CN107570093A - 一种多级分子生物化学反应的方法及采用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级分子化学反应的方法，包括以下步骤：S1，对微流芯片施加外力，在外力作用下微流芯片加速运动；S2，反应物在惯性作用下与微流芯片产生相对运动，通过连接两反应腔体的管道进入下一个反应腔体；所述微流芯片上设有至少两个反应腔体，所述反应域通过管道连通形成循环通路。本发明还涉及一种用加速度实现多级分子化学反应的装置，包括加速平台和微流芯片，所述微流芯片置于所述加速平台上。本发明所需的芯片只需要空腔和管道，芯片机构相对简单。为实现定向运动，设备只需要有一个或数个能控制的机械运动的加速平台，使用中对芯片整体进行定向加速。

Description

一种多级分子生物化学反应的方法及采用的装置

技术领域

本发明涉及一种多级分子生物化学反应的方法和装置，尤其涉及一种采用加速度实现多级分子生物化学反应的方法及装置。

背景技术

“微流芯片”通常是将多种反应集于一个片基上，每个反应腔体置于片基的某个几何位置，由细的管道将反应腔体于另一腔体连接。各反应腔体中可以预置有特定的反应物和试剂和样本。反应物通常为水性流体溶液。本申请书中反应物泛指参与各个反应步骤的各种试剂，各种验本，含有各种试剂和样本的溶液，也包括水等溶剂。腔体可以设置其它反应条件，比如特定温度，时间，浓度调节，特异吸附，光照，光检测等等。在整体反应过程中，也即是一系列的个别反应，通过特定的局部的动力方式将反应物从一个反应腔体经由管道移入下一个反应腔体。特定的动力方式有很多种可能。例如，腔体的一侧通过气嘴与外部气压或液压原连通，由外部加压推动反应物移动。又例如，管道内壁有亲水性涂层，样品或反应物加入一个域后就会沿着管道移动。（这和液体在毛细管中移动相同。）再例如，在反应腔体一侧连接一个气囊空腔，气囊空腔的一表面为柔性材料。对气囊施加机械压力，增加气囊内气压，推动反应腔体内的反应物向另一个反应腔体移动。如果对气囊空腔加热，也能起到机械加压相似效果。特定的局部的动力往往复杂，复杂结构增加制作难度和成本，降低芯片可靠性。

技术内容

本发明采用惯性和相对运动的原理提供实现反应物在芯片各反应腔体内的移动的方法。本发明所采取的技术方案包括以下步骤：

S1，对微流芯片施加外力，在外力作用下微流芯片加速运动；

S2，反应物在惯性作用下与微流芯片产生相对运动，通过连接两反应腔体的管道进入下一个反应腔体；

所述微流芯片上设有至少两个反应腔体，所述反应腔体通过管道连通形成通路。

进一步，更详细的，所述的反应腔体通过管道连通形成循环通路。

进一步，更详细的，所述的反应腔体连通形成的通路两端部与外界大气相通。

进一步，更详细的，所述微流芯片包括位置于a点的第一反应腔体和位置于b点的第二反应腔体，对微流芯片施加外力使微流芯片做方向为b点到a点的加速运动，第一反应腔内的反应物惯性作用下相对微流芯片反向运动至第二反应腔体。

进一步，更详细的，所述微流芯片包括位置于a点的第一反应腔体和位置于b点的第二反应腔，对微流芯片施加外力使其做方向为a点到b点的直线运动，当微流芯片运动速度至V时，使微流芯片急剧减速运动至静止，第一反应腔体内的反应物在惯性作用下相对芯片运动至第二反应腔体。

进一步，更详细的，所述微流芯片中的循环通路为环状，芯片在y方向上加速运动且绕循环通路中心轴旋转，所述y方向与芯片中循环通路所在平面平行。

进一步，更详细的，所述微流芯片中的循环通路为环状，所述循环通路所在平面垂直于水平面，反应物在重力作用下置于所述微流芯片最低端的反应腔体内，旋转微流芯片实现反应物在各反应腔体内的流动。

