CN104084245A

CN104084245A - 一种用于形成浓度梯度的装置及系统

Info

Publication number: CN104084245A
Application number: CN201410263462.2A
Authority: CN
Inventors: 刘笔锋; 李一伟; 冯晓均; 刘超; 陈鹏
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2014-10-08

Abstract

本发明公开了一种用于形成浓度梯度的装置及系统。所述装置包括多组浓度形成通道，所述通道一端为出样口，另一端进样口，所述浓度形成通道按照进样到出样的方向依次布设有混合通道和反应腔室，每组浓度形成通道其进样口通过母液分流通道和缓冲液分流通道分别与母液储液池和缓冲液储液池相连，每组浓度形成通道，根据所要形成的目标浓度不同，其母液分流通道和缓冲液分流通道的长度比例不同。所述系统包括所述浓度梯度形成装置和负压形成装置，所述浓度梯度形成装置中所有浓度形成通道其出样口与负压形成装置的相连，所述浓度梯度形成装置的另一端处于相同气压下。所述装置及系统，结构紧凑，可一次形成多种浓度，稳定性高，应用范围广。

Description

一种用于形成浓度梯度的装置及系统

技术领域

本发明属于生物学装置领域，更具体地，涉及一种用于形成浓度梯度的装置及系统。

背景技术

浓度梯度形成装置，能实现不同浓度梯度的药物样品的形成，且所消耗试剂量在纳升级别，被认为是高通量研究细胞刺激，药物筛选的一个有效工具。

研究者们已经建立了多种微流控浓度梯度装置通过注入两种不同的液体用于高通量分析，主要包括基于分子扩散的浓度梯度形成装置和基于多次分流合流的浓度梯度形成装置。基于分子扩散的浓度梯度形成装置，如基于分子扩散的浓度梯度芯片，操作简单，加工简易，但是由于扩散的系统误差，这种芯片很难形成完美的直线型浓度梯度，更重要的是这种芯片极大的受到了分子大小，流速，扩散距离以及液体粘度的影响。基于多次分流合流的浓度梯度形成装置，如基于分流合流的浓度梯度芯片，通过芯片结构操作多路液流来形成浓度梯度，往往结构过于复杂，在每一次的分流合流的过程中需要较长的直通道或者复杂的微混合器来实现，并且其结构的复杂性随着浓度的增多而增加，大大加大了浓度梯度芯片形成浓度梯度的冗余性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种结构简单、加工简易、稳定性好的的浓度梯度形成微流控装置，其目的在于克服现有浓度梯度形成微流控装置结构复杂，稳定性差的缺点，由此解决高通量药物筛选等实验的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于形成浓度梯度的装置，包括多组浓度形成通道，所述通道一端为出样口，另一端进样口，所述浓度形成通道按照进样到出样的方向依次布设有混合通道和反应腔室，每组浓度形成通道其进样口通过母液分流通道和缓冲液分流通道分别与母液储液池和缓冲液储液池相连，每组浓度形成通道，根据所要形成的目标浓度不同，其母液分流通道和缓冲液分流通道的长度比例不同；

工作时，控制所述浓度形成通道两端压力差相同，母液和缓冲液根据每组浓度形成通道所连接的母液分流通道和缓冲液分流通道长度，以不同的比例进入相应的浓度形成通道，经过其混合通道时，母液和缓冲液均匀混合，形成不同浓度的反应液，储存在反应腔室内。

优选的，所述用于形成浓度梯度的装置，其母液分流通道和缓冲液分流通道横截面宽度和高度相同，其母液分流通道和缓冲液分流通道的长度比例按照母液流量与缓冲液流量比例与其对应通道长度成反比确定。

优选的，所述用于形成浓度梯度的装置，其多组浓度形成通道共用同一出样口。

优选的，所述用于形成浓度梯度的装置，其多组浓度形成通道以出样口为中心，均匀径向排列。

优选的，所述用于形成浓度梯度的装置，工作时，所述出样口形成负压。

优选的，所述用于形成浓度梯度的装置，其混合通道为S型蜿蜒通道。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于形成浓度梯度的系统，包括所述的浓度梯度形成装置和负压形成装置，所述浓度梯度形成装置中所有浓度形成通道其出样口与负压形成装置的相连，所述浓度梯度形成装置的另一端处于相同气压下。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于采用不同长度比例的母液分流通道和缓冲液分流通道，来控制母液和缓冲液的比例，因此可方便的形成各种浓度的目标反应液，不需要通过复杂管道系统形成相应浓度；

