CN108636466B - 一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置及其制备方法和分析设备 - Google Patents

一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置及其制备方法和分析设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置，包括微流体梯度装置和垫板，微流体浓度梯度生成装置包括中心腔体和微通道，微通道一端与中心腔体连接，另一端设有圆形结构，中心腔体、微通道和圆形结构深度相同且底部在同一水平面，具有微型化、集成化、成本低、分析速度快，可在该装置内根据需求形成不同浓度梯度的特点，并且也公开了其制备方法；同时还公开了基于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备。

Description

一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置及其制备方法 和分析设备
技术领域
本发明属于微型分析仪器技术领域，具体涉及一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置及其制备方法和分析设备。
背景技术
随着微机电系统的发展，分析仪器，化学仪器，医疗器械也更倾向于微型化，自动化，集成化和便携化。对于微流体装置系统中常规采用的材料有硅片、玻璃基材等，其加工复杂，成本高。
目前，在微流体浓度梯度生成装置中，传统的微流体装置是通过改变装置中微道构型来形成不同的浓度梯度。但是其加工制作复杂，并且通常只可用于固定一种浓度梯度的形成。传统的基于凝胶的梯度发生器是通过简单的硅成型工艺在一片凝胶(通常厚度约为1mm)上形成三个平行的微流体通道，一个外通道为源通道,其中充满一定浓度的溶液；另一个外通道为收集槽，通常通入低浓度溶液或缓冲液。外通道中的溶液通过水凝胶扩散在中间通道中形成线性浓度梯度。该发生器虽然有效地消除了对流流动，但也表现出一定的局限性，例如，只能产生简单的(通常是线性的)浓度分布，耐久性很低，而且无论微通道的结构如何设计，溶液中的目标分子(例如细胞趋化因子)在整个凝胶中都会向四面八方扩散，难以只在中间微通道中形成高定向性的浓度梯度分布。由于水凝胶是一种多孔性的软质材料，主要由水组成，例如琼脂糖凝胶其中水的含量占其材料组成的99％，所以也很难在水凝胶上构建复杂的微通道结构。此外，利用水凝胶结构本身制作浓度梯度发生器时，大面积水凝胶的脱水过程，会导致目标分子在水凝胶中的传输受到一定扰动，而不能很好地引导到理想的方向。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种具有微型化、集成化、成本低、分析速度快，可信度高，制作简单等优点的基于聚二甲基硅氧烷的微流体浓度梯度生成装置，并且提供了其制备方法，同时还提供了基于聚二甲基硅氧烷的微流体浓度梯度生成装置的分析设备。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置，包括微流体梯度装置和垫板，所述垫板设置于微流体梯度装置底部，所述微流体梯度装置包括中心腔体和微通道，所述微通道一端与中心腔体连接，另一端设有圆形结构，所述微通道的数量为6个，所述中心腔体、微通道和圆形结构深度相同且底部在同一水平面。
作为进一步改进的技术方案，所述中心腔体内充满水凝胶。
作为进一步改进的技术方案，所述的微通道采用直线型、曲线型或折线型。
一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，包括液压升降台和检测装置，所述液压升降台包括液体容器、调节托盘、尺寸标杆和底座，所述液体容器置于调节托盘上，所述尺寸标杆垂直穿过调节托盘的一端，所述调节托盘通过调节旋钮沿尺寸标杆上下移动，所述尺寸标杆底部安装于底座上，所述液体容器上设有OLED显示屏，所述液体容器通过软管将液体输送至微通道，所述检测装置包括硬件部分，所述硬件部分包括锂电池、充电管理单元、第一稳压单元、第二稳压单元、蓝牙通讯单元、OLED显示屏、流体压力传感器、小型电磁阀以及CPU处理器，所述充电管理单元分别与锂电池、第一稳压单元、第二稳压单元以及CPU处理器连接，所述第二稳压单元还与CPU处理器连接，所述CPU处理器还分别连接OLED显示屏、蓝牙通讯单元和流体压力传感器，所述小型电磁阀与充电管理单元相连，所述流体压力传感器安装于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的进口处，所述小型电磁阀安装于液体容器与软管的连接处。
作为进一步改进的技术方案，所述软管采用聚四氟乙烯材料。
作为进一步改进的技术方案，所述尺寸标杆上设有刻度。
作为进一步改进的技术方案，所述CPU处理器的型号为STM32F103C8，所述蓝牙通讯单元通过UART接口与CPU处理器连接。
作为进一步改进的技术方案，所述检测装置还包括软件部分，所述软件部分包括Microfluidic analytical instrument Android客户端和Microfluidic analyticalinstrument PC客户端。
