CN104962471B - 一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法。所述浓度梯度发生器通过软光刻方法进行加工，结构上包括两个入口、一个出口、一条主通道及一系列经过特殊结构设计的平行于主通道的分流板。通过分流板使流体实现多次分离与混合，从而在分流板的下游建立一定的浓度梯度。最终形成的浓度梯度由分流板的结构位置决定，而分流板出口处浓度梯度的分辨率则由分流板的级数决定，级数越多，分辨率越高。每一级所包含的分流板的数量按指数方式增加。所述浓度梯度发生器可以实现任意单调函数的浓度梯度建立，且只需要两个流体入口，结构紧凑，产生的浓度梯度稳定，可用于微生物趋化研究以及药物筛选等生物、制药及医学工程领域。
Description
技术领域
本发明涉及微流体芯片及其生物、医学、制药工程等应用领域，尤其涉及一种基于微流控技术的浓度梯度产生装置及其设计方法。
背景技术
在细胞生物学研究中，药物或者生物因子对细胞的行为具有重要的影响。为了对这些行为进行体外研究，常需要在细胞所处的环境中建立一定的浓度梯度，为此需要一个浓度梯度产生装置。微流控系统被广泛应用于细胞的各种体外研究，且尺度微小，流动稳定且分子扩散速度慢，适合于保持稳定的浓度梯度。因此，基于微流控技术的浓度梯度发生器引起了有关行业的广泛关注。
对流型微流控浓度梯度发生器是最常见的浓度梯度发生器类型，其基于流体的多次分离与混合，可以实现单调或者非单调的浓度梯度建立。在传统的对流型浓度梯度器中，每一级所包含的通道数量随着级数而按线性的方式增长，混合通道数量很多，而且要提高出口浓度梯度的分辨率就意味着设备的复杂性大大提高。此外，为了在一条混合通道中实现完全的混合，混合通道一般都很长或者需要单独的微混合器。实现稍复杂的浓度梯度则常常需要设置多个入口。这些都是对流型浓度梯度发生器常见的缺点。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明提供了一种结构紧凑的二入口浓度梯度发生器及其设计。其目的是实现任意单调函数浓度梯度的建立，并简化结构，提高精度，为相应的细胞体外研究提供技术上的支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种改进型二入口浓度梯度发生器，一端为两个入口通道，其与主通道连接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板；所述分流板是指平行于长度方向，用于分隔流体的长条形结构；将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级；第1级含有1块分流板，第2级含有2块分流板，第i级含有2i-1块分流板，即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长；所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定；第1级的分流板将主通道隔离成两条通道，这两条通道分别与两个入口通道相连；最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定，且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列；第i级分流板将主通道分为2i‐1+1个小通道，第1个和第2i‐1+1个小通道的流体在下一级分为两股流体，一股继续沿壁面流动，另一股与相邻流体混合形成新的浓度；第2个至第2i‐1个小通道的流体在下一级分为三股流体，其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度，另一股直接进入下一级而不改变浓度。
分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算，公式如下：Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)，其中Cn,m为第n级的第m个通道的浓度，Cn,m-1为第n级的第m-1个通道的浓度，Cn+1,2m-2为第n+1级的第2m-2个通道的浓度，w1为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-3个分流板在垂直于主通道方向上的距离，w2为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-2个分流板在垂直于主通道方向上的距离；每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定，公式如下：L＝v·wm 2/D，其中wm为该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度，v为入口平均流速，D为溶质的扩散系数；最后一级分流板之后为一段空的主通道，其另一侧与出口通道连接；主通道的宽度为W，高度H小于等于W/10；分流板的宽度小于等于W/20。
