CN103865783B - 微流控溶液浓度发生芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控溶液浓度发生芯片，包括层叠设置的培养层、弹性隔膜层和驱动层，所述弹性隔膜层位于所述培养层和驱动层之间，所述培养层上并列分布有多个培养单元，所述驱动层上分布有第一驱动沟道，所述第一驱动沟道与所述培养单元在第一位置形成交叉，该第一位置将培养单元分成上培养单元和下培养单元，所述每个培养单元的下培养单元的体积不同。本专利的微流控溶液浓度发生芯片能够快速产生多个溶液浓度，并在其中进行微生物培养，占用面积小，容易实现阵列化，无需进行流速精确控制或长时间平衡，进样简单，可按需求获得特定的梯度浓度，能够满足多样的梯度浓度需求。

Description

微流控溶液浓度发生芯片

技术领域

本发明属于微流控领域，特别是涉及一种微流控溶液浓度发生芯片。

背景技术

在工业微生物发酵生产过程中，高效的微生物转化是由高产菌株及最佳的培养条件共同决定的。只有对高产菌株的培养条件进行优化才能最终实现高产的目的，可以说实现培养条件的优化是工业微生物研究的关键之一。然而，不同微生物培养条件存在显著的差异，不仅对主要碳源、氮源、磷源的种类和含量要求不同，而且对其他微量成分，如维生素等生长因子、金属元素等也有多样化的需求。因此，对于培养条件的优化需要考察特定营养成分在多个浓度条件下对微生物生长发酵的影响。常规的培养条件优化实验通常在摇瓶中进行，逐个向摇瓶中加入培养液及特定量的营养成分，加入菌后再放入摇床振荡进行培养。整个过程不仅需要进行大量重复性的加样操作，而且还会用到大量摇瓶，这需要花费大量的人力，同时加样次数越多，染菌机率较高，培养液的消耗量也很大，另外实验还需要用到多个摇床，整个实验过程效率低、成本高、时间长、需要大量的设备与空间。因此迫切需要解决培养条件优化实验中存在的这些问题。

微流控技术是上世纪九十年代在分析化学领域发展起来的，它以微管道网络微结构特征，通过微加工技术将微管道、微泵、微阀等功能元器件像集成电路一样，集成在芯片材料上。微流控技术具有极高的效率，由于结构微小，很容易在芯片上一次集成数十上百个微生物培养单元，同时可以将培养液同时注入多个培养单元，实验效率得以提高；培养液及其他药品的消耗也可大幅减少，从而降低筛选成本；微流控芯片的体积小，可以减少培养箱的使用量，降低微生物培养的所需空间和设备限制；微流控芯片可以进行批量加工生产及预处理（如清洗、灭菌等），成为一次性试验耗材，这样不仅可以降低芯片的制造成本，可以减少试验准备的工序，最终降低筛选工作的劳动强度。

NooLiJeon在专利WO200222264中描述了一种金字塔形能够快速形成浓度梯度的微流控芯片，该芯片有3个溶液入口，分别注入低浓度、中浓度和高浓度溶液，经9级分支管道网络分配混合后，混合液从9个出口流出，各出口溶液浓度形成梯度。用较少种原始浓度溶液输入该芯片就可获得多种浓度梯度，整个过程实现了微型化与自动化，避免了常规操作中溶液重复添加的步骤，能够节约人力，提高操作效率。然而，该芯片设计依赖于多级分支管道网络，随着浓度出口数量增多，分支管道网络级数也相应增加，这会占用较大的芯片面积，不利于后期其他芯片功能单元的集成，增加的级数也会提高注入压力，增加了注入流速控制难度，而浓度发生受注入流速的影响很大，需要对流速进行精确控制。另外，单组金字塔形梯度发生单元产生的溶液梯度种类也比较有限，虽然可以通过多个梯度单元组合，增加数种梯度种类，但种类仍比较有限，难于满足多样化的浓度梯度实验要求，且会占用较多芯片面积。

JianLiu在专利US2010/0104477中描述了一种基于循环混合的微流控反应阵列。该阵列包含了400个方形闭合的液体混合单元及微阀、微泵等流体控制结构。对于每个液体混合单元可以通过控制，依次向方形单元一条边或两条边的管道中注入不同液体，然后用微阀将各方形闭合单元相互隔开，启动微泵进行单元内溶液混合。该芯片可以实现不同液体批量化的注入与混合，操作效率高，占用芯片面积小，为在芯片上实现多单元批量进样与快速混合提供了新思路。然而，该反应阵列中各单元结构是相同的，各单元混合后产生的溶液浓度相同，无法直接用于批量化的产生多种溶液浓度，尚不能直接用于多样化的浓度梯度实验。