一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照所述聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的结构制作SU-8模具；
S2、将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂在真空干燥箱按照10：1的质量配比混合均匀，并除净气泡，得到聚二甲基硅氧烷聚合物，将所述聚二甲基硅氧烷聚合物倒在所述步骤S1中制作好的SU-8模具上，再放置于水平的热板上进行固化，固化时间为2小时，固化温度为65℃，然后将所述聚二甲基硅氧烷聚合物从SU-8模具中脱模，得到初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置；
S3、取聚二甲基硅氧烷预聚体和玻璃衬板，而后采用匀胶机以500r/min的速度均匀地将聚二甲基硅氧烷预聚体自旋涂覆至玻璃衬板上，而后在65℃的干燥箱中固化1h以上，形成厚1mm垫板，最后通过氧等离子体氧化处理将所述垫板直接与所述步骤S2中的初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置结合，得到聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置。
本发明的有益效果为：
本发明通过聚二甲基硅氧烷制作的包含水凝胶的浓度梯度生成装置，整个装置本身由聚二甲基硅氧烷材料制作而成，在浓度梯度生成装置的中心腔体处铺设一层水凝胶，在该装置内，可根据需求设置不同的进出口液体流动形式进而形成线性的或非线形的不同的浓度梯度的分布，即利用微通道自身特性和特征实现对微流体的驱动，进样，混合，分离和控制；采用聚二甲基硅氧烷的材料具有无毒，高保真，可逆变性，不易损坏的特性，整个微流体浓度梯度装置结构科学合理，基于其设计的分析设备使用时，在中心腔体内充满水凝胶，利用液压升降台持续提供溶液，即可实现实时检测分析流体的流动参数。
形成稳定的浓度梯度对于建立适合不同生物体研究需要的浓度梯度和相同生物体对于不同强度化学刺激的反应分析的研究非常有意义，本发明提供的分析设备具有体积小，成本少，耗能低，分析速度快等优点，在药物筛选，生物医学和环境监测，分析系统，化学等方面展现出了广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的微流体梯度装置结构示意图；
图2为本发明实施例的微通道结构示意图；
图3为本发明的分析设备示意图；
图4为为本发明的分析设备立体图；
图5为本发明的检测装置的结构示意图。
附图标记说明：1、调节旋钮；2、尺寸标杆；3、液体容器；4、OLED显示屏；5、调节托盘；6、底座；7、中心腔体；8、微通道；9、圆形结构；10、微流体梯度装置；11、垫板；12、软管；13、锂电池；14、充电管理单元；15、第一稳压单元；16、第二稳压单元；17、蓝牙通讯单元；18、CPU处理器；19、流体压力传感器；20、小型电磁阀。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置，包括微流体梯度装置10和垫板11，垫板11设置于微流体梯度装置10底部，微流体梯度装置10包括中心腔体7和微通道8，微通道8一端与中心腔体7连接，另一端设有圆形结构9，微通道8的数量为6个，中心腔体7、微通道8和圆形结构9深度相同且底部在同一水平面，在中心腔体7内充满水凝胶。圆形结构9可以作为微流体梯度装置10的进口也可以作为出口，溶液从进口通过缓慢的流动或者扩散到出口的过程中，在聚二甲基硅氧烷浓度生成装置的中心腔体7充满凝胶处形成线性的或者非线形的浓度梯度，并且根据出口和进口的位置分布和数量能够实现在装置内形成各种稳定的浓度梯度，本实施例中的6个圆形结构9分别为a、b、c、d、e和f，使用时根据具体需求进行设置。
如图2所示，微通道8采用直线型、曲线型或折线型。如图2(a)所示的微通道8采用来回弯折且弯折处呈直角过渡的结构；如图2(b)所示的微通道8采用连续“之”字弯折结构。微通道8采用上述结构主要是为了增大整个流道的黏滞阻力，以延长流体流动的时间，维持更长时间的浓度梯度。
如图3、图4所示，一种基于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，它还包括液压升降台和检测装置，液压升降台包括液体容器3、调节托盘5、尺寸标杆2和底座6，尺寸标杆2上设有刻度，液体容器3置于调节托盘5上，尺寸标杆2垂直穿过调节托盘5的一端，调节托盘5通过调节旋钮1沿尺寸标杆2上下移动，尺寸标杆2底部安装于底座6上，液体容器3上设有OLED显示屏4，液体容器3通过聚四氟乙烯材料软管12将液体输送至微通道8，如图5所示，检测装置包括硬件部分和软件部分，硬件部分包括锂电池13、充电管理单元14、第一稳压单元15、第二稳压单元16、蓝牙通讯单元17、OLED显示屏4、流体压力传感器19、小型电磁阀20以及CPU处理器18，充电管理单元14分别与锂电池13、第一稳压单元15、第二稳压单元16以及CPU处理器18连接，第二稳压单元16还与CPU处理器18连接，CPU处理器18还分别连接OLED显示屏4、蓝牙通讯单元17和流体压力传感器19，小型电磁阀20直接与充电管理单元14相连，流体压力传感器19安装于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的进口处，小型电磁阀20安装于液体容器3与软管12的连接处，软件部分包括Microfluidicanalytical instrument Android客户端和Microfluidic analytical instrument PC客户端。