对于给定的目标浓度梯度函数，所述二入口浓度梯度发生器的设计方法如下：
(1)将目标浓度梯度函数归一化处理，即得到定义域与值域都为[0,1]的目标浓度梯度函数f(x)；
(2)确定分辨率α，根据分辨率α大于等于最后一级分流板处相邻通道的最大浓度差的原则，确定分流板的总级数N。公式如下：α≥max{f((j+1)/2N-1)-f(j/2N-1)}，j为最后一级的通道序号，j＝1～2N-1+1，得到最后一级的分流板数目为2N-1块；确定最后一级分流板处每条通道的归一化浓度CN,j＝f((j-1)/2N-1)；
(3)确定主通道的宽度W和高度H，并根据最后一级分流板在宽度方向上均匀布置的原则，计算出最后一级的每个分流板在宽度方向上距离主通道壁面的距离为kW/(2N-1+1)，其中k为最后一级的分流板的序号，k＝1～2N-1；
(4)根据质量守恒定律Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)以及Cn,m＝Cn+1,2m-1计算倒数第二级每一块分流板在宽度方向上的位置，依次类推，直至计算得到第1级的分流板的位置；
(5)确定实验中所需的主通道流体流量Q，计算出通道中的平均流速v＝Q/WH；根据公式L＝v·wm2/D计算得到每一级分流板的长度L，从而根据给定的目标浓度梯度函数，完成所需的二入口浓度梯度发生器的设计。
本发明的有益效果在于：
(1)相比于传统的对流型浓度梯度发生器，本发明改进了两级间流体的传递方式，从而使得在相同的分辨率下所需的级数显著减少。换言之，在相同的级数或相同的混合通道数量下，最终产生的浓度梯度的分辨率得到了显著的提高，从而使得设备的结构得到简化。
(2)相较于类似结构的对流型浓度梯度发生器，本发明改进了分流板出口处的浓度梯度对目标浓度梯度的逼近方式，使最后一级分流板在宽度方向上均匀分布，有利于整个流场流动的平衡，从而使得产生的浓度梯度的准确度提高。
(3)本发明所述的设备及其设计方法可适用于任意的单调浓度梯度的产生，通用性广。多个所述结构的组合还可形成非单调的浓度梯度。
(4)设备仅需要单独控制的两个入口通道，对外接仪器设备的要求较低。
附图说明
图1二入口浓度梯度发生器结构的平面图；
图2相邻两级间流体的传递方式示意图；
图3所述浓度梯度发生器中所建立的指数浓度梯度的实验结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。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。
如图1所示，本发明一种改进型二入口浓度梯度发生器，一端为两个入口通道，其与主通道连接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板，该区域为浓度梯度建立区，目标浓度梯度由分流板区域出口处得到的分段函数逼近获得；所述分流板是指如图1中所示的平行于长度方向，用于分隔流体的长条形结构；将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级；第1级含有1块分流板，第2级含有2块分流板，第i级含有2i-1块分流板，即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长；所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定；第1级的分流板将主通道隔离成两条通道，这两条通道分别与两个入口通道相连；最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定，且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列；第i级分流板将主通道分为2i‐1+1个小通道，第1个和第2i‐1+1个小通道的流体在下一级分为两股流体，一股继续沿壁面流动，另一股与相邻流体混合形成新的浓度；第2个至第2i‐1个小通道的流体在下一级分为三股流体，其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度，另一股直接进入下一级而不改变浓度。