进一步，更详细的，所述的外力来源于电机作动。

本发明还提供了一种用加速度实现多级分子化学反应的装置，该装置结构简单，反应物流向易控制，包括加速平台和微流芯片，所述微流芯片置于所述加速平台上，所述加速平台带动微流芯片产生加速运动，所述微流芯片上设有至少两个反应腔体，所述反应腔体通过管道连通形成循环通路。

进一步的，所述的加速平台可采用各类电机驱动或电磁铁或液压或气动驱动。

进一步的，所述的微流芯片水平放置于所述加速平台上。

进一步的，所述加速平台上设有用于使微流芯片大幅度减速的限位块。

本发明的原理：本发明的微流芯片（以下简称为芯片）有反应空腔体和管道进行芯片整体定向加速运动。根据机械动力学定理（牛顿定律），f=m*a, 其中m为物体质量，a为加速度, f为推动物体在a同方向上进行加速运动所需的力。当m确定后，加速所需的力f与加速度a成正比。这个定理所描述的物质现象的一种定性的表述就是：物体有运动惯量。在芯片加速运动时，如果有相应的力作用于反应物进行与芯片相同的加速，反应物与芯片就没有相对运动；比如反应物在腔体中受到刚性腔体壁的推力，或者处于亲水表面的腔体内反应物遇到管道内壁有疏水的表面涂层区。反之如果没有足够的力作用于反应物进行与芯片相同的加速，反应物的加速度就会小于载体芯片的加速度；比如管道内在反应物相对运动的方向上没有足够大的刚性结构对反应物施加机械力，或是没有疏水性的涂层。这也就是，反应物运动会滞后于芯片上的反应腔体和管道等刚性结构，从而就产生反应物和芯片之间的相对运动。以芯片为坐标系来描述，反应物作与加速度相反方向的运动，反应物就能从一个腔体移动到另一个腔体。如果在一个芯片上安置多个反应腔体，腔体之间配有管道，依次类推，反应物就能按序从一个腔体移动到下一个腔体，实现多步骤的综合反应。芯片整体定向加速度容易用常规机械方式实现。

本发明所产生的有益效果包括：本发明所需的芯片只需要设计和制作反应腔体和管道。芯片的制作和材料可以采用常规。为实现定向运动，芯片应用设备只需要有一个或数个能控制的机械运动的加速平台，使用中对芯片整体进行定向加速。

附图说明

图1 实施例1中反应物由第一反应腔体到第二反应腔体移动示意图；

图2实施例1中反应物由第二反应腔体到第三反应腔体移动示意图；

图3 实施例2中反应物由第一反应腔体到第二反应腔体移动示意图；

图4实施例2中反应物由第二反应腔体到第三反应腔体移动示意图；

图5实施例3中反应物在各反应腔体移动示意图；

图6 实施例4中芯片结构主视图；

图7 为图6中芯片结构左视图及反应物由第一反应腔体向第二反应腔体移动示意图；

图8 实施例5中芯片结构示意图；

图9 实施例5中反应物在各反应区移动示意图；

图10实施例6中反应物在各反应区移动示意图；

图11 实施例5中芯片旋转轨迹示意图；

图12实施例6中反应物在反应区移动示意图；

图13、图14、图15 实施例7中反应物在反应区移动示意图；

图中1、第一反应腔体，2、第二反应腔，3、第三反应腔体，4、第四反应腔体，5、第五反应腔体，6、第六反应腔体，7、第七反应腔体，8、第八反应腔体，9、限位块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

当反应物从反应腔体a往反应腔体b移动，并且反应物占据连接a和b的管道截面，这样的反应物就像一个活塞在管道内滑动，就有可能造成在反应物的一端（近b端）的气压上升（增压），也会在反应物的另一端（近a端）的气压下降（真空）。这两端的气压差对反应物产生一个与反应物运动方向相反的推力。这个推力将减缓甚至阻止反应物由a到b的转移。近a端的腔体容积和/或近b端的腔体容积越小，这个阻碍移动的压力越大。显然，可以将腔体a和腔体b与环境大气相通，防止两端气压差积累。如果反应腔体不允许和环境大气相连，可以用以下方法减少这种压差。

