CN106582901B - 一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法，该器件包含：设置在衬底上的沟道系统；及，用于密封该沟道系统的盖板；其中，该沟道系统包含：扩散沟道，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；上述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；上述的出口沟道包含若干对应上述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。本发明提供的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件具有设计新颖、控制简单、自动化程度高、输出精度高、对溶液内其他物质浓度没有影响等特点，极大地拓展了微流控技术及现场快速检测技术等的集成化程度与应用范围。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，涉及基于液体层流结构的微流控技术及离子物质在液体内部的扩散过程，具体涉及一种基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法。
背景技术
芯片实验室可简单定义为能够完成生物化学处理的各个过程、能自动完成传统实验室功能的微小化、集成化微电子机械系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等优点，在生物、化学等许多领域具有非常好的前景。
作为芯片实验室的动力部分，微流控技术具有驱动方式简单、驱动力强、自动化程度高、试剂消耗少等许多优点，但存在功能单一、集成度低、依赖外部设备等不足。
溶液中的各类离子的浓度在生物、化学等诸多领域极为重要，直接关系到液体导电率、渗透压、对电信号的响应程度等关键参数。而现有的调控液体中离子浓度的过程往往仍是在片外手工进行，通过片上稀释或混合等方式会在调节离子浓度的同时改变其原有其他溶质的浓度，这极大地限制了便携设备及芯片实验室等的集成化发展及其在实用领域的推广。因此在微流控芯片中实现对溶液离子浓度调控功能的集成有着极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够精准调控液体内部离子的浓度而不会影响溶液内原有其他溶质浓度，同时又能够与现有微流控技术相兼容的集成化数字微流控芯片，进而在改进现有微流控功能器件的基础上扩大数字微流控技术的应用范围。
为达到上述目的，本发明提供了一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，该器件包含：
设置在衬底上的沟道系统；及
用于密封该沟道系统的盖板；
其中，该沟道系统包含：扩散沟道，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；
所述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；所述的出口沟道包含若干对应所述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。
优选地，所述的入口沟道由呈角度设置的第一入口沟道及第二入口沟道构成，该第一入口沟道作为缓冲液入口，第二入口沟道作为待调控溶液入口；所述的出口沟道由呈角度设置的第一出口沟道及第二出口沟道构成，该第一出口沟道作为缓冲液出口，该第二出口沟道作为待调控溶液出口。
缓冲液与待调控溶液分别自入口沟道流入扩散沟道，在扩散沟道中形成层流结构(层流结构内的两股液体平行流动且不互溶。通过调节流入液体的流速、沟道尺寸等，使得流入的两股液体形成层流结构)，待在扩散沟道内完成预定离子扩散再分布后，分别由各自出口沟道流出。
优选地，所述的角度均小于90°。
所述入口沟道、出口沟道及扩散沟道的形状、尺寸以及其相对位置并不严格限定，以实现其功能为设计准则，但缓冲液入口沟道和待调控溶液入口沟道所成角度应保证液体可以形成二相的层流结构，扩散沟道的形状和尺寸应保证二相的层流结构在其内部的稳定。
所述的沟道系统及上(或下)盖板的材料并不固定，理论上可使用任何能够加工出相应沟道结构的材料，常用的包括但不限于PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、硅、玻璃中的任意一种或任意两种以上的组合。
本发明还提供了一种根据上述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的制备方法，该方法包含：
步骤1，在衬底上制备包含入口沟道、出口沟道和扩散沟道的沟道系统；
步骤2，密封沟道系统：采用盖板与沟道系统粘合密封；
步骤3，使入口沟道和出口沟道分别与外部压力控制设备相连，通过该外部压力控制设备控制通过入口沟道进入的扩散沟道的若干路溶液为层流结构，依靠溶液内待调控离子在浓度梯度作用下的扩散现象实现离子再分布。
本发明还提供了一种上述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的使用方法，该方法包含：
步骤1，使若干路包含不同浓度的待调控离子的溶液(待调控溶液及缓冲液)分别自入口沟道进入扩散沟道；
步骤2，通过连接入口沟道的外部压力控制设备控制进入扩散沟道的若干路溶液形成层流，在扩散沟道中，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，实现离子浓度再分布；