有鉴于此，有必要提供一种可以获得特定的梯度浓度的微流控芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控溶液浓度发生芯片，可以获得特定的梯度浓度，能够满足多样的梯度浓度需求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微流控溶液浓度发生芯片，包括层叠设置的培养层、弹性隔膜层和驱动层，所述弹性隔膜层位于所述培养层和驱动层之间，所述培养层上并列分布有多个培养单元，所述驱动层上分布有第一驱动沟道，其中，所述第一驱动沟道与所述培养单元在第一位置形成交叉，该第一位置将培养单元分成上培养单元和下培养单元，所述每个培养单元的下培养单元的体积不同。

作为本发明的进一步改进，所述培养单元为环形的沟道，所述驱动层上设有循环驱动沟道，该循环驱动沟道与所述培养单元形成交叉，并驱动所述培养单元中的液体循环流动。

作为本发明的进一步改进，所述培养单元之间连通有液流管道，所述液流管道与所述培养单元的连接处贴近所述第一位置。

作为本发明的进一步改进，所述驱动层上还设有第二驱动沟道，该第二驱动沟道用以控制相邻培养单元间液流管道的导通或截止。

作为本发明的进一步改进，所述第一驱动沟道平行于所述液流管道。

作为本发明的进一步改进，所述第一驱动沟道为直线型沟道。

作为本发明的进一步改进，所述所有培养单元相同且平行设置。

与现有技术相比，本专利的微流控溶液浓度发生芯片能够快速产生多个溶液浓度，并在其中进行微生物培养。芯片无需加入金字塔形分支管道网络，梯度发生单元占用面积小，容易实现阵列化，无需进行流速精确控制或长时间平衡，进样简单，可按需求获得特定的梯度浓度，能够满足多样的梯度浓度需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a所示为本发明第一实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图；

图1b所示为本发明第一实施例中培养层的俯视图；

图1c所示为本发明第一实施例中驱动层的俯视图；

图1d所示为图1a中沿1D的剖视图；

图2所示为本发明第二实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图；

图3所示为本发明第三实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图；

图4所示为本发明第四实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图。

具体实施方式

专利WO200222264中的浓度梯度发生芯片需要设置一系列的金字塔形分支管道网络进行溶液多次分配混合，管道网络需要占用较大的芯片面积，使得芯片的集成度降低。入口溶液的流速会影响浓度梯度发生的效果，因此需要精确控制溶液入口流速，这增加了操作难度。液体在芯片中流经距离长，注入时的背压较高，容易使芯片破裂。芯片产生的浓度梯度种类数量有限，不适合多样的浓度梯度实验要求。为获得稳定的浓度梯度，需要保持一定的平衡时间，这延长了试验时间，降低了工作效率。

专利US2010/0104477中的一种基于循环混合的微流控反应阵列，其中的循环混合单元结构都是相同的，不能产生大量的特定的液体浓度，尚不具备多样化溶液梯度浓度发生功能。

针对上述不足，本发明实施例公开了一种微流控溶液浓度发生芯片，包括层叠设置的培养层、弹性隔膜层和驱动层，所述弹性隔膜层位于所述培养层和驱动层之间，所述培养层上并列分布有多个培养单元，所述驱动层上分布有第一驱动沟道，所述第一驱动沟道与所述培养单元在第一位置形成交叉，该第一位置将培养单元分成上培养单元和下培养单元，所述每个培养单元的下培养单元的体积不同。

本实施例的微流控溶液浓度发生芯片能够快速产生多个溶液浓度，并在其中进行微生物培养。芯片无需加入金字塔形分支管道网络，梯度发生单元占用面积小，容易实现阵列化，无需进行流速精确控制或长时间平衡，进样简单，可按需求获得特定的梯度浓度，能够满足多样的梯度浓度需求。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1a至图1d所示分别为本发明第一实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图、培养层的俯视图、驱动层的俯视图以及剖视图。

参图1a至图1d所示，微流控溶液浓度发生芯片10包括培养层11，培养层11至少由高分子聚合物、水凝胶、硅片、石英、玻璃和金属材料中的任意一种或多种的组合形成，优选的，培养层11由聚二甲基硅氧烷制成。