本实施例中，CPU处理器18的型号为STM32F103C8，蓝牙通讯单元17通过UART接口与CPU处理器18连接。
需要说明的是，本实施例中的分析设备通过调节旋钮1来精密调节液体容器3的高度，并使液体容器3中的液体通过聚四氟乙烯软管12流入到微流体梯度装置10中；在液体容器3底部与聚四氟乙烯软管12的连接处由电磁阀控制，实现对流入聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的流体的流速、压强的控制，在进口处安装的流体压力传感器19，可以实时监测流体的流速，流量，压强等参数；检测装置的程序开始先与Microfluidicanalytical instrument Android客户端或Microfluidic analytical instrument PC客户端进行蓝牙连接，只有连接成功后，才可以开始之后的数据采集与通讯；检测装置与Microfluidic analytical instrument Android客户端或Microfluidic analyticalinstrument PC客户端连接成功后进入主循环，在主循环中完成流体运动数据采集，在此过程中在OLED显示屏4上显示采集到的数据与剩余电量，当Microfluidic analyticalinstrument Android客户端或Microfluidic analytical instrument PC客户端下达开始采集命令后，检测装置通过蓝牙将数据打包并上传，若下达的命令是停止采集，则停止数据打包上传，检测装置在程序运行空余时间，会执行电源管理程序，减小检测装置功耗；通过蓝牙接收设备将数据传送至PC端可以以波形图的形式对数据进行分析，通过Android客户端可以实时观察与分析此时装置中流体参数，并且可根据获取的数据对流体进行进一步的控制。
一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的结构制作SU-8模具；
S2、将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂在真空干燥箱按照10：1的质量配比混合均匀，并除净气泡，得到聚二甲基硅氧烷聚合物，将聚二甲基硅氧烷聚合物倒在步骤S1中制作好的SU-8模具上，再放置于水平的热板上进行固化，固化时间为2h，固化温度为65℃，然后将聚二甲基硅氧烷聚合物从SU-8模具中脱模，得到初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置；
S3、取聚二甲基硅氧烷预聚体和玻璃衬板，而后采用匀胶机以500r/min的速度均匀地将聚二甲基硅氧烷预聚体自旋涂覆至玻璃衬板上，而后在65℃的干燥箱中固化1h以上，形成厚1mm垫板11，最后通过氧等离子体氧化处理将垫板11直接与步骤S2中的初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置结合，得到聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置。
本实施例中的一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置及基于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备的设计过程包括以下几个步骤：
步骤一、结构的理论设计与计算
①当厚度远小于其长度和宽度时，可以用二维输送系统来描述装置中质量通量的变化。
Figure GDA0002399663520000061
其中，C是溶液的浓度，U,V分别是溶液在X,Y方向上的速度，D是分子扩系数(表示分子的扩散能力)
②假设只有一种溶液在装置中扩散时，上式公式可简化为：
Figure GDA0002399663520000062
其中，D可以由爱因斯坦方程导出：
Figure GDA0002399663520000063
其中，K是波尔兹曼常数K＝1.3806505(24)×10^(-23)J/K
T是绝对温度，μ是动力粘度，r是分子半径
③由以上公式可以得出其装置中溶液浓度的分布与其微通道自生的结构特征有关，所以可以通过改变其微通道自生的结构特征来实现对装置中流体流动的控制。
步骤二、利用SU-8模具制作聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置
步骤三、完整结构的提出
制作出的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置，溶液从进口通过缓慢的流动或者扩散到出口的过程中在聚二甲基硅氧烷浓度生成装置的中心腔体充满凝胶处形成线性的或者非线形的浓度梯度，并且可以通过改变其进口和出口的位置分布和数量来实现在腔体内形成各种稳定的不同的浓度梯度。
