CN107824105B - 一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器 - Google Patents

一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器 Download PDF

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    • G05D11/02—Controlling ratio of two or more flows of fluid or fluent material
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Abstract

本发明是一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器，利用阵列的气泡在体声波的激励下发生振动，使气泡周围的流体中产生稳定的循环流动，实现局部流体的快速混合。本发明通过控制气液界面两侧的压强差，调节气泡的数量、位置和大小，控制不同位置的流体是否进行混合以及混合程度，从而按需生成不同变化规律的溶液浓度梯度。微流道中溶液浓度梯度的分布控制方法，在生命工程、医学、细胞分析等众多科学领域具有重要的应用和研究价值。

Description

一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器
技术领域
本发明是一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器，利用阵列的气泡在体声波的激励下发生振动，使气泡周围的流体中产生稳定的循环流动，实现局部流体的快速混合。本发明通过控制气液界面两侧的压强差，调节气泡的数量、位置和大小，控制不同位置的流体是否进行混合以及混合程度，从而按需生成不同变化规律的溶液浓度梯度。微流道中溶液浓度梯度的分布控制方法，在生命工程、医学、细胞分析等众多科学领域具有重要的应用和研究价值。
背景技术
微流道中稳定的溶液浓度梯度在细胞分析、药物筛选等相关技术具有广泛的应用。近年来，微流道中溶液的浓度梯度微流控芯片在众多生命科学领域越来越受到人们的关注。2011年，卢斯媛制作了三通道结构的微流控芯片，利用液面高度差在旁通道生成压力梯度，中间通道内的浓度梯度由扩散效应产生，可生成介于两个旁通道浓度之间的浓度梯度。2013年，Daniel Ahmed提出了一种阶梯状排列的马蹄形结构，每个马蹄形结构处所形成的气泡在声场中会发生振动，使气泡附近的局部流体进行混合从而形成空间浓度梯度。然而，三通道结构形成稳定的浓度梯度所需要的时间较长，而马蹄形结构只能生成固定的浓度梯度，无法满足更加复杂的生化检测等应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于移动气泡的可调节的溶液浓度梯度的微混合器。该装置采用微细加工工艺制作，压电驱动器产生的体声波使流道底部阵列的气泡发生振动，气泡的振动使周围的流体中产生稳定的循环流动，实现局部流体的快速混合，从而生成一定的浓度梯度分布。通过调节气液界面两侧的压强差，可以控制各个气泡的位置，进而控制不同位置的流体是否进行混合，同时可以控制各个气泡的大小来实现不同程度的混合，从而使微流道内浓度梯度的变化规律可按需调节。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器，其特征在于：其组成包括微流控上芯片1、压电驱动器14、SU-8胶层Ⅰ17、SU-8胶层Ⅱ18和硅基底Ⅱ35；其中，微流控上芯片1设置有进液口Ⅰ2、进液口Ⅱ3、微流道Ⅰ4、微流道Ⅱ5、微流道Ⅲ6、出液口7、气体端口Ⅰ8、气体通道Ⅰ9、气室Ⅰ10、气体端口Ⅱ11、气体通道Ⅱ12和气室Ⅱ13；SU-8胶层Ⅰ17设置有圆柱腔体Ⅰ19、和圆柱腔体Ⅱ21、圆柱腔体Ⅲ22和圆柱腔体Ⅳ24；SU-8胶层Ⅱ18设置有气体通道Ⅲ20和气体通道Ⅳ23。
所述进液口Ⅰ2、进液口Ⅱ3、出液口7、气体端口Ⅰ8和气体端口Ⅱ11，贯穿于微流控上芯片1；
所述微流道Ⅰ4、微流道Ⅱ5、微流道Ⅲ6、气体通道Ⅰ9、气室Ⅰ10、气体通道Ⅱ12和气室Ⅱ13，深度均为50μm-200μm；
所述微流道Ⅰ4，宽度为50μm-150μm，左端与进液口Ⅰ2相连，右端与微流道Ⅲ6相连通；
所述微流道Ⅱ5，宽度为150μm-750μm，左端与进液口Ⅱ3相连，右端与微流道Ⅲ6相连通；
所述微流道Ⅰ4和微流道Ⅱ5，宽度比例为1:3-1:5；
所述微流道Ⅲ6，宽度为300μm-800μm，右端与出液口7相连通；
所述气体通道Ⅰ9，左端与气室Ⅰ10相邻，包围在气室Ⅰ10的外部，右端与气体端口Ⅰ8相连通；