(2)与传统的芯片方式相比，液体稀释后的浓度比完全由芯片结构所决定，大大提高了该芯片的稳定性；

(3)本发明所构思的浓度形成装置，结构紧凑，适用于小型或微型的浓度形成装置，应用广泛；

(4)所述装置一次性合流稀释的方式实现多浓度的稀释，本方法与多步分流合流的浓度梯度形成芯片相比，结构更为简单，冗余度更低，需要形成稳定浓度的微混合器更少。该装置为研究包含细胞多药耐药性等实验提供了一种新的途径，在多种基于细胞实验以及生物化学反应等领域具有广泛的应用前景；

(5)所述用于形成浓度梯度的系统通过一路负压实现系统进样和多路流体控制，与传统的两路进样方式相比，液体的流速不由进样的两路液体流速影响，泵和注射器所引发的不稳定脉冲不影响液体的稀释，大大提高了稳定性。

附图说明

图1是实施例1中的用于形成浓度梯度的装置结构示意图；

图2是实施例2中的用于形成浓度梯度的系统结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-8分为浓度形成通道，11为出样口，12为进样口，13为混合通道，14为反应腔室，15为母液分流通道，16为缓冲液分流通道，17为母液储液池，18为缓冲液储液池，20为用于形成浓度梯度的装置，21为微泵，22为传感器，23为手动阀，24为三通阀，25为气瓶，26为控制器，27为上位机，28为电耦合元件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的浓度梯度形成装置，包括多组浓度形成通道，所述通道一端为出样口11，另一端进样口12，所述浓度形成通道按照进样到出样的方向依次布设有混合通道13和混合通道13，每组浓度形成通道其进样口12通过母液分流通道15和缓冲液分流通道16分别与母液储液池17和缓冲液储液池18相连，每组浓度形成通道，根据所要形成的目标浓度不同，其母液分流通道15和缓冲液分流通道16的长度比例不同。

当母液分流通道15和缓冲液分流通道16横截面宽度和高度相同时，其母液分流通道15和缓冲液分流通道16的长度比例按照母液流量与缓冲液比例与其对应通道长度成反比确定，即

\frac{L_{b}}{L_{a}} = \frac{Q_{a}}{Q_{b}},

其中L_a为母液分流通道15长度，L_b缓冲液分流通道16长度、Q_a为母液流量、Q_b为缓冲液流量，则母液和缓冲液均匀混合后形成的目标浓度为：

C_{expected} = \frac{Q_{a} \times C_{a} + Q_{b} \times C_{b}}{Q_{a} + Q_{b}} = \frac{L_{a} \times C_{b} + L_{b} \times C_{a}}{L_{a} + L_{b}},

其中，C_expected为目标溶液浓度，Q_a和Q_b分别为母液流量和缓冲液流量，C_a和C_b分别为母液浓度和缓冲液浓度，L_a和L_b分别为母液分流通道15长度和缓冲液分流通道16长度。

优选地，所述多组浓度形成通道共用同一出样口11，多组浓度形成通道以出样口11为中心，均匀径向排列。

所述混合通道13，优选为S型蜿蜒通道。

工作时，控制所述浓度形成通道两端压力差相同，母液和缓冲液根据每组浓度形成通道所连接的母液分流通道15和缓冲液分流通道16长度，以不同的比例进入相应的浓度形成通道，经过其混合通道13时，母液和缓冲液均匀混合，形成不同浓度的反应液，储存在混合通道13内。

所述多组浓度形成通道共用同一出样口11时，在出样口11形成负压，而母液储液池17和缓冲液储液池18与空气联通，如此所述多组浓度形成通道两端压力始终保持为相同的压力差。

本发明提供的用于形成浓度梯度的系统，包括所述用于浓度梯度形成的装置和负压形成装置，所述浓度梯度形成装置中所有浓度形成通道其出样口11与负压形成装置的相连，所述浓度梯度形成装置的另一端处于相同气压下。

以下为实施例：

实施例1

一种浓度梯度形成装置，为微流控芯片，由聚二甲基硅氧烷薄层和基片键合而成。PDMS薄层上设有8组浓度形成通道，如图1所示，包括8组浓度形成通道，所述通道一端为出样口11，另一端进样口12，8组浓度形成通道共用同一出样口11，多组浓度形成通道以出样口11为中心，均匀径向排列。所述浓度形成通道按照进样到出样的方向依次布设有混合通道13和反应腔室14，每组浓度形成通道其进样口12通过母液分流通道15和缓冲液分流通道16分别与母液储液池17和缓冲液储液池17相连。所述混合通道13为S型蜿蜒通道。

