CN105032511B

CN105032511B - 一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片

Info

Publication number: CN105032511B
Application number: CN201510526216.6A
Authority: CN
Inventors: 孟宪生; 徐为峰; 包永睿; 王帅
Original assignee: Liaoning University of Traditional Chinese Medicine
Current assignee: Zhejiang Hongrui Medical Technology Co ltd
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: CN105032511A

Abstract

一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，由第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层构成；所述第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层依次经不可逆键合形成一整体结构；所述第一PDMS薄膜层由若干组微阀及微阀的控制通道组成，每组微阀中包含两个微阀；所述第二PDMS薄膜层上包括：第一液体入口、第二液体入口、第一液体出口、第二液体出口、第一主流体通道、第二主流体通道、第一分支流体通道单元、第二分支流体通道单元、第一液体通道、以及第二液体通道。本发明提供的微流控芯片，通过对各个微阀的开闭进行控制，在芯片上产生不同的浓度，且可以同时作用于两块下游芯片以进行实验，可以有效地避免气泡的产生，同时避免了生成的浓度不稳定等问题。

Description

一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，尤其涉及一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片。

背景技术

在微流控芯片中生成浓度梯度，是微流控芯片用于药物筛选及生物化学反应的最大优势之一，目前广泛使用的微流控芯片中的浓度梯度生成结构是“圣诞树”结构及其变形结构，其基本原理是：当存在浓度差的两种流体通过设计好的微通道网络，溶液经过多次重复地分离、混合后，每个支路包含不同比例的原溶液，最终溶液在圣诞树形的网络结构底部形成浓度梯度。而这样结构的微流控芯片也存在一定的问题，例如，在液体通道中容易产生气泡，导致不同通道中的液体量不同，从而造成浓度的不准确；由于通道中曲折结构较多，通道总长度较大，一旦其中一个流体通道任意位置发生了堵塞，则整个芯片中产生的浓度梯度将不再准确；当需要较多的浓度梯度时，芯片体积将随着“圣诞树”层数的增加而大幅加大，而若只需要使用其中一个出口流出的一种浓度时，其他出口产生的液体也只能随之全部流出，成为废液，导致成本加大、实验准确性和可重复性下降。这些问题都是在微流控芯片药物筛选及生化反应领域中必须面对和亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，用以在微流控系统中提供浓度准确稳定、灵活可控、易于集成的浓度梯度。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，从上至下依次由第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层构成；所述第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层依次经不可逆键合形成一整体结构。第一PDMS薄膜层与第二PDMS薄膜层的预聚物与固化剂的比例不同，经加热固化形成一整体，与玻璃底层通过不可逆键合形成完整的芯片。

所述第一PDMS薄膜层由若干组微阀及微阀的控制通道组成，每组微阀中包含两个微阀，所述两个微阀共线，且以芯片中心点成中心对称；所述微阀及各阀的控制通道，其上各处的截面为矩形，结构、长度、高度和对应位置的截面积均相同；所述微阀及阀的控制通道高度均为50～200um，微阀宽200～1500um，阀的控制通道宽50～200um。

所述第二PDMS薄膜层上包括：第一液体入口、第二液体入口、第一液体出口、第二液体出口、第一主流体通道、第二主流体通道、第一分支流体通道单元、第二分支流体通道单元、第一液体通道、以及第二液体通道；所述第一主流体通道、第二主流体通道、第一分支流体通道单元、以及第二分支流体通道单元位于第一液体入口、第二液体入口的连线上，且位于第一液体出口、第二液体出口的中垂线上；所述第一液体通道与第二液体通道位于第一液体出口、第二液体出口的连线上。

所述第一主流体通道的一端与第一液体入口相连通，另一端与第一分支流体通道单元相连通；所述第二主流体通道的一端与第二液体入口相连通，另一端与第二分支流体通道单元相连通。

所述第一分支流体通道单元与第二分支流体通道单元均包括若干路平行等长的分支流体通道，且其中一半分支流体通道均与第一液体通道的一端相连通，另外一半分支流体通道均与第二液体通道的一端相连通；所述第一液体通道的另一端与第一液体出口相连通，所述第二液体通道的另一端与第二液体出口相连通。

所述微阀与分支流体通道之间通过第二PDMS薄膜层隔开；所述每一微阀通过阀的控制通道单独控制一个分支流体通道的开启与关闭；所述微阀、阀的控制通道、及分支流体通道的数量相同。