如图2所示，分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算，公式如下：Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)，其中Cn,m为第n级的第m个通道的浓度，Cn,m-1为第n级的第m-1个通道的浓度，Cn+1,2m-2为第n+1级的第2m-2个通道的浓度，w1为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-3个分流板在垂直于主通道方向上的距离，w2为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-2个分流板在垂直于主通道方向上的距离；每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定，公式如下：L＝v·wm 2/D，其中wm为该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度，v为入口平均流速，D为溶质的扩散系数；最后一级分流板之后为一段空的主通道，其另一侧与出口通道连接；主通道的宽度为W，高度H小于等于W/10；分流板的宽度小于等于W/20。
所述二入口浓度梯度发生器的制作方法为：先根据图纸结构光刻出模具，再用PDMS制作含有所述结构的基片，然后用等离子处理使其与盖片键合，最后在出入口通道处通过打孔与其他设备连接。
对于给定的目标浓度梯度函数，所述二入口浓度梯度发生器的设计方法如下：
(1)将目标浓度梯度函数归一化处理，即得到定义域与值域都为[0,1]的目标浓度梯度函数f(x)；
(2)根据需要确定分辨率α，根据分辨率α大于等于最后一级分流板处相邻通道的最大浓度差的原则，确定分流板的总级数N。公式如下：α≥max{f((j+1)/2N-1)-f(j/2N-1)}，j为最后一级的通道序号，j＝1～2N-1+1，得到最后一级的分流板数目为2N-1块；确定最后一级分流板处每条通道的归一化浓度CN,j＝f((j-1)/2N-1)；
(3)根据需要及加工精度确定主通道的宽度W和高度H，并根据最后一级分流板在宽度方向上均匀布置的原则，计算出最后一级的每个分流板在宽度方向上距离主通道壁面的距离为kW/(2N-1+1)，其中k为最后一级的分流板的序号，k＝1～2N-1；
(4)根据质量守恒定律Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)以及Cn,m＝Cn+1,2m-1计算倒数第二级每一块分流板在宽度方向上的位置，依次类推，直至计算得到第1级的分流板的位置；
(5)根据需要以及仪器精度确定实验中所需的主通道流体流量Q，计算出通道中的平均流速v＝Q/WH；根据公式L＝v·wm 2/D计算得到每一级分流板的长度L，从而根据给定的目标浓度梯度函数，完成所需的二入口浓度梯度发生器的设计。
实施例1：二次函数y＝x2浓度梯度发生器的设计
(1)目标函数本身已经归一化，即f(x)＝x2。取分辨率为0.5，则根据α＝0.5≥max{f((j+1)/2N-1)-f(j/2N-1)}，得N≥4，取N＝4，则共有4级，第4级共有8块分流板。
(2)浓度梯度发生器的主通道宽度为400μm，根据最后一级分流板均匀分布的原则，可计算得第4级的8块分流板距离主通道壁面的距离分别为44.4、88.9、133.3、177.8、222.2、266.7、311.1以及355.6μm。
(3)根据Cn,m＝Cn+1,2m-1可知，第3级的第1条通道浓度C3,1＝C4,1＝f(0/23)＝0，第2条通道浓度C3,2＝C4,3＝f(2/23)＝1/16。而第4级的第2条通道浓度C4,3＝f(1/23)＝1/64。根据Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)得到1/16·w1+0·w2＝1/64·(w1+w2)，加之w1+w2＝44.5μm，可以解得，w2＝33.4μm，从而第3级的第1条通道距离主通道壁面的距离为77.88μm。依次类推，可以得到所有分流板在宽度上的位置。
(4)根据上述计算得到的第2级的最宽通道宽度为175.8μm，取平均流速v＝20μm/s，扩散系数D＝1e-10m2/s，按L＝v w2/D计算得到第2级分流板的长度为1545μm。依次类推，计算得到每一级的分流板的长度。第1级的分流板长度根据需要设定，本实施例设定为100μm。
实施例2：指数函数y＝e2x浓度梯度发生器的设计
(1)将目标函数归一化为f(x)＝(e2x-1)/(e2-1)，取分辨率为0.5，则根据α＝0.5≥max{f((j+1)/2N-1)-f(j/2N-1)}，得N≥4，取N＝4，则共有4级，第4级共有8块分流板。
(2)浓度梯度发生器的主通道宽度为400μm，根据最后一级分流板均匀分布的原则，计算得第4级的8块分流板距离主通道壁面的距离分别为44.4、88.9、133.3、177.8、222.2、266.7、311.1以及355.6μm。
(3)根据Cn,m＝Cn+1,2m-1可知，第3级的第1条通道浓度C3,1＝C4,1＝f(0/23)＝0，第2条通道浓度C3,2＝C4,3＝f(2/23)＝0.1015。而第4级的第2条通道浓度C4,3＝f(1/23)＝0.0445。根据Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)得到0.1015·w1+0·w2＝0.0445·(w1+w2)，加之w1+w2＝44.5μm，可以解得，w1＝25μm，从而第3级的第1条通道距离主通道壁面的距离为69.4μm。依次类推，得到所有分流板在宽度上的位置。