每组浓度形成通道,根据所要形成的目标浓度不同，其母液分流通道15和缓冲液分流通道16的长度比例不同。母液分流通道15和缓冲液分流通道16横截面宽度和高度相同，宽度为200微米，高度为50微米。各组母液分流通道15和缓冲液分流通道16的长度，如表1所示。

工作时，在出样口11形成负压，负压范围在0.8kPa到4kPa之间，而母液储液池17和缓冲液储液池17与空气联通，如此所述多组浓度形成通道两端压力始终保持为相同的压力差。母液和缓冲液根据每组浓度形成通道所连接的母液分流通道15和缓冲液分流通道16长度，以不同的比例进入相应的浓度形成通道，经过其混合通道13时，母液和缓冲液均匀混合，形成不同浓度的反应液，储存在反应腔室14内，见表1。

表1浓度形成通道的目标浓度

注：其中，以母液浓度为1，缓冲液浓度为0。

PDMS与基片的键合的具体过程如下：将含有微通道的PDMS薄层与含有进样孔的洁净基片置于等离子体清洗器中处理(800V，2min)后，在键合面滴加少量超纯水，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2小时后得到PDMS芯片。

实施例2

一种用于形成浓度梯度的系统，如图2所示，包括如实施例1中的用于浓度梯度形成的装置和负压形成装置，所述浓度梯度形成装置中所有浓度形成通道其出样口11与负压形成装置的相连，所述浓度梯度形成装置的另一端处于相同气压下。

所述负压形成装置包括微泵21、传感器22、手动阀23、三通阀24和气瓶25。传感器一端插入气瓶内部，实时监控气瓶内气体压力，另一端连接控制器26将所监测压力值反馈；微泵21一段连接气瓶，用于调节气瓶内压力，另一端连接控制器26控制其开关；手动阀23连接在气瓶25，用于手动释放气瓶内压力；三通阀24一端连接气瓶，一端连接实施例1中的用于浓度梯度形成的装置20的出样口11，最后一个端口与大气连接，开启时连接所述用于浓度梯度形成的装置20与气瓶，关闭时连接所述用于浓度梯度形成的装置20与大气。

控制器26一边与传感器22和微泵21相连接，另一端与上位机27相连接，上位机27控制控制器26的开关，控制器26本身可以设置压力值，在开启状态下，当通过传感器22检测到的气瓶25内压力高于设定压力值时，控制器控制开启微泵21，微泵21运作降低气瓶内压力，传感器22检测到的气瓶内压力下降，当检测到压力低于设定值时，控制器26控制微泵21关闭，如此循环，保证气瓶中压力的稳定。上位机27连接控制器26控制控制器26的开关，同时连接电荷耦合元件28,通过成像软件控制结果的检测。

工作时，当三通阀24开启连接所述用于形成浓度梯度的装置20的出样口11和气瓶，手动阀23关闭，控制器26开启，所述用于浓度梯度形成的装置20出样口11形成负压，从而在个反应腔室14内形成目标浓度的反应液。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，包括多组浓度形成通道，所述通道一端为出样口，另一端进样口，所述浓度形成通道按照进样到出样的方向依次布设有混合通道和反应腔室，每组浓度形成通道其进样口通过母液分流通道和缓冲液分流通道分别与母液储液池和缓冲液储液池相连，每组浓度形成通道，根据所要形成的目标浓度不同，其母液分流通道和缓冲液分流通道的长度比例不同；

2.如权利要求1所述的用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，母液分流通道和缓冲液分流通道横截面宽度和高度相同，其母液分流通道和缓冲液分流通道的长度比例按照母液流量与缓冲液流量比例与其对应通道长度成反比确定。

3.如权利要求1所述的用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，所述多组浓度形成通道共用同一出样口。

4.如权利要求3所述的用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，所述多组浓度形成通道以出样口为中心，均匀径向排列。

5.如权利要求3所述的用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，工作时，所述出样口形成负压。

6.如权利要求1所述的用于形成浓度梯度的装置，其特征在于，所述混合通道为S型蜿蜒通道。

7.一种用于形成浓度梯度的系统，其特征在于，包括如权利要求1至4任意一项所述的用于形成浓度梯度的装置和负压形成装置，所述用于形成浓度梯度的装置中所有浓度形成通道其出样口与负压形成装置的相连，所述浓度梯度形成装置的另一端处于相同气压下。