所述气体通道Ⅱ12，左端与气室Ⅱ13相邻，包围在气室Ⅱ13的外部，右端与气体端口Ⅱ11相连通；
所述圆柱腔体Ⅰ19和圆柱腔体Ⅲ22，贯穿于SU-8胶层Ⅰ17，深度为100μm-200μm，直径为300μm-500μm，分别与气室Ⅰ10和气室Ⅱ13的中心线对齐；
所述圆柱腔体Ⅱ21和圆柱腔体Ⅳ24，贯穿于SU-8胶层Ⅰ17，深度为100μm-200μm，直径为50μm-100μm；
所述气体通道Ⅲ20为开在SU-8胶层Ⅱ18上的槽，深度为100μm-300μm，宽度为300μm-500μm，一侧与圆柱腔体Ⅰ19相连通，另一侧与圆柱腔体Ⅱ21相连通；
所述气体通道Ⅳ23为开在SU-8胶层Ⅱ18上的槽，深度为100μm-300μm，宽度为300μm-500μm，一侧与圆柱腔体Ⅲ22相连通，另一侧与圆柱腔体Ⅳ24相连通；
所述压电驱动器14，粘贴于SU-8胶层Ⅰ17的上表面，并与微流控上芯片1相邻；
所述压电驱动器引线电极I15和压电驱动器引线电极II16，分别连交流电源两个输出端，给压电驱动器14通入交流电流；
应用本发明装置的方法，其特征具体如下：
(a)如附图8和附图9，在进液口Ⅰ2和进液口Ⅱ3分别注入目标溶液25和稀释液26，在微流道Ⅲ6与圆柱腔体Ⅱ21和圆柱腔体Ⅳ24的交汇处分别形成气泡Ⅰ27和气泡Ⅱ28；
(b)如附图10，通过压电驱动器引线电极I15与压电驱动器引线电极II16向压电驱动器14施加交变电压，由于压电效应，压电驱动器14会产生机械变形，弯曲交替重复发生，在空气中产生声波。声波激励下的气泡Ⅰ27和气泡Ⅱ28发生径向振动，在各自周围的流体中产生稳定的循环流动，使得局部的流体发生混合；
(c)如附图11，在气体端口Ⅰ8处施加正压，气体通道Ⅰ9内的压强大于气室Ⅰ10内的压强。由于微流控上芯片1是由具有较好的气体渗透性(渗透系数大约为200-700Barrers)的高分子聚合物材料所制，使气体能够从气体通道Ⅰ9渗透到气室Ⅰ10中，气体通道Ⅲ20内的压强变大。由于气泡Ⅰ27两侧压强差的存在，气泡Ⅰ27会向微流道Ⅲ6内扩张，从而可以改变气泡Ⅰ27的半径大小，使得气泡Ⅰ27周围的流体发生不同程度的混合。图中的箭头表示气体流动的方向；
(d)如附图12，在气体端口Ⅰ8处施加负压，气体通道Ⅰ9内的压强小于气室Ⅰ10内的压强，气体会由气室Ⅰ10渗透到气体通道Ⅰ9中，气体通道Ⅲ20内的压强变小。由于气泡Ⅰ27两侧压强差的存在，气泡Ⅰ27会移动到气体通道Ⅲ20内，使微流道Ⅲ6和圆柱腔体Ⅱ21交汇处周围的流体不发生混合。图中的箭头表示气体流动的方向；
本发明的主要特点是：1)该方案响应时间短、制作成本低、便于集成，且试剂消耗量小；2)声波驱动属于非接触式操作，且输出能量密度较小，具有较好的生物相容性；3)本发明可以通过调节气压来决定流道内的不同位置的溶液是否进行混合以及混合程度，从而按需生成不同变化规律的溶液浓度梯度；4)本发明建立内部可调节的稳定的溶液浓度梯度，可以广泛应用于细胞分析、药物筛选等领域，满足现在生化检测等应用需求；5)本发明实施例中只引入2组气体通道来控制2个气泡的位置和大小，本发明也可以增加多组气体通道和多个气泡，来实现更加复杂的浓度梯度的生成。
附图说明
图1：本发明装置整体外观视图；
图2：本发明装置分解外观视图；
图3：本发明装置剖面视图一；
图4：本发明装置剖面视图二；
图5：本发明装置微流控上芯片微通道结构图；
图6：本发明装置SU-8胶层Ⅰ俯视图；
图7：本发明装置SU-8胶层Ⅱ俯视图；
图8：本发明装置工作原理示意图一；
图9：本发明装置工作原理示意图二；
图10：本发明装置工作原理示意图三；
图11：本发明装置工作原理示意图四；
图12：本发明装置工作原理示意图五；
图13：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图一；
图14：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图二；
图15：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图三；
图16：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图四；
图17：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图五；
图18：本发明装置微流控上芯片注塑工艺过程图六；
图19：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图一；
图20：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图二；
图21：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图三；
