯度溶液；对位于最外层的直线形通道进行编号，编号从0到2ⁿ，其中第0号和第2ⁿ号直线形通道内溶液的浓度分别为两种溶液的初始浓度，如果第0号直线形通道内的溶液浓度为1，第2ⁿ号蜿蜒形通道内的溶液浓度为0，则形成两个从0到1的浓度梯度系列，第x号直线形通道，即任意一直线形通道内溶液的浓度为C_x = 1-x/2ⁿ；对于具有3个及以上入口的稀释装置，则能够同时稀释更多种溶液，梯度灵活多样。

本发明中的第1级蜿蜒形通道中每条蜿蜒通道的长度、稀释装置外部的液体驱动装置注射泵提供的液流流速和适用的溶质的扩散系数，三者之间的关系可根据爱因斯坦-布朗位移方程和时间位移方程进行推导，即两种溶液在并行层流过程中，溶质分子的径向扩散，从通道一侧扩散至另一侧所需时间要小于其流经整条蜿蜒通道所需时间，在两层流溶液到达蜿蜒通道出口前，完成层间扩散，溶质分子在通道径向均匀分布，即实现两种溶液的完全混合，本发明的第一级蜿蜒形通道长度为20-50mm，能在蜿蜒通道内通过层流扩散实现完全混合。

本发明的创造性之处是利用由多个不同大小的同心圆环形通道和放射状排布的蜿蜒形通道形成的微通道网络对溶液进行稀释，充分利用了空间，实现了通道网络最大程度的集成化；本发明的稀释装置能够同时产生的浓度种类多，浓度分化精细，对于有N个圆环形通道的稀释器，在一组梯度溶液中可产生（2^N+1）种不同的浓度；本发明的稀释装置中，蜿蜒形通道中的浓度能直接读取，方便快捷；本发明的稀释装置试样消耗少，生成系列浓度快速而稳定。

附图说明

图1是本发明的微流控芯片溶液梯度稀释装置结构示意图；

其中：1：圆盘状带有辐射形微通道网络的基片，2：平板基片；

图2是本发明实施例的微通道网络示意图；

其中：3：圆孔入口；4：第1级蜿蜒形通道；5：第2级蜿蜒形通道；6：第3级蜿蜒形通道；7：第4级蜿蜒形通道；8：第5级蜿蜒形通道；9：第6级蜿蜒形通道；10：直线形通道；11：第1圆环形通道；12：第2圆环形通道；13：第3圆环形通道；14：第4圆环形通道；15：第5圆环形通道；16：第6圆环形通道；17：第7圆环形通道；18：环切线；

图3是本发明实施例中系列浓度和最外层通道序号的对应关系；

其中：方块图为理论值，线状图为实验值。

具体实施方式

本发明实施例采用的注射溶液用微量注射泵是：Model MD-1001型，Bioanalytical Systems公司，美国。

实施例1

本实施例的微流控芯片溶液梯度稀释装置的结构如图1所示，为具有上下两层结构的微流控芯片，上层为聚二甲基硅氧烷材质，一面具有微通道网络结构，下层2是透明的平板玻璃基片，无通道结构。

上层基片的圆盘状辐射形微通道网络如图2所示，按照SU-8光刻胶阳模的标准制作工艺，在硅片上形成微通道网络的阳模，阳模厚度为40 mm，再于其上浇铸聚二甲基硅氧烷预聚物，经过加热聚合过程，固化成型，经过固化翻模后，得到7条同心圆环形通道，7级蜿蜒形通道，在第1圆环形通道周围，用钻孔器打2个直径0.45 mm的贯穿聚二甲基硅氧烷基片的圆孔，作为溶液入口，再沿着微通道网络最外围的环切线，进行环形切割，得到直径35 mm的圆盘状辐射形微通道网络聚二甲基硅氧烷基片。

将微通道网络面朝下，圆盘状辐射形微通道网络聚二甲基硅氧烷基片与平板玻璃基片正对封接，在其内部形成封闭的管状微通道网络，网络的入口为中心的2个直径0.45 mm的孔，出口为最外围256个直通道的开放末端。

上述的微通道网络，由7个半径递增的宽度为150μm的同心圆环形通道，和7级位于每两个圆环形通道之间的宽度均为80μm的蜿蜒形通道组成，中心最小圆环形通道的直径为0.5 mm，其他各通道直径依次为7.8 mm，12.0 mm，15.8 mm，19.6 mm，23.4 mm，28.0 mm，最小圆环形通道外侧有4条长度为27 mm的第1级蜿蜒形通道与之相连，呈放射状均匀分布，其中2条相间的蜿蜒通道的前端经微通道网络的入口与最小圆环形通道相连，其余两条同样相间的蜿蜒形通道的前端与第1圆环形通道相连，这4条蜿蜒通道的末端与第2圆环形通道相连，在第2圆环形通道外侧，有8条第2级蜿蜒形通道对称排布，其中4条与4条第一级蜿蜒通道通过第2圆环形通道相连，另外4条在其间均匀分布，这8条第2级蜿蜒形通道的末端与第3圆环形通道相连，以此类推，在第7圆环形通道外侧，共有256条蜿蜒形通道对称排布。