培养层11上并列分布有多个培养单元111，培养单元111为形状、体积均相同的单元，且单元间平行设置，培养单元111为环形的沟道。

培养单元111之间连通有液流管道112，液流管道112包括多个液流管道单元1121，每个液流管道单元1121连通于相邻的培养单元111之间，液流管道单元1121沿横向延伸且与培养单元111相垂直，多个液流管道单元1121呈阶梯形式排布。

培养单元111的上端共同连通于液流管道113，下端共同连通于液流管道114。液流管道113和114与外部连通。通过液流管道114可以向所有培养单元11中同时注入溶液，液流管道113可以作为溶液流动的出口。

易于想到的是，所有培养单元111可以为各自独立的单元，亦即培养单元111的上端或下端不共接，分别拥有独立的出口和进口，如此可以在不同的培养单元111中注入不同的溶液。

培养层11的上方层叠设有弹性隔膜层12，弹性隔膜层12由弹性高分子聚合物材料形成，优选的，弹性隔膜层12由聚二甲基硅氧烷制成。

弹性隔膜层12的上方层叠设有驱动层13，驱动层13至少由高分子聚合物、水凝胶、硅片、石英、玻璃和金属材料中的任意一种或多种的组合形成，优选的，驱动层13由聚二甲基硅氧烷制成。

驱动层13上分布有循环驱动沟道131，循环驱动沟道131与培养单元111形成交叉，并驱动培养单元111中的液体循环流动。

循环驱动沟道131的两端与外界相连，当向循环驱动沟道131中注入高压气体，循环驱动沟道131下的弹性隔膜层12会向下发生弯曲，阻塞弹性隔膜层12下方的培养单元111，当撤去高压气体时，弹性隔膜层12恢复，下方的培养单元111连通，此即为微流控技术领域公知的微阀。

循环驱动沟道131为两根或三根平行的管道，通过按特定时序依次加压，可以挤压下方培养单元111中的液体单向流动，此即为微流控技术领域公知的微泵。

循环驱动沟道131与培养单元111所形成的循环驱动结构及其原理，在中国专利第CN201110316751.0和CN201110142095.7号中已经公开，本实施例不再赘述。

驱动层13上还分布有第一驱动沟道132，第一驱动沟道132与培养单元111在第一位置A形成交叉，该第一位置A将培养单元111分成上培养单元1111和下培养单元1112。第一驱动沟道132包括多个驱动沟道单元1321，每个驱动沟道单元1321交叉位于相邻培养单元111的相近的两个分支沟道的上方，驱动沟道单元1321沿横向延伸且与培养单元111相垂直，多个驱动沟道单元1321呈阶梯形式排布。液流管道单元1121与培养单元111的连接处尽量贴近第一位置A。

驱动层13上还分布有第二驱动沟道133，该第二驱动沟道133分别与相邻培养单元111间的液流管道单元1121形成交叉，并在交叉处形成微阀，用以控制液流管道单元1121的导通或截止。第二驱动沟道133还与液流管道114形成交叉，并在交叉处形成微阀，当第二驱动沟道133中通入高压气体时，第二驱动沟道133可实现对培养单元11下端开口的封闭，同时实现培养单元111下端之间的分隔。

驱动层13的上端和下端还分别分布有第三驱动沟道134和第四驱动沟道135。第三驱动沟道134为叉指状，第三驱动沟道134与相邻培养单元111间的液流管道113在其交叉处形成微阀，以实现培养单元111在上端的分隔；第四驱动沟道135为直线状沟道，其与液流管道114在交叉处形成微阀，不仅可以可实现对培养单元11下端开口的封闭，同时实现培养单元111下端之间的分隔。

各层参数说明：培养层11中，除培养单元111的两条分支管道宽度为50微米外，其余管道宽度均为100微米。培养单元111的长边长7000微米，短边长300微米。驱动层13中，循环驱动沟道131的宽度为150微米，第二驱动沟道133、第一驱动沟道132、第三驱动沟道134分成宽窄两部分，窄管道宽度均为30微米，宽管道宽度均为100微米，其中窄管道与培养层11中管道形成的交叉不构成微阀作用。第四驱动沟道135宽度为100微米。所有管道深度为10微米。弹性隔膜层12厚度为20微米。

