CN109847815A

CN109847815A - 一种可扩展倍比稀释微流控芯片、制备方法和稀释方法

Info

Publication number: CN109847815A
Application number: CN201811480673.6A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 毛海央; 程洁; 杨宇东; 黄成军
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2018-12-05
Filing date: 2018-12-05
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2038-12-05
Also published as: CN109847815B

Abstract

一种可扩展倍比稀释微流控芯片，由盖片与基底组成，上层为加工有方波形微流道网络结构的盖片，下层为平板基底，上层盖片与下层基底通过键合形成封闭的微流道网络；微流道两端的两个进样口、N个出样口与外界的软质导管相连，N是≥1的整数，N个出口代表对待稀释液体样品所进行稀释的级数；恒定正压下通过微注射泵将微注射器中的待稀释试剂样品与稀释剂加入进样口，出样口处的软质导管与倍比稀释后样品的收集装置相连构成微流控芯片；进样口有过滤槽，过滤槽内设有一排有一定间距的相同矩形阻挡块；每一级稀释模块都由混合流道与连接流道构成，混合流道与连接流道长度固定；每一级稀释区域的方波形混合流道内拐角处设置交错排列的矩形挡板。

Description

一种可扩展倍比稀释微流控芯片、制备方法和稀释方法

技术领域

本发明涉及化学分析技术领域，尤其涉及一种可扩展倍比稀释微流控芯片、制备方法和稀释方法。

背景技术

近年来，随着微全分析系统(Micro Total Analysis System，μTAS)的快速发展，微流控芯片作为一种新型器件，以其体积小、响应速度快和集成度高等优点，被广泛用于生化分析、化学合成和临床测试等领域。其中，在细胞分析和生化实验中溶液的混合操作中，经常需要将特定的药液进行一定比例的稀释或者快速混合。目前，对于大剂量样品溶液的稀释常用到烧杯，试管，容量瓶等对所需稀释的试剂进行配比，对于小剂量样品溶液的稀释常利用96孔板通过手动操作的方式将样品溶液稀释成一系列的梯度化浓度。这些方法过程繁琐、耗时较长，且试剂用量大，容易造成液体的废弃，难以满足高通量分析的要求。另外，人工操作易引入实验误差，影响实验结果的准确性。

浓度梯度微流控芯片作为一项新兴的技术，通过改变网络通道的构型设计、初始液流的浓度和组合顺序，就可以得到试验所需的浓度范围。液体在微流控芯片通道内大多为层流状态，在两种或多种液体接触时主要通过扩散方式交互；然而通过拐角及通道粗细的设计可增大溶液间的接触面积或形成混合涡流，进而可以得到所需的混合浓度梯度，一次性在线完成多组平行试验。目前已报道的方法中，SKW Dertinger等人设计了一种“圣诞树”型浓度梯度微流控芯片，在层流状态下，不同浓度的组分在各级节点和分叉处按照一定比例进行扩散与混合，在出口处形成了线性与非线性的浓度梯度。该方法中芯片是由多级弯曲的微通道构成，其结构较为复杂，随着稀释范围变大，则需要进一步增大芯片面积，整体来说实用性不强，集成度不高，不适于大批量推广应用。Kangsun Lee等人设计了一种能够产生线性到非线性的任意浓度梯度的级联型微流控芯片，通过计算每条通道的流阻就可以得到相应的出口浓度。此外，芯片的输出流速可以根据试验需要进行任意调节。但是，由于该芯片的混合通道为蛇形，流体在流道内混合主要依赖分子间的扩散，为了使待稀释样品溶液与稀释剂进行完全混合需要较长的混合流道，造成芯片面积过大，而且浓度梯度分布不够精细，无法满足对一种溶液进行大规模的稀释。该芯片网络结构较复杂，难以根据样品所需稀释的倍数对其进行扩展。而且这些微流控芯片未能考虑到样品溶液中的杂质以及大分子颗粒会造成通道堵塞的问题，从而在实际应用中受到诸多限制。

发明内容

本发明提供一种可扩展倍比稀释微流控芯片，根据不同实验所需对样品倍比稀释级数的不同，可对芯片的稀释流道和出口数量进行扩展，进而满足对样品多级倍比稀释的要求。通过在每一级稀释区域的方波形混合流道内拐角处设置交错排列的矩形挡板，使待稀释试剂样品与稀释剂在较短流道内快速完成混合，最终可在出口处同时收集到分别经过多级倍比稀释后的样品溶液。每一级收集到的样品溶液的浓度都为上一级样品溶液的一半，生成的溶液浓度较为准确、稳定。