一种方法是在芯片上制作一个与a相通的空腔和一个与b相通的空腔，空腔与反应腔体可以用管道相连。这样，空腔的容积越大，增压和真空的幅度越小。

再一种实用的方法是将连接芯片上各反应腔体的管道设置形成循环回路。这样，反应运行方向前方（b端）的空气可以经过另一个管道通往后方（a端），两端的压差不会积累。以下的实施例都含有循环回路的结构。以上关于防止反应物的两端压差的讨论假设两端空间为气体，但也同样适合于如果反应物两端为液体（比如硅油）的情况。

实施例1

本实例中的芯片有依次连通的四个反应腔体：第一反应腔体1、第二反应腔体2、第三反应腔体3、第四反应腔体4，见图1和图2。相邻两个腔体之间有一个管道。使用时将芯片置于设备的加速平台上，并使芯片保持在水平面（以下称为x-y面）。加速平台能分别独立地做x方向和y方向的运动。起始反应物位于第一反应腔体1内。芯片固定在设备的加速平台上。

t0整体反应开始，芯片向-x方向加速移动（运动方向为第二反应腔体2到第一反应腔体1的矢量方向）；

t1 加速中；

t2 芯片移动到新位置，反应物与第二反应腔体2中心位吻合，反应物进入第二反应腔体2；至此，反应物完成由第一反应腔体1转移到第二反应腔体2；

t3反应物在第二反应腔体2；

t4 芯片y方向加速（运动方向为第三反应腔体3到第二反应腔体2的矢量方向），反应物开始朝第三反应腔体3作相对移动；

t5 反应物进入第三反应腔体3。

本实施例中由第一反应腔体1一直到第四反应腔体4形成一个连续循环回路。当反应物从第一反应腔体1向第二反应腔体2移动时，第二反应腔体2-第三反应腔体3-第四反应腔体4-第一反应腔体1的管道是回流通路。反应物运动方向前端的气体可以回流到运动方向的后部，反应物在管道中移动时不会因运动方向上的气压差的积累而受阻。

推动平台的动力可以是常规的方案，比如步进电机驱动，电磁铁，气动。为了用小功率驱动机械产生较大的加速度，可以用能量储备为机械动能。比如，电机带动一个重锤x方向运动，速度为 v_x，动量为 m*v_x，这里m为重锤的质量。然后重锤撞击平台, 将一部份重锤动量转化成平台的运动动量。

实施例2

本实例中的芯片有依次连通的四个反应腔体：第一反应腔体1、第二反应腔体2、第三反应腔体3，腔体和管道在x-y平面上的分布与见图3和图4，芯片置于加速平台。加速平台外有定义芯片运动极限位置的限位块。驱动的过程如下。

t0，整体反应开始，反应物置于第一反应腔体1；

t1 芯片向x方向移动，运动方向与第一反应腔体1到第二反应腔体2的位移方向一致；

t2, 芯片运行到x方向的极限，速度达到终端速度v_x, 碰撞到限位块9, 芯片开始减速（也就是-x方向的加速）。反应物因惯性继续x方向运动；

t3, 反应物进入第二反应腔体2, 完成反应物从第一反应腔体1到第二反应腔体2的移动，开始在第二反应腔体2的生物化学反应；

t4 - t7, 过程与t1 - t4 相似，芯片运动方向为 -y, 反应物从第二腔体移动到第三腔体。图中限位块略。

相比实施例1，实施例2 有较长的加速距离，可以用较小的加速度和相应的较小的驱动力，达到较大的终端速度 v_x。在v_x, 反应物的动能为 e_k = (v_x)^2/2m, 其中m为反应物的质量。反应物从第一反应腔体1移动到第二反应腔体2所需的能量为 e_p = f_c * l, 这里l 是移动距离， f_c是反应物移动中受到的-x方向的制动力，主要是管道壁和液体的亲和性和液体表面张力，等等的综合作用力。如果fc不为常量，e_p是 fc*dl 的积分。只要v_x足够大，使得e_k> e_p, 反应物就有足够的能量从腔体1移动到腔体2. 具体实施是所需的达到的v_x可以实验决定。