图22：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图四；
图23：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图五；
图24：本发明装置SU-8胶层实施工艺过程图六；
图中：1.微流控上芯片，2.进液口Ⅰ，3.进液口Ⅱ，4.微流道Ⅰ，5.微流道Ⅱ，6.微流道Ⅲ，7.出液口，8.气体端口Ⅰ，9.气体通道Ⅰ，10.气室Ⅰ，11.气体端口Ⅱ，12.气体通道Ⅱ，13.气室Ⅱ，14.压电驱动器，15.压电驱动器引线电极I，16.压电驱动器引线电极II，17.SU-8胶层Ⅰ，18.SU-8胶层Ⅱ，19.圆柱腔体Ⅰ，20.气体通道Ⅲ，21.圆柱腔体Ⅱ，22.圆柱腔体Ⅲ，23.气体通道Ⅳ，24.圆柱腔体Ⅳ，25.目标溶液，26.稀释液，27.气泡Ⅰ，28.气泡Ⅱ，29.硅基片Ⅰ，30.SU-胶，31.掩膜版Ⅰ，32.SU-8胶阳模，33.矩形槽模具，34.PDMS，35.硅基片Ⅱ，36.掩模板Ⅱ，37.掩膜板Ⅲ，
具体实施方式
本发明中的微流控上芯片1，采用SU-8型负性光刻胶制作阳模，聚二甲基硅氧烷(PDMS)注塑工艺加工制作，具体工艺流程如下所示：
(a)附图13，选用硅基片I29作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
(b)附图14，在硅基片I29上旋涂一层SU-8胶30，胶层厚度为50μm-200μm，利用烘胶台进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，使SU-8胶30固化，所述的SU-8胶30为负性光刻胶；
(c)附图15，将掩膜板Ⅰ31放置在固化后的SU-8胶30表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间2min-6min；
(d)附图16，SU-8胶30曝光后，在烘胶台上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，经超声显影、清洗后，硅基片I29上留下凸起的SU-8胶阳模32；
(e)附图17，将带有SU-8胶阳模32的硅基片I29放置在与硅基片I29尺寸相同的矩形槽模具33中，浇注PDMS34，在温度120℃下加热固化；
(f)附图18，固化后的PDMS34从硅基片I29上剥离，采用电钻打孔方法，加工出进液口Ⅰ2、进液口Ⅱ3、出液口7、气体端口Ⅰ8、气体端口Ⅱ11，得到微流控上芯片1，；
本发明中的SU-8胶层，具体工艺流程如下所示：
(a)附图19，选用硅基片II35作为基底，用去离子水清洗，并在温度为110℃的烘胶台上烘干；
(b)附图20，在硅基片II35上旋涂一层SU-8胶30，胶层厚度为100μm-200μm，利用烘胶台进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，使SU-8胶30固化；
(c)附图21，将掩膜板Ⅱ36放置在固化后的SU-8胶30表面上方，进行紫外线曝光，曝光时间2min-6min。然后在烘胶台上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却；
(d)附图22，在硅基片II35上再旋涂一层SU-8胶30，胶层厚度为100μm-300μm，利用烘胶台进行前烘，先在温度65℃下烘干时间35min，再在温度95℃下烘干时间30-90min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却，使SU-8胶30固化；
(e)附图23，将掩膜板Ⅲ37放置在固化后的SU-8胶30表面上方，使标记对齐进行精确定位，进行紫外线曝光，曝光时间2min-6min。然后在烘胶台上进行后烘热处理，先在温度65℃下烘干时间25min，再在温度95℃下烘干时间10-30min(与胶层厚度相关，厚度越大烘干时间越长)，然后自然冷却；
(f)附图24，经超声显影、清洗后，硅基片Ⅱ35上留下SU-8胶层Ⅰ17和SU-8胶层Ⅱ18；
本发明的封装流程如下所示：
(a)将上述加工好的微流控上芯片1的键合面进行氧等离子体处理，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液(APTES)对SU-8胶层Ⅰ17上表面进行硅烷化处理，然后将微流控上芯片1及SU-8胶层Ⅰ17的键合面相互贴合并进行按压加热，完成微流控上芯片1与SU-8胶层的键合；
(b)将压电驱动器14粘贴在SU-8胶层Ⅰ17的上表面，即制成基于移动气泡的可调节的溶液浓度梯度的微混合器。
以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。