步骤3，完成待调控离子的浓度再分布后，通过连接出口沟道的外部压力控制设备使若干路溶液分别自与入口对应的出口流出。
所述的待调控溶液是指能用于微流控系统驱动的液体，其成分并不限定，可以是单一的生物样品，也可以是多成分组成。
所述的缓冲液是指能用于微流控系统驱动的液体，其成分并不限定，可以是以待调控离子成分为溶质的去离子水盐溶液，也可以是与待调控溶液各组分浓度相同而仅待调控离子浓度不同的溶液。
所述的盖板与沟道系统的粘合是指通过表面吸附、等离子体处理等方式使二者粘附在一起，从而定义完整的沟道形状并防止其中的液体漏出。
上述的器件可通过阵列化排布提高其流量及集成度，可通过分别改变阵列内各组件的参数同时获得多种不同浓度的调控后溶液。所述的阵列化是指多个上述器件单元通过一定方式排布形成阵列，进而可以同时处理多路液体，以提高总通量。
层流与湍流相对应，是指流体的层状流动，其流线与管壁相互平行。在粘性力远远大于惯性力，或雷诺数(Reynold number)小于3000时，层流就会出现。当几相不同颜色的流体从不同的入口进入同一个微通道时，即使它们互溶，也会形成层次分明的多相平行流动。利用层流的这种几何规律性，可以实现材料、化学环境和细胞在微通道中的有序排布。另外，在层流情况下，湍流基本消失，分子扩散将成为微尺度下传质的主要途径。由于扩散速率与分子自身的特性有关，利用分子在微通道中的不同扩散距离可以将不同的分子进行分离。也因为如此，层流下的液体混合过程相对缓慢。本发明中，层流结构的形成与沟道尺寸、液体的粘度系数、流速等相关，经验上可认为雷诺数小于3000即可形成层流。一般的，沟道宽度在百微米、液体流速在每秒几微升至百微升量级都是可以的。
本发明以液体的层流结构为基础，利用溶质离子在液体内部的扩散原理，提出了一种基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的新型微流控器件，通过对液体流速、沟道尺度、缓冲液离子浓度等参数的调整，可以将待调控溶液的离子浓度调控至任意值并从出口沟道流出。
本发明提供的基于层流结构的自动调控溶液离子浓度的新型微流控器件具有如下优势：
1)本发明提供的离子浓度调控器件能够将溶液中任意离子调控至任意浓度，其过程精确可控；
2)本发明的离子浓度调控的过程并不会改变溶液内其他物质的浓度；不同物质在液体内部的扩散速度不同，如，常用生物类溶质的扩散速度比NaCl等小100倍以上，因此，当NaCl等离子物质扩散完成时，其他生物溶质还没有开始扩散，所以不会影响其他溶质的浓度；
3)整个器件结构仅包含入口沟道、出口沟道及扩散沟道，精简了器件结构，简化了制作工艺；
4)液体的输运及调控过程完全自动化，速度快，通量高，有利于对大量液体样品的快速处理；
5)可较容易地制备阵列式大通量结构，可通过分别调节结构及操作参数同时获得多种浓度的溶液。
附图说明
图1是本发明的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的结构示意图(俯视图)。
图2是本发明的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的结构示意图(纵向剖面图)。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件是通过液体的层流结构和溶质离子在层流结构内部的扩散行为来实现的，因此可以有多种配置方式，可以配置于各种微流芯片中。
如图1和图2所示，本发明的一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件包含：
设置在衬底400上的沟道系统；及
用于密封该沟道系统的盖板500；
其中，该沟道系统包含：扩散沟道300，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；
所述的入口沟道由呈角度(该角度小于90°，越小越好，在扩散沟道端部交汇)设置的第一入口沟道101及第二入口沟道102构成，该第一入口沟道101作为缓冲液入口，第二入口沟道102作为待调控溶液入口；
所述的出口沟道由呈角度(该角度小于90°，越小越好，在扩散沟道端部交汇)设置的第一出口沟道201及第二出口沟道202构成，该第一出口沟道201作为缓冲液出口，该第二出口沟道202作为待调控溶液出口。
用作衬底的材料并不固定，原则上可以由任何材料制成，但为了简化芯片制作工艺并拓展芯片功能的集成化，优选为易于加工且与盖板材料粘附性好的材料，如硅、PDMS、二氧化硅、玻璃等；所有沟道的尺寸、形状及两两之间的角度并不限定，其选择应以实现功能为标准；本说明书仅以一定数目、尺寸及布局的沟道为例；附图只为原理性示意图，并不精确反应沟道结构的尺寸、位置及排布。
衬底材料制备有沟道结构的一面与盖板500相粘合，从而密封沟道。盖板500的材料并不限定，但为简化制作工艺并扩展芯片的集成化功能，优选为硅、PDMS、二氧化硅、玻璃等。
结合图1、图2，本发明的基于层流结构的自动调控溶液离子浓度的微流控器件的一种可实施的制备工艺如下：
步骤1，通过光刻刻蚀或机械方法等在衬底400表面制备出所需的沟道系统；
步骤2，通过粘附层、等离子体处理等方式将衬底400与盖板500结合；
步骤3，通过机械方法等将沟道系统的入口沟道与出口沟道分别引出并与压力控制设备相连，通过该外部压力控制设备控制通过入口沟道进入的扩散沟道的若干路溶液为层流结构，依靠溶液内待调控离子在浓度梯度作用下的扩散现象实现离子再分布。自此，本发明的基于层流结构的自动调控溶液离子浓度的微流控器件制备完成，将其与其他微流控器件相结合后，采用微流控操作方法即可自动化实现溶液的各种操作及传感。