实施例3

本案例的基本结构和实施例2相似。反应物移动的机理也与实施例2相同。主要不同之处在于，反应腔体有8个，第一反应腔体1、第二反应腔体2、第三反应腔体3、第四反应腔体4、第五反应腔体5、第六反应腔体6、第七反应腔体7、第八反应腔体8，8个反应腔体形成一循环通道，见图5。

实施例4

以上实施案例1，2，3中，在静止时，液体表面张力将反应物汇聚在某个腔体内。但是如果反应物中含有较多的表面润湿剂，液体可能自行沿管道移动（毛细现象）。本实施例中，反应腔体底部低于管道的水平高度，在静止状态下，芯片水平放置时，反应物液面低于管道。从而，静止时反应物因地心引力滞留在腔体底端，反应物（深色标记）水平面分布见图6，垂直剖面见图7。

反应物移动过程见图7。

t1, 芯片向x方向运动，加速度较低，反应物在第一腔体中；

t2, 芯片运行到x速度达到终端速度Vx。加速平台碰撞到限位块之后大幅度减速（也就是-x的加速）。反应物因惯性继续x方向运动，遇到腔体壁液体向上（z方向）运动到管道的水平高度位置，进入管道。液体向上运动的能量来源于水平x方向的动能。向上运动的力一部分可以来自反应腔体的壁对反应物的推力在z方向的分力；腔体壁只要壁的表面不完全垂直于x, 产生的推力（方向垂直于壁的表面）z方向的分量就会大于零。另外，液体移动是受到腔体壁的x轴方向的的阻挡（即推力），液体内部挤压的压力也推动液体向没有阻挡的方向，也就是上方移动；

t3, 反应物继续x方向运动；

t4, 反应物完全进入第二腔体。

实施例5

以上实施例中芯片上的反应腔体和管道的几何结构有明显区分，而且相邻近管道也是相互成直角。本实施案例的芯片上就管道和反应腔体几何形状无差别，管道也不成直角相交。反应腔体和管道形成一个圆环管道型，见图8。作为一个较有实用价值的案例， 在圆环型结构上均匀分出三个反应区域: a, b, c, a腔处于y轴上，绕圆环管道中心顺时针旋转120°的位置为b腔，逆时针旋转120°为c腔，每个区域有特定的反应条件，这三个反应区域定义三个反应腔体。比如，三个区间各自有特定的温度。重复下面的步骤可以实现需要热循环的生化反应。

运行过程如下，见图9。

t0，反应物在区域a；O，圆环管道的圆心；

t1，芯片圆环管道加速,方向与y轴成约+60度夹角（逆时针方向偏转为正值，顺时针方向为负值），如图中箭头所示圆心O指向O1。反应物因惯性而滞后圆环的运动。圆环管道管壁作用于反应物的力的方向垂直于管壁表面，也就是由圆心指向管壁。这个力含有一个与圆环运动方向平行的分力和一个与圆环运动方向垂直的分力。这个垂直分力作用在反应物使反应物作垂直于O-O1的运动。也就是，反应物被限定在刚性圆管腔体内运动；

t2， 反应物到达区域b, 开始条件b的反应；

t3, 如果芯片作与运动方向相反方向加速（也就是在运动方向上减速），见图中所示O3- O2方向，只要加速度幅度适当（实验可以确定范围）反应物维持在区域b；样可以加长反应b的时间；