所述第一液体通道与第二液体通道均为曲折形状，通道高度均为50～200um，宽度均为200～800um；所述第二PDMS薄膜上的第一主流体通道、第二主流体通道、第一分支流体通道单元中每个分支流体通道、第二分支流体通道单元中每个分支流体通道、第一液体通道、第二液体通道的通道高度相同，均为50～200um；所述第一主流体通道与第一液体入口的相连处、及第二主流体通道与第二液体入口的相连处，宽度为200～400um，随后渐变加宽至1000～2000um；所述每个分支流体通道的长度、宽度、高度、结构均相同，宽度均为50～200um，每两个相邻的分支流体通道的间隔为10～100um。

与现有技术相比本发明的有益效果。

本发明提供的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，通过对各个微阀的开闭进行控制，在芯片上产生不同的浓度，且可以同时作用于两块下游芯片以进行实验。由于在该芯片中，流体没有经过长距离曲折的流动，因而可以有效地避免气泡的产生，同时避免了生成的浓度不稳定等问题。此外，利用该芯片可以根据实验需要选择单一确定的浓度，避免了液体浪费。

附图说明

图1为本发明微流控芯片整体结构示意图。

图2为微阀全部开启，食用色素溶液充满流体通道示意图。

图3为测试实验1，开启微阀1a、5a、6a、7a、8a、1b、5b、6b、7b、8b。

图4为测试实验2，开启微阀1a、2a、5a、1b、2b、5b。

图5为测试实验3，开启微阀1a、2a、3a、5a、6a、7a、8a、1b、2b、3b、5b、6b、7b、8b。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。

请参阅图1，本实施例提供一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，从上至下依次由第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层构成；所述第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层依次经不可逆键合形成一整体结构。第一PDMS薄膜层与第二PDMS薄膜层的PDMS预聚物与PDMS专用固化剂（美国道康宁公司sylgard184）的质量比不同（第一PDMS薄膜层为8:1，第二PDMD薄膜层为15:1），经加热固化形成一整体，再与玻璃底层通过不可逆键合形成完整的芯片。

所述第一PDMS薄膜层上设有16个可独立控制的气动微阀1及每一气动微阀的控制通道2，其中每两个以芯片中心点成中心对称的气动微阀为一组，共分为8组，每组气动微阀中包含的两个气动微阀共线，可进行联动控制。

所述16个气动微阀1及各阀的控制通道2，各处的纵向截面为矩形；各个微阀与阀的控制通道的结构、长度、高度和对应位置的截面积均相同，以保证其中的流体受到的流阻大小相同；所述气动微阀1及阀的控制通道2高度为80um，气动微阀1宽300um，阀的控制通道2宽200um。

所述第二PDMS薄膜层上设有第一液体入口3、第二液体入口4、第一液体出口5、第二液体出口6、第一主流体通道7、第二主流体通道8、第一分支流体通道单元9、第二分支流体通道单元10、第一液体通道11、以及第二液体通道12；所述第一主流体通道7的一端与第一液体入口3相连通，另一端与第一分支流体通道单元9相连通；所述第二主流体通道8的一端与第二液体入口4相连通，另一端与第二分支流体通道单元10相连通；所述第一分支流体通道单元9与第二分支流体通道单元10均包括8路平行等长的分支流体通道13，且其中4路分支流体通道13均与第一液体通道11的一端相连通，另外4路分支流体通道13均与第二液体通道12的一端相连通；所述第一液体通道11的另一端与第一液体出口5相连通，所述第二液体通道12的另一端与第二液体出口6相连通。

所述第一主流体通道7、第二主流体通道8、第一分支流体通道单元9、以及第二分支流体通道单元10位于第一液体入口3、第二液体入口4的连线上，且位于第一液体出口5、第二液体出口6的中垂线（垂直平分线）上。

第二PDMS薄膜上的第一主流体通道7、第二主流体通道8、第一分支流体通道单元9中每个分支流体通道13、第二分支流体通道单元10中每个分支流体通道13、第一液体通道11、第二液体通道12的高度相同，均为80um。

第一主流体通道7与第一液体入口3的相连处、及第二主流体通道8与第二液体入口4的相连处，宽度为200um，随后渐变加宽至1500um。

所述每个分支流体通道13的长度、宽度、高度、结构均相同，宽度均为100um，每两个相邻的分支流体通道13的间隔为50um。

所述第一液体出口5、第二液体出口6位于流体通道的中垂线（垂直平分线）上；所述第一液体通道11与第二液体通道12均为曲折形状，通道高度均为80um，宽度均为300um。