采用微量注射泵，以8 mL/min的流速，同时经2个入口向微通道网络中注入初始浓度分别为0和1的溶液（浓度值归一化），2股液流一方面各自沿着蜿蜒通道向下游流动，一方面进入第1圆环形通道，进入圆环形通道的溶液再向各自的左右两个方向平均分配，沿着圆环形通道流动的两股液流相遇后，同步进入与圆环形通道相连的另外两个蜿蜒通道中，在到达蜿蜒通道出口之前，实现基于分子扩散的完全混合，即形成等于2种初始浓度和的一半的新浓度。在进入第2圆环形通道时，从4个第1级蜿蜒通道流出的溶液浓度分别是0，0.5，1，0.5，这3种浓度的4股溶液经第二圆环形通道，在下游8条蜿蜒通道中实现液流的平均分配，其中4条蜿蜒通道中含有不同源的溶液，它们在流出蜿蜒通道前达到完全混合，与其他四条蜿蜒通道中的溶液同步进入第3个圆环形通道前，8条蜿蜒通道中形成5种浓度的溶液，这5种浓度分别为上一级临近蜿蜒通道浓度和的一半，即0，0.25，0.5，0.75，1，0.75，0.5，0.25，以此类推，在第7级即最外层256条直线形通道的下游，便形成了两组系列浓度梯度，每组含有129种浓度，都以初始浓度中较低的浓度为浓度系列的起点，以初始浓度中较高浓度为系列浓度的终点，以2种初始浓度差的1/128为相邻浓度的递增量，即在装置的外沿，以初始浓度所在通道为轴线，生成对称分布的两组浓度系列，完成稀释过程，如图3所示，0号通道对应初始浓度1，128号通道对应初始浓度0，128’号通道与128号通道为同一条通道。两组系列浓度为从128到0号通道的递增浓度，以及从0到128’号通道的递减浓度。两组系列浓度对称分布，每相邻2个浓度之差为2个原始浓度差值的1/128，其中方块图为理论值，线状图为实验值。

实施例2

对于稀释装置为3入口，6级通道的微流控芯片，制作过程和浓度梯度形成方法与实施例1中的2入口芯片相同，不同之处在于3个入口的芯片的浓度梯度形成过程。首先，需要同时引入3种溶液A，B和C，再流经微通道网络，所述的微通道网络包括5级蜿蜒通道，蜿蜒通道数目分别为6条，12条，24条，48条，96条， 1组共计192条的直线通道以及6条同心排列的圆环形通道，最终形成的浓度梯度分为两种情况：首先，如果其初始浓度分别为0（空白溶液），1_B（B溶液）和1_C（C溶液），则生成一组由0到1的B溶液的稀梯度释液，共64种，一组由0到1’的C溶液的稀梯度释液，共64种；以及一组B和C的混合浓度梯度溶液，共64种。其次，如果其初始浓度分别为1_A，1_B和1_C，则生成3组浓度梯度混合溶液，分别为A和B，A和C，B和C的两两混合溶液，每组各有65种溶液，完成稀释过程。

Claims

1.一种微流控芯片溶液梯度稀释装置，由具有上下两层结构的微流控芯片组成，微流控芯片下层是平板基片，其特征在于：微流控芯片的上层是圆盘状带有辐射形微通道网络的基片，上下两层基片相对封接，形成底层封闭的微通道网络；所述的微通道网络设有N条同心圆环形通道，N级蜿蜒形通道，其中最后一级蜿蜒形通道为直线形通道，以及M个入口孔，所述的N和M是≥2的整数；所述的蜿蜒形通道分布在每两条圆环形通道之间，以同心圆环的圆心为对称中心，沿径向呈辐射状均匀分布；所述的直线形通道位于最外围的第N圆环形通道的外侧，以圆心为对称中心呈辐射状对称分布；所述的入口孔分布在第1圆环形通道周围，以圆心为对称中心呈中心对称分布；

所述的同心圆环形通道，蜿蜒形通道，直线形通道和入口孔的连接方式为：第1级蜿蜒通道中处于相间位置的M条蜿蜒通道的前端分别与M个入口孔一一对应相连，并通过孔与第1圆环形通道相连，剩余的同样处于相间位置的M条第1级蜿蜒通道的前端直接与第1级圆环形通道相连，所有的蜿蜒形通道末端与第2圆环形通道相连，以此类推，随着圆环形通道序号i增加，第i级蜿蜒形通道共包括M×2ⁱ条蜿蜒形通道，其中处于相间位置的M×2^i-1条蜿蜒形通道的前端与第i圆环形通道相连，并通过第i圆环形通道与第（i-1）级相对应的蜿蜒形通道的末端相连，其余的M×2^i-1条同样处于相间位置的第i级蜿蜒通道的前端与第i圆环形通道相连，所有的第i级蜿蜒形通道的末端与第（i+1）级圆环形通道相连；直线形通道共计有2^N+1条，其前端与第N级圆环形通道相连，末端为开放式，即作为微通道网络的出口。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片溶液梯度稀释装置，其特征在于所述的同心圆环形通道的宽度相同，均为50-200μm。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片溶液梯度稀释装置，其特征在于所述的蜿蜒形通道的深度和宽度均相等，其中处于同一级的每条蜿蜒形通道的长度相等，所占面积也相等，第1级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道的长度为20-50mm，第i级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道的长度不小于第（i-1）级蜿蜒形通道中每条蜿蜒形通道长度的二分之一。

4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片溶液梯度稀释装置，其特征在于所述的入口孔M≥3时，装置能同时稀释至少2种溶液，并能产生组合稀释液，将待稀释的M种溶液分别注入孔中，最终产生

组两两相同的具有（2^N+1）个浓度梯度的溶液。

5.根据权利要求1所述的一种宽浓度范围的微流控芯片溶液梯度稀释装置，其特征在于采用所述的稀释装置稀释溶液时，从不同的孔注入溶液的流速均相等，且稳定不变。

6.根据权利要求1所述的一种宽浓度范围的微流控芯片溶液梯度稀释装置，其特征在于所述的装置选用玻璃和聚二甲基硅氧烷为材料制成。