t4, 芯片圆环管道加速，方向与y轴成-60度角，如图中所示O2-O4方向加速；反应物进入区间c；

t5, 芯片圆环管道向-y方向（与+y成-180度方向）加速，如图中所示O4-O方向加速；反应物进入区间a。

本实施案例的芯片运动可以用两个方向的运动协调实现，比如协调x和y方向的运动，两个运动合成的运动是两个运动的矢量和。也可以不是几个直线运动。比如图10所示的圆形运动轨道。物体沿圆形轨道匀速运动时会有一个朝向轨道圆心的（径向）加速度，r。这个加速度与绕圆形轨道运动的角速度的平方成正比。物体沿圆形轨道加速运动时也有一个与轨道相切（与轨道径向成直角）的加速度，这个加速度与角加速度成正比。这两个加速度可以通过调整角速度和角加速度来调整。

t0, 圆形管道abc绕o顺时钟方向运动。反应物（深色）位于远离o的a区间；

t1, 管道abc绕o顺时钟方向角加速，s所示。反应物角速度滞后于管道角速度，在管道内从a移位至a-c之间；

t2，管道abc绕o逆时钟方向角加速，s所示。反应物角速度滞后于管道角速度，在管道内从a-c之间偏向a-b之间移位。

实施例6

实施例5中的芯片，在其中实现反应物按序移动的另一种方式在图11中示意。芯片按y方向加速使反应物保持在圆环中-y方向的极限位置。芯片绕一个与x-y平面成直角的z轴顺时针方向转动，按序将a, b, c反应腔体区域置于-y端（-y方向的极限位置），反应物则按序进入 a, b, c 区域。

实现y方向持续加速有几种方式实现。一，持续直线加速。这方式用于需要长时间持续加速的应用中实际操作中有不方便之处，因为长时间持续加速需要有相应的加速距离和很高的终端速度。二，另一个方案是将芯片绕一个旋转轴o旋转, 见图12。持续旋转产生持续“向心”加速, 加速方向为圆环管道abc上所处的位置指向旋转轴o。（由于圆环管道abc直径较小，各处的向心加速方向与z指向o的方向有偏差但可忽略。）这个向圆心o加速的的效果是将圆环形管道中的反应物维持在远离o的位置。只要将芯片绕“自转”轴z转，就能改变反应物在圆环管道内的相对位置。比如，将圆环管道转至b区域远离“公转”转轴o, 反应物会移动到b区域。

另一个实现与y方向持续加速等效的方案是利用引力，比如将芯片x-y平面与地表水平面成90度放置于地球表面并维持在某一高度。地球引力的效果相当于芯片持续向远离地心的加速，加速度为g, 约为9.8 m/s^2。如果将图11中的环状的平面x-y与水平面成90度夹角，将圆环绕其圆心o旋转，反应物在重力作用下始终处于圆环最低处的反应腔内，其移动效果和如果x-y平面在没有引力作用（远离地球或x-y与地表水平面平行）的情况下进行方向为a指向o，幅度为g的加速相同。这个方案结构简单。但在引力不足以推动反应物的场合下不适用，比如在失重环境或是管道很细的芯片。上述x-y平面不一定要与水平面垂直，如果x-y平面与水平面夹角J小于90度, 在x-y平面上最大的等效加速度的幅度为g*sinJ。当J趋于0度（x-y趋于水平），等效加速度也就趋于0。因此，x-y平面与水平面的夹角应在大于5度。 平面与水平面的夹角和反应物移动方向的控制也可以用绕其它轴转动来控制调整。