本发明的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的使用方法包含：
步骤1，使若干路包含不同浓度的待调控离子的溶液(待调控溶液及缓冲液)分别自入口沟道进入扩散沟道；
步骤2，通过连接入口沟道的外部压力控制设备控制进入扩散沟道的若干路溶液形成层流，在扩散沟道中，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，实现离子浓度再分布；
步骤3，完成待调控离子的浓度再分布后，通过连接出口沟道的外部压力控制设备使若干路溶液分别自与入口对应的出口流出。实验中，可通过改变流速、初始浓度、沟道尺寸等进行多次测试获得浓度分布与各参数间的关系，进而可以依次进行控制。离子浓度的检测根据离子种类不同而不同，一般可通过检测电导率等方式进行测量。
缓冲液和待调控溶液分别流入扩散沟道，在扩散沟道内形成层流结构。在流动过程中，离子类溶质发生扩散，进而在扩散沟道内部发生再分布。完成离子再分布过程后，两溶液分别自两出口流出。而通过控制液体流速、扩散沟道宽度等参数，可实现对扩散过程的调控，进而调控流出液中的离子浓度。如，在一个实施例中，缓冲液内Na+的浓度比待调控溶液中Na+的浓度高，二者通过外接压力控制设备(如，压力泵)分别以一定流速流入扩散沟道后形成层流。在扩散沟道中，缓冲液内Na+在浓度梯度作用下会向待调控溶液扩散。随着层流沿扩散沟道流动，Na+在整个沟道中的分布趋于均匀，并最终在两相层流内部均分。因此，当扩散沟道长度逐渐增加时，初始浓度高的溶液内的离子浓度逐渐降低，初始浓度低的溶液内的离子浓度逐渐增高，当沟道长度增大到一定程度后，两溶液的浓度均平衡在初始浓度的平均值。因此，可以通过控制沟道长度或溶液流速来控制扩散时间，也可以改变溶液初始浓度，进而控制最终流出溶液中离子的浓度。
本发明利用液体的层流结构和溶质离子在层流结构内部的扩散行为，制备了一种可实现精准可控调节液体内部的离子浓度而不改变液体内其他物质浓度的新型微流控器件，通过对液体流速、沟道尺度、缓冲液离子浓度等参数的调整，可以将待调控溶液的离子浓度调控至任意值并从出口沟道流出。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，该器件包含：
设置在衬底上的沟道系统；及
用于密封该沟道系统的盖板(500)；
其中，该沟道系统包含：扩散沟道(300)，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道，该入口沟道和出口沟道分别与外部压力控制设备相连；通过连接入口沟道的外部压力控制设备控制进入扩散沟道的若干路溶液形成层流，在扩散沟道中，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，实现离子浓度再分布；完成待调控离子的浓度再分布后，通过连接出口沟道的外部压力控制设备使若干路溶液分别自与入口对应的出口流出；
所述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；所述的出口沟道包含若干对应所述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。
2.如权利要求1所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的入口沟道由呈角度设置的第一入口沟道(101)及第二入口沟道(102)构成，该第一入口沟道(101)作为缓冲液入口，第二入口沟道(102)作为待调控溶液入口；所述的出口沟道由呈角度设置的第一出口沟道(201)及第二出口沟道(202)构成，该第一出口沟道(201)作为缓冲液出口，该第二出口沟道(202)作为待调控溶液出口。
3.如权利要求2所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的角度均小于90°。
4.如权利要求1所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的沟道系统的材料选择PDMS、硅、玻璃中的任意一种或任意两种以上的组合。
5.一种根据权利要求1-4中任意一项所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，在衬底上制备沟道系统：制备包含入口沟道、出口沟道和扩散沟道(300)的沟道系统；
步骤2，密封沟道系统：将盖板(500)与沟道系统粘合密封；
步骤3，使入口沟道和出口沟道分别与外部压力控制设备相连，通过该外部压力控制设备控制通过入口沟道进入的扩散沟道的若干路溶液为层流结构，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，以实现待调控离子的浓度再分布。
6.一种根据权利要求1-4中任意一项所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的使用方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1，使若干路包含不同浓度的待调控离子的溶液分别自入口沟道进入扩散沟道；
步骤2，通过连接入口沟道的外部压力控制设备控制进入扩散沟道的若干路溶液形成层流，在扩散沟道中，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，实现离子浓度再分布；
步骤3，完成待调控离子的浓度再分布后，通过连接出口沟道的外部压力控制设备使若干路溶液分别自与入口对应的出口流出。
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