一种可扩展倍比稀释微流控芯片，所述可扩展倍比稀释微流控芯片由盖片与基底组成，上层为加工有方波形微流道网络结构的盖片，下层为平板基底，上层盖片与下层基底通过键合形成封闭的微流道网络；芯片中，微流道两端的两个进样口、N个出样口与外界的软质导管相连，其中N是≥1的整数，N个出口代表对待稀释液体样品所进行稀释的级数；恒定正压下通过微注射泵将微注射器中的待稀释试剂样品与稀释剂加入进样口，出样口处的软质导管与倍比稀释后样品的收集装置相连，构成整个微流控芯片系统；芯片的进样口处设计有过滤槽，过滤槽内设有一排具有一定间距的相同矩形阻挡块，一是用于过滤待稀释样品中所含有较大的杂质颗粒，二是用于避免从微注射针向芯片内注入流体时产生较大的气泡；每一级的稀释模块都由混合流道与连接流道构成，为了简化微流控网络计算的复杂性，混合流道与连接流道长度固定。

所述微流道网络内的两种液体经过混合、分流、再混合、再分流的过程，以此类推，最终实现对待稀释样品溶液的倍比稀释。具体过程为：稀释剂从进样口1进入后被分为N条微通道，浓度为c(c>0)的待稀释样品溶液从进样口2进入，经连接通道k(k＝1，k<N)与第i(i＝1，i<N)条微流道中的稀释剂汇合，两种溶液等量进入第一级稀释区域，稀释区域内设置有带有矩形挡板的方波形混合流道，两种溶液在混合流道内进行第一次混合，混合后的溶液浓度为c/2；然后对该流道内的液体进行分流，其中一部分流入出样口j(j＝1，j<N)所对应的流道，另一部分进入连接流道k+1，与第i+1条微流道中的稀释剂等量进入第二级稀释区域，两种溶液在混合区域内进行第二次混合，混合后的溶液浓度为c/4，然后再对该流道内的液体进行分流，其中一部分流入出样口j+1，另一部分进入连接流道k+1，与第i+2条微流道中的稀释剂等量进入第三级稀释区域。以此类推，混合后浓度为c/2^N-1的溶液，一部分流入出样口j+N-2，另一部分进入连接流道k+N-1，与第i+N-1条微流道中的稀释剂等量进入第N级稀释区域，两种溶液在混合区域内进行第N次混合，混合后的溶液浓度为c/2^N，最终完成对待稀释样品溶液的N级倍比稀释。

可选地，所述盖片的加工材料可采用有机高分子聚合物、玻璃、石英、硅等材料，所述平板基底的加工材料采用玻璃、有机玻璃。

可选地，除了进样口处的过滤槽，每段流道的横截面积都相同，宽度均为50-400μm，深度均为50-200μm。

可选地，每个稀释模块中的连接流道与混合流道的长度均相同，混合流道总长度为10-20mm，连接流道总长度为3-6mm。

可选地，所述方波形混合流道的每个拐角处分别设置有斜45°的矩形挡板，挡板长度为流道拐角处总长度的1/4～3/4。由于挡板顶部壁面与挡板间存在狭小缝隙，使流体在流经挡板处时流速快速增加，在离心力作用下经过挡板后的流体在流道中产生明显的扩展涡，形成较大的涡流，使流体间获得更大的接触面积，进而促进待稀释剂样品与稀释剂的混合。

可选地，所述过滤槽设置在芯片两个进样口之前，长度为400-1000μm，宽度为其他流道宽度的2-5倍，过滤槽内部设置有一排相同的矩形阻挡块，矩形阻挡块长度为50-800μm，宽度为10-50μm，每个矩形阻挡块之间的间距为10-30μm，目的是为了过滤待稀释液体样品与稀释剂中较大的杂质颗粒，且避免从微注射针向芯片内注入流体时产生较大的气泡。

可选地，芯片的出样口数量N由对待稀释试剂样品的稀释级数确定，且N是≥1的整数。

可选地，芯片两个进样口液体的流速设有一定的流量比，固定N个出样口的溶液流量后，可根据基尔霍夫定律算出每段微流道内溶液的流量，进样口1的流量为分出的N条微流道流量的总和，进样口2的流量为该微流道内溶液的流量，两个进样口流量比固定保持不变。

可选地，除了混合流道和连接流道的长度是固定值之外，其余各个流道的长度通过基尔霍夫定律进行确定。

可选地，所述可扩展倍比稀释微流控芯片的制备方法为：

准备衬底：准备4寸硅片作为硅衬底；

甩胶：利用匀胶机在硅衬底上旋涂一层一定厚度的SU-8负性光刻胶，并将硅衬底置于热板上进行前烘；

曝光和显影：采用紫外曝光机对衬底片进行曝光，将衬底片分别放置于丙二醇甲醚醋酸酯与异丙醇溶液中进行各15s的循环显影，随后，将显影后的硅衬底放置于150℃的真空干燥箱内静置10min，进行坚膜；

打孔与键合：利用打孔器对盖片的进样口与出样口进行打孔，接着将盖片与基底的键合面朝上，放入氧等离子体清洗机进行清洗后，再将两个键合面进行不可逆封接，并在65℃的真空干燥箱内放置30min，完成键合。