实施例7

本实施例中芯片只需一个方向（x）的上的运动，利用管道壁对反应物作用力的分力推动反应物作垂直于外推动力的方向的移动。由于只需要一个方向图13的一个简单的芯片结构由反应腔体A和B，和连接A和B的管道。管道与A交接处结构与加速度a呈平行，也就是，接A和B的管道口没有刚性结构对反应物产生作用力，而且管道表面的力（比如亲水性或疏水性导致的）也可忽略。管道与B交接处结构与加速度a呈垂直。在其它部位管道呈弧形。图中略去腔体B和A之间的回流管道（防止积累反应腔体之间气压差之用途）。

t0，反应物（深色标记）在A。芯片的反应腔体和管道仅需要在x轴方向运动；

t1，芯片加速，加速度为a所示。反应物进入连接A和B的管道。反应物进入管道后受到管道壁的力f，方向于管道壁表面垂直. 作用力f有x轴方向分力，f1, 和一个y轴方向分力,f2。分力f2推动反应物y轴上加速；

t2，反应物移动到了接近B的位置，管道壁垂直于x。因为管道是刚性体结构，管道壁对反应物的x作用力恰好能使反应物的速度与反应空腔和管道的x速度一致。也就是，即使加速度a改变或者不变，在x方向上反应物与反应空腔没有相对运动。在y方向上，管道没有刚性结构对反应物作用力，反应物维持在t1期间得到的y方向的速度v2向B移动；

t3, 反应物进入反应腔体B。

将图13中的结构只有两个反应腔体。用多组同类的机构也能实现多反应腔体的芯片结构。图14是一个能在四个反应腔体循环操作的结构。

以上图例中的管道呈弧形,但直型的一样的有效. 只要反应物能从A进入管道部位，能离开管道进入B部位，过程中能对反应物产生f2方向的作用力，均能达到相同的效果。图15所示实例用直管道连接相邻两个反应腔体。原理和过程与弧形管道相同。

Claims (13)

1.一种实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对微流芯片施加外力，在外力作用下微流芯片加速运动；

S2，反应物在惯性作用下与微流芯片产生相对运动，通过连接两反应腔体的管道进入下一个反应腔体；

所述微流芯片上设有至少两个反应腔体，所述反应腔体通过管道连通形成通路。

2.根据权利要求1所述的多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述的反应腔体通过管道连通形成循环通路。

3.根据权利要求1所述的多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述的反应腔体连通形成的通路两端部与外界大气相通。

4.根据权利要求1所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述微流芯片包括位置于a点的第一反应腔体和位置于b点的第二反应腔体，对微流芯片施加外力使微流芯片做b点到a点的加速运动，第一反应腔体内的反应物惯性作用下相对微流芯片反向运动至第二反应腔体。

5.根据权利要求1所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述微流芯片包括位置于a点的第一反应腔体和位置于b点的第二反应腔体，对微流芯片施加外力使其做方向为a点到b点的直线运动，当微流芯片运动速度至V时，使微流芯片大幅度减速运动，第一反应腔体内的反应物在惯性作用下相对芯片运动至第二反应腔体。

6.根据权利要求1所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述微流芯片中的循环通路为环状，芯片在y方向上加速运动且绕循环通路中心轴旋转，所述y方向与芯片中循环通路所在平面平行。

7.根据权利要求1或权利要求4所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述微流芯片中的循环通路为环状，所述循环通路所在平面与水平面成一个大于零的角度，反应物在引力作用下流向反应腔体和管道的最低处，旋转微流芯片实现反应物在各反应腔体内的流动。

8.根据权利要求1所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述的外力来源于电机作动。

9.根据权利要求1所述的实现多级分子生物化学反应的方法，其特征在于：所述的各反应腔均连通有一空腔。

10.一种用加速度实现多级分子生物化学反应的装置，其特征在于：包括加速平台和微流芯片，所述微流芯片置于所述加速平台上，所述加速平台带动微流芯片产生加速运动，所述微流芯片上设有至少两个反应腔体，所述反应腔体通过管道连通形成循环通路。

11.根据权利要求10所述的用加速度实现多级分子生物化学反应的装置，其特征在于：所述的加速平台可采用电机驱动或电磁铁或液压或气动驱动。

12.根据权利要求10所述的用加速度实现多级分子化学反应的装置，其特征在于：所述的微流芯片水平放置于所述加速平台上。

13.根据权利要求10所述的用加速度实现多级分子生物化学反应的装置，其特征在于：所述加速平台上设有用于使微流芯片大幅度减速的限位块。