Claims (2)

1.一种基于移动气泡的可调节溶液浓度梯度的微混合器，其特征在于：其组成包括微流控上芯片、压电驱动器、SU-胶层Ⅰ、SU-胶层Ⅱ和硅基底Ⅱ；其中，微流控上芯片设置有进液口Ⅰ、进液口Ⅱ、微流道Ⅰ、微流道Ⅱ、微流道Ⅲ、出液口、气体端口Ⅰ、气体通道Ⅰ、气室Ⅰ、气体端口Ⅱ、气体通道Ⅱ和气室Ⅱ；SU-胶层Ⅰ设置有圆柱腔体Ⅰ、和圆柱腔体Ⅱ、圆柱腔体Ⅲ和圆柱腔体Ⅳ；SU-胶层Ⅱ设置有气体通道Ⅲ和气体通道Ⅳ；
所述进液口Ⅰ、进液口Ⅱ、出液口、气体端口Ⅰ和气体端口Ⅱ，贯穿于微流控上芯片；
所述微流道Ⅰ、微流道Ⅱ、微流道Ⅲ、气体通道Ⅰ、气室Ⅰ、气体通道Ⅱ和气室Ⅱ，深度均为50μm-200μm；
所述微流道Ⅰ，宽度为50μm-150μm，左端与进液口Ⅰ相连，右端与微流道Ⅲ相连通；
所述微流道Ⅱ，宽度为150μm-750μm，左端与进液口Ⅱ相连，右端与微流道Ⅲ相连通；
所述微流道Ⅰ和微流道Ⅱ，宽度比例为1:3-1:5；
所述微流道Ⅲ，宽度为300μm-800μm，右端与出液口相连通；
所述气体通道Ⅰ，左端与气室Ⅰ相邻，包围在气室Ⅰ的外部，右端与气体端口Ⅰ相连通；
所述气体通道Ⅱ，左端与气室Ⅱ相邻，包围在气室Ⅱ的外部，右端与气体端口Ⅱ相连通；
所述圆柱腔体Ⅰ和圆柱腔体Ⅲ，贯穿于SU-胶层Ⅰ，深度为100μm-200μm，直径为300μm-500μm，分别与气室Ⅰ和气室Ⅱ的中心线对齐；
所述圆柱腔体Ⅱ和圆柱腔体Ⅳ，贯穿于SU-胶层Ⅰ，深度为100μm-200μm，直径为50μm-100μm；
所述气体通道Ⅲ为开在SU-胶层Ⅱ上的槽，深度为100μm-300μm，宽度为300μm-500μm，一侧与圆柱腔体Ⅰ相连通，另一侧与圆柱腔体Ⅱ相连通；
所述气体通道Ⅳ为开在SU-胶层Ⅱ上的槽，深度为100μm-300μm，宽度为300μm-500μm，一侧与圆柱腔体Ⅲ相连通，另一侧与圆柱腔体Ⅳ相连通；
所述压电驱动器，粘贴于SU-胶层Ⅰ的上表面，并与微流控上芯片相邻；
所述压电驱动器引线电极I和压电驱动器引线电极II，分别连交流电源两个输出端，给压电驱动器通入交流电流。
2.应用如权利要求1所述微混合器的方法，其特征在于，具体如下：
(a)在进液口Ⅰ和进液口Ⅱ分别注入目标溶液和稀释液，在微流道Ⅲ与圆柱腔体Ⅱ和圆柱腔体Ⅳ的交汇处分别形成气泡Ⅰ和气泡Ⅱ；
(b)通过压电驱动器引线电极I与压电驱动器引线电极II向压电驱动器施加交变电压，由于压电效应，压电驱动器会产生机械变形，弯曲交替重复发生，在空气中产生声波；声波激励下的气泡Ⅰ和气泡Ⅱ发生径向振动，在各自周围的流体中产生稳定的循环流动，使得局部的流体发生混合；
(c)当在气体端口Ⅰ处施加正压，气体通道Ⅰ内的压强大于气室Ⅰ内的压强；使气体能够从气体通道Ⅰ渗透到气室Ⅰ中，气体通道Ⅲ内的压强变大；由于气泡Ⅰ两侧压强差的存在，气泡Ⅰ会向微流道Ⅲ内扩张，从而可以改变气泡Ⅰ的半径大小，使得气泡Ⅰ周围的流体发生不同程度的混合；
当在气体端口Ⅰ处施加负压，气体通道Ⅰ内的压强小于气室Ⅰ内的压强，气体会由气室Ⅰ渗透到气体通道Ⅰ中，气体通道Ⅲ内的压强变小；由于气泡Ⅰ两侧压强差的存在，气泡Ⅰ会移动到气体通道Ⅲ内，使微流道Ⅲ和圆柱腔体Ⅱ交汇处周围的流体不发生混合。
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