步骤四、分析设备的提出
本分析设备可以精密调节液体容器的高度，从而实现对流入聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的流体的流速、压强的控制，在流入浓度梯度装置的进口处安装流体压力传感器，可以实时监测流体的流速，流量，压强等参数，并将数据传送至电脑进行数据分析或者在液体容器内安装芯片，再通过蓝牙端口传送至芯片中，并显示在液体容器的显示屏上，也可以通过蓝牙直接将数据上传至手机客户端，通过手机APP可以实时观察与分析此时装置中流体参数，并且可根据获取的数据对流体进行控制。本装置使使用者可以更加方便的实时检测微流体浓度梯度装置中流体流动情况，并且可根据获取的数据对流体的流动施行进一步的控制，本装置利用压差的原理节约了装置使用成本，并且可以更加方便与精确的对流体的流动进行检测与进一步控制。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置，其特征在于，包括微流体梯度装置和垫板，所述垫板设置于微流体梯度装置底部，所述微流体梯度装置包括中心腔体和微通道，所述微通道一端与中心腔体连接，另一端设有圆形结构，所述微通道的数量为6个，所述中心腔体、微通道和圆形结构深度相同且底部在同一水平面，所述中心腔体内充满水凝胶。
2.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置，其特征在于，所述的微通道采用直线型、曲线型或折线型。
3.基于权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，其特征在于，包括液压升降台和检测装置，所述液压升降台包括液体容器、调节托盘、尺寸标杆和底座，所述液体容器置于调节托盘上，所述尺寸标杆垂直穿过调节托盘的一端，所述调节托盘通过调节旋钮沿尺寸标杆上下移动，所述尺寸标杆底部安装于底座上，所述液体容器上设有OLED显示屏，所述液体容器通过软管将液体输送至微通道，所述检测装置包括硬件部分，所述硬件部分包括锂电池、充电管理单元、第一稳压单元、第二稳压单元、蓝牙通讯单元、OLED显示屏、流体压力传感器、小型电磁阀以及CPU处理器，所述充电管理单元分别与锂电池、第一稳压单元、第二稳压单元以及CPU处理器连接，所述第二稳压单元还与CPU处理器连接，所述CPU处理器还分别连接OLED显示屏、蓝牙通讯单元和流体压力传感器，所述小型电磁阀与充电管理单元相连，所述流体压力传感器安装于聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的进口处，所述小型电磁阀安装于液体容器与软管的连接处。
4.根据权利要求3所述的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，其特征在于，所述软管采用聚四氟乙烯材料。
5.根据权利要求3或4所述的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，其特征在于，所述尺寸标杆上设有刻度。
6.根据权利要求3或4所述的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，其特征在于，所述CPU处理器的型号为STM32F103C8，所述蓝牙通讯单元通过UART接口与CPU处理器连接。
7.根据权利要求3或4所述的聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的分析设备，其特征在于，所述检测装置还包括软件部分，所述软件部分包括Microfluidicanalyticalinstrument Android客户端和Microfluidic analytical instrument PC客户端。
8.基于权利要求1所述的一种聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照所述聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度生成装置的结构制作SU-8模具；
S2、将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂在真空干燥箱按照10：1的质量配比混合均匀，并除净气泡，得到聚二甲基硅氧烷聚合物，将所述聚二甲基硅氧烷聚合物倒在所述步骤S1中制作好的SU-8模具上，再放置于水平的热板上进行固化，固化时间为2小时，固化温度为65℃，然后将所述聚二甲基硅氧烷聚合物从SU-8模具中脱模，得到初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置；
S3、取聚二甲基硅氧烷预聚体和玻璃衬板，而后采用匀胶机以500r/min的速度均匀地将聚二甲基硅氧烷预聚体自旋涂覆至玻璃衬板上，而后在65℃的干燥箱中固化1h以上，形成厚1mm垫板，最后通过氧等离子体氧化处理将所述垫板直接与所述步骤S2中的初聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置结合，得到聚二甲基硅氧烷微流体浓度梯度装置。
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