微流控溶液浓度发生芯片10的运行原理为：先向所有培养单元111中注入溶液A直至充满，然后对第四驱动沟道135、第一驱动沟道132加压，封闭其穿越的液流管道114以及培养单元111，并向液流管道112中注入溶液B，溶液B进入环状闭合的培养单元111中位于第四驱动沟道135和第一驱动沟道132之间的管道，同时原来存在于这部分管道中的溶液A被冲出，再加压关闭第二驱动沟道133和第三驱动沟道134控制的微阀，这样同一个培养单元111中同时存在溶液A和溶液B，两种溶液被第一驱动沟道132控制的微阀分隔。溶液B的体积为第二驱动沟道133和第一驱动沟道132控制的微阀所封闭的部分培养单元111的容积。溶液A的体积为整个培养单元111的容积减去溶液B所占的体积。打开第一驱动沟道132控制的微阀，启动循环驱动沟道131组成的微泵后，溶液A和溶液B即在环状闭合的培养单元111中循环流动混合。由于液流管道112可以设置在不同位置将相邻两个培养单元111连通，第二驱动沟道133和第一驱动沟道132控制微阀封闭的部分培养单元111的容积可按要求变动，因此可以产生多种特定的浓度梯度。溶液A、溶液B可以是葡萄糖溶液、蛋白胨溶液、水等真溶液，也可以是含有微生物等颗粒的悬浊液。溶液A和溶液B可以为不同的溶液，也可以为相同溶液但是浓度不同的溶液。

图2所示为本发明第二实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图。

参图2所示，在本发明第二实施例中，第一驱动沟道232为直线型沟道，且第一驱动沟道232与培养单元211的夹角为非90度。液流管道212将培养单元211连通，且液流管道212与第一驱动沟道232平行设置。

其他结构与实施例一相同，不再赘述。

图3所示为本发明第三实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图。

参图3所示，在本发明第三实施例中，第一驱动沟道332为阶梯式沟道，每个驱动沟道单元与一个培养单元311的两个分支沟道形成交叉，构成微阀。液流管道312将培养单元311连通，且液流管道312与培养单元311的连接处，贴近第一驱动沟道332与培养单元311的交叉处，以便在下培养单元通入溶液B时，溶液B可以单向流动，并将溶液A排出。

其他结构与实施例一相同，不再赘述。

图4所示为本发明第四实施例中微流控溶液浓度发生芯片的俯视图。

参图4所示，在本发明第四实施例中，培养单元411为直线型沟道，第一驱动沟道432为直线型管道，液流管道412平行于第一驱动沟道432设置。

易于想到的是，第一驱动沟道432也可设置为阶梯式。

综上所述，本专利的微流控溶液浓度发生芯片能够快速产生多个溶液浓度，并在其中进行微生物培养。芯片无需加入金字塔形分支管道网络，梯度发生单元占用面积小，容易实现阵列化，无需进行流速精确控制或长时间平衡，进样简单，可按需求获得特定的梯度浓度，能够满足多样的梯度浓度需求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种微流控溶液浓度发生芯片，包括层叠设置的培养层、弹性隔膜层和驱动层，所述弹性隔膜层位于所述培养层和驱动层之间，所述培养层上并列分布有多个培养单元，所述驱动层上分布有第一驱动沟道，其特征在于：所述第一驱动沟道与所述培养单元在第一位置形成交叉，该第一位置将培养单元分成上培养单元和下培养单元，所述每个培养单元的下培养单元的体积不同，所述驱动层上设有循环驱动沟道，该循环驱动沟道与所述培养单元形成交叉，并驱动所述培养单元中的液体循环流动，所述培养单元之间连通有液流管道，所述液流管道与所述培养单元的连接处贴近所述第一位置，所述驱动层上还设有第二驱动沟道，该第二驱动沟道用以控制相邻培养单元间液流管道的导通或截止。

2.根据权利要求1所述的微流控溶液浓度发生芯片，其特征在于:所述培养单元为环形的沟道。

3.根据权利要求1所述的微流控溶液浓度发生芯片，其特征在于:所述第一驱动沟道平行于所述液流管道。

4.根据权利要求1或3所述的微流控溶液浓度发生芯片，其特征在于:所述第一驱动沟道为直线型沟道。

5.根据权利要求1所述的微流控溶液浓度发生芯片，其特征在于：所述所有培养单元相同且平行设置。