所述16个气动微阀1分别与16个分支流体通道13一一对应，分别控制每个分支流体通道13的开启与关闭，即一个气动微阀1单独控制一个分支流体通道13的开启与关闭。

所述气动微阀1与分支流体通道13之间通过第二PDMS薄膜层隔开。

为进一步验证本发明的有益效果，本发明提供以下实验案例。

芯片中浓度梯度的生成实验：请参阅图1，每两个以芯片中心点成中心对称的气动微阀1为一组，16个微阀共分为8组，分别命名为1a、1b；2a、2b；3a、3b；4a、4b；5a、5b；6a、6b；7a、7b；8a、8b；每组的两个气动微阀联动控制，同时开闭。请参阅图2，为气动微阀全部开启，蓝色食用色素溶液充满流体通道示意图。

向第一液体入口3持续通入荧光素钠（荧光素钠浓度为1mg/ml），向第二液体入口4持续通入去离子水（荧光素钠浓度为0mg/ml），按表2所示顺序控制各组微阀的开启与关闭，在第一液体出口5、第二液体出口6处根据荧光强度测量流出液体的浓度（mg/ml）。请参阅图3-5，其中图3为开启微阀1a、5a、6a、7a、8a、1b、5b、6b、7b、8b，自第一液体出口5流出的荧光素钠浓度为0.22 mg/ml，自第二液体出口6流出的荧光素钠浓度为0.77 mg/ml；图4为开启微阀1a、2a、5a、1b、2b、5b，自第一液体出口5流出的荧光素钠浓度为0.65 mg/ml，自第二液体出口6流出的荧光素钠浓度为0.33 mg/ml；图5为开启微阀1a、2a、3a、5a、6a、7a、8a、1b、2b、3b、5b、6b、7b、8b，自第一液体出口5流出的荧光素钠浓度为0.43 mg/ml，自第二液体出口6流出的荧光素钠浓度为0.54 mg/ml 。

表1：各组阀开闭状态与生成浓度值关系表（理论值）。

开启的阀组	第一液体出口浓度	第二液体出口浓度
			5a,6a,7a,8a,5b,6b,7b,8b	0	1
1a,5a,6a,7a,8a,1b,5b,6b,7b,8b	0.2	0.8
			1a,5a,6a,7a,1b,5b,6b,7b	0.25	0.75
1a,5a,6a,1b,5b,6b	0.33	0.67
			1a,2a,5a,6a,7a,1b,2b,5b,6b,7b	0.4	0.6
1a,2a,3a,5a,6a,7a,8a,1b,2b,3b,5b,6b,7b,8b	0.43	0.57
			1a,5a,1b,5b	0.5	0.5
1a,2a,3a,4a,5a,6a,7a,1b,2b,3b,4b,5b,6b,7b	0.57	0.43
			1a,2a,3a,5a,6a,1b,2b,3b,5b,6b	0.6	0.4
1a,2a,5a,1b,2b,5b	0.67	0.33
			1a,2a,3a,5a,1b,2b,3b,5b	0.75	0.25
1a,2a,3a,4a,5a,1b,2b,3b,4b,5b	0.8	0.2
			1a,2a,3a,4a,1b,2b,3b,4b	1	0

表2：各组阀开闭状态与生成浓度值关系表（实测值）。

开启的阀组	第一液体出口浓度	第二液体出口浓度
			5a,6a,7a,8a,5b,6b,7b,8b	0	1
1a,5a,6a,7a,8a,1b,5b,6b,7b,8b	0.22	0.77
			1a,5a,6a,7a,1b,5b,6b,7b	0.26	0.72
1a,5a,6a,1b,5b,6b	0.35	0.68
			1a,2a,5a,6a,7a,1b,2b,5b,6b,7b	0.42	0.62
1a,2a,3a,5a,6a,7a,8a,1b,2b,3b,5b,6b,7b,8b	0.43	0.54
			1a,5a,1b,5b	0.52	0.52
1a,2a,3a,4a,5a,6a,7a,1b,2b,3b,4b,5b,6b,7b	0.54	0.46
			1a,2a,3a,5a,6a,1b,2b,3b,5b,6b	0.62	0.40
1a,2a,5a,1b,2b,5b	0.65	0.33
			1a,2a,3a,5a,1b,2b,3b,5b	0.75	0.25
1a,2a,3a,4a,5a,1b,2b,3b,4b,5b	0.81	0.22
			1a,2a,3a,4a,1b,2b,3b,4b	1	0