(4)根据上述计算得到的第2级的最宽通道宽度为167.8μm，取平均流速v＝20μm/s，扩散系数D＝1e-10m2/s，按L＝v w2/D计算得到第2级分流板的长度为1474μm。依次类推，计算得到每一级的分流板的长度。第1级的分流板长度根据需要设定，本实施例设定为100μm。
实施例3：二入口浓度梯度产生器的制备
(1)光刻：用AutoCAD绘制微通道图案，再将图案输出到胶片上，采用标准光刻技术将微通道图案转移到SU-8负光胶的硅基片模板上，坚膜处理后即形成由微通道图案的阳模；
(2)图形转移：将PDMS预聚物和交联剂按照质量比10:1均匀混合，水平浇注到光刻所得的SU-8模具上，放入真空箱中15分钟出去气泡，然后放入70℃烘箱中加热2小时，直至固化后取出。切割和剥离PDMS，然后用打孔器在各个入口和出口通道处打孔；
(3)键合：将带有微结构的PDMS基片与清洁并干燥处理的玻璃盖片用等离子机进行永久性键合，从而形成封闭微通道，完成浓度梯度器芯片的制作。
实施例4：指数函数二入口浓度梯度器的使用
(1)配制5mg/L的异硫氰酸荧光素(FITC)水溶液作为高浓度溶液。将两个入口分别与两台注射泵连接，出口通道与废液池连接。浓度梯度发生器的主通道宽度为1600μm，取分辨率为0.5。
(2)取平均流速v＝20μm/s，入口一注入5mg/L的FITC溶液，入口二注入去离子水。入口一的流量为20.16nL/min，入口二的流量为35.88nL/min。
(3)结果获取：将浓度梯度发生器置于荧光显微镜下，取第4级分流板下游100μm处拍照，根据荧光强度分析产生的浓度梯度。归一化处理后得到的实验结果如图3中的曲线所示。
Claims (1)
1.一种改进型二入口浓度梯度发生器，其特征在于，一端为两个入口通道，其与主通道连接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板；所述分流板是指平行于长度方向，用于分隔流体的长条形结构；将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级；第1级含有1块分流板，第2级含有2块分流板，第i级含有2i-1块分流板，即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长；所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定；第1级的分流板将主通道隔离成两条通道，这两条通道分别与两个入口通道相连；最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定，且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列；第i级分流板将主通道分为2i‐1+1个小通道，第1个和第2i‐1+1个小通道的流体在下一级分为两股流体，一股继续沿壁面流动，另一股与相邻流体混合形成新的浓度；第2个至第2i‐1个小通道的流体在下一级分为三股流体，其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度，另一股直接进入下一级而不改变浓度；
分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算，公式如下：Cn,m-1·w1+Cn,m·w2＝Cn+1,2m-2·(w1+w2)，其中Cn,m为第n级的第m个通道的浓度，Cn,m-1为第n级的第m-1个通道的浓度，Cn+1,2m-2为第n+1级的第2m-2个通道的浓度，w1为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-3个分流板在垂直于主通道方向上的距离，w2为第n级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-2个分流板在垂直于主通道方向上的距离；每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定，公式如下：L＝v·wm 2/D，其中wm为该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度，v为入口平均流速，D为溶质的扩散系数；最后一级分流板之后为一段空的主通道，其另一侧与出口通道连接；主通道的宽度为W，高度H小于等于W/10；分流板的宽度小于等于W/20。
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