按照上述方法进行实验，由表1、表2可知，获得的13个不同的浓度实验数据与理论值基本相同，证明该发明具有数据准确稳定、灵活可控、易于集成的特点。

综上所述，该芯片根据不同需要，通过阀控，可自动产生13种浓度梯度中的任意浓度。本发明具有操作灵活简单、运行可靠、数据稳定、易于集成、制作成本低等优点，为基于微流控芯片的实验提供一个新的研究平台。

Claims

1.一种可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，从上至下依次由第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层构成；所述第一PDMS薄膜层、第二PDMS薄膜层及玻璃底层依次经不可逆键合形成一整体结构；

所述第一PDMS薄膜层由若干组微阀（1）及微阀的控制通道（2）组成，每组微阀中包含两个微阀，所述两个微阀共线，且以芯片中心点成中心对称；

所述第二PDMS薄膜层由第一液体入口（3）、第二液体入口（4）、第一液体出口（5）、第二液体出口（6）、第一主流体通道（7）、第二主流体通道（8）、第一分支流体通道单元（9）、第二分支流体通道单元（10）、第一液体通道（11）、以及第二液体通道（12）构成；

所述第一主流体通道（7）的一端与第一液体入口（3）相连通，另一端与第一分支流体通道单元（9）相连通；所述第二主流体通道（8）的一端与第二液体入口（4）相连通，另一端与第二分支流体通道单元（10）相连通；

所述第一分支流体通道单元（9）与第二分支流体通道单元（10）均由若干路平行等长的分支流体通道（13）组成，且其中一半分支流体通道（13）均与第一液体通道（11）的一端相连通，另外一半分支流体通道（13）均与第二液体通道（12）的一端相连通；所述第一液体通道（11）的另一端与第一液体出口（5）相连通，所述第二液体通道（12）的另一端与第二液体出口（6）相连通；

所述微阀（1）与分支流体通道（13）之间通过第二PDMS薄膜层隔开；所述每一微阀（1）通过阀的控制通道（2）单独控制一个分支流体通道（13）的开启与关闭。

2.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，第一PDMS薄膜层与第二PDMS薄膜层的预聚物与固化剂的比例不同，经加热固化形成一整体，再与玻璃底层通过不可逆键合形成完整的芯片。

3.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述第一主流体通道（7）、第二主流体通道（8）、第一分支流体通道单元（9）、以及第二分支流体通道单元（10）位于第一液体入口（3）、第二液体入口（4）的连线上，且位于第一液体出口（5）、第二液体出口（6）的中垂线上；所述第一液体通道（11）与第二液体通道（12）位于第一液体出口（5）、第二液体出口（6）的连线上。

4.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述第一PDMS薄膜层上包括16个可独立控制的微阀（1），所述微阀（1）为气动微阀。

5.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述微阀（1）及各阀的控制通道（2），其上各处的截面为矩形，结构、长度、高度和对应位置的截面积均相同；所述微阀（1）及阀的控制通道（2）高度均为50～200μm，微阀（1）宽200～1500μm，阀的控制通道（2）宽50～200μm。

6.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述微阀（1）、阀的控制通道（2）、及分支流体通道（13）的数量相同。

7.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述第一液体通道（11）与第二液体通道（12）均为曲折形状，通道高度均为50～200μm，宽度均为200～800μm。

8.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述第二PDMS薄膜上的第一主流体通道（7）、第二主流体通道（8）、第一分支流体通道单元（9）中每个分支流体通道（13）、第二分支流体通道单元（10）中每个分支流体通道（13）、第一液体通道（11）、第二液体通道（12）的通道高度相同，均为50～200μm。

9.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述第一主流体通道（7）与第一液体入口（3）的相连处、及第二主流体通道（8）与第二液体入口（4）的相连处，宽度为200～400μm，随后渐变加宽至1000～2000μm。

10.如权利要求1所述的可控化产生稳定浓度梯度的微流控芯片，其特征在于，所述每个分支流体通道（13）的长度、宽度、高度、结构均相同，宽度均为50～200μm，每两个相邻的分支流体通道（13）的间隔为10～100μm。