相比现有技术，本发明的可扩展倍比稀释微流控芯片具有以下优点：

通过在混合流道内设计矩形挡板，以打破流体在微流道内稳定规则的流动状态，使流体间获得更大的接触面积，进而促进混合，实现了在较短的微流道内对待稀释试剂样品进行高效、快速的倍比稀释，整个过程耗时较少，且芯片的面积得到了进一步的缩小，大大提高了该芯片的集成度。

通过微流控梯度网络理论，可以对芯片的稀释流道进行扩展，根据不同实验所需对样品的倍比稀释级数的不同，可对芯片的出口数量进行扩展，从而满足对样品的多级倍比稀释，得到待稀释试剂样品不同的倍比稀释浓度级数。

所述可扩展倍比稀释微流控芯片的进样口处设置有过滤槽，不仅能够有效避免样品溶液中的杂质对流道造成堵塞，进而延长芯片的使用时间，而且能够避免从微注射针向芯片内注入流体时产生较大的气泡，影响实验结果。

所述可扩展倍比稀释微流控芯片的出样口处的溶液流量可以根据需要进行设置，且每个出样口流量都相等，以方便对倍比稀释后的样品溶液进行收集。

所述可扩展倍比稀释微流控芯片具有工艺简单、易操作、高稳定性等显著优点。通过固定两个进样口间的流量比，就可实现对样品试剂较高精度的倍比稀释，进而为抗菌药物敏感试验的研究提供了一条方便快捷、试剂用量少的新途径。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可扩展倍比稀释微流控芯片的等效电路模型图；

图2为本发明实施例提供的四级倍比稀释芯片的3D模型图；

图3为本发明实施例提供的四级倍比稀释芯片中微流道网络结构的平面俯视图；

图4为本发明实施例提供的四级倍比稀释芯片的混合流道平面俯视图；

图5为本发明实施例为制备可扩展倍比稀释微流控芯片提供所需模具衬底剖面图；

图6为本发明实施例提供的在所需衬底上甩胶后的剖面图；

图7为本发明实施例提供的在所需衬底上曝光与显影后形成模具的剖面图；

图8为本发明实施例提供的在所述模具上设置PDMS预聚体的剖面图；

图9为本发明实施例提供的将打孔后的盖片与基底进行键合后的剖面图；

图10为本发明实施例提供的倍比稀释浓度和出样口之间的对应关系示意图。

图中：a、微流道宽度；b、过滤槽宽度；c、过滤槽长度；d、矩形挡板长度；e、矩形挡板宽度；f、方波流道拐角处挡板长度与间隙总长；1、硅衬底；2、SU-8负性光刻胶；3、PDMS盖片；4、进样口打孔；5、出样口打孔；6、平板基底；7、进样口一；8、进样口二；9、过滤槽；10、混合流道；11、连接流道；12、出样口一；13、出样口二；14、出样口三；15、出样口四；16、矩形阻挡块；17、矩形挡板

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合具体实施例对本发明可扩展倍比稀释微流控芯片进行详细说明。

本发明实施例提供的可扩展倍比稀释微流控芯片，出样口的数量可根据实际的需求进行预先设定，可以为两个、三个或N个，如图1所示。本实例中以四级倍比稀释微流控芯片(出样口数量N＝4)进行说明，具体结构参见图2。微流控芯片由两层组成，上层是PDMS盖片3，下层是玻璃基底6。基片一面加工有方波形微流道网络结构，微流道宽度a为200μm，深度100μm，其中包括进样口一7、进样口二8，出样口一12、出样口二13、出样口三14、出样口四15，两个进样口处设置有过滤槽9，考虑到流体流到此处时会与流道壁间产生较大的压力，因此过滤槽宽度b为其它微流道宽度a的4倍，过滤槽长度c为1000μm，过滤槽中设置有间距为30μm的矩形阻挡块16，矩形阻挡块长为200μm，宽30μm，如图3所示。每级稀释区域中都包括方波形混合流道10，连接流道11，流道拐角处设置有矩形挡板17，矩形挡板长度d为方波通道拐角处挡板长度与间隙总长f的3/4，宽度e为50μm，如图4所示。通过固定混合流道10的长度10mm，连接流道11的长度为3mm，以及出样口的液体流量为0.4μL/min，可以根据基尔霍夫定律求出其余各段流道的长度，以及两个进样口间的流量比为3.267:1，两个进样口的流量在满足固定流量比的情况下，分别设置为1.225μL/min和0.375μL/min，不宜过大，防止由于压力过大造成芯片的损坏。

本实例中的四级倍比稀释微流控芯片具体工艺制备流程为：

(1)准备衬底：准备4寸硅片作为硅衬底1，如图5所示。(2)甩胶：利用匀胶机在硅衬底上旋涂一层厚度为100μm的SU-8负性光刻胶2，匀胶机设置的参数为：初速600rpm，1min，转速1000rpm，时间40s。甩胶后，将硅衬底1置于热板上前烘，热板温度和时间分别设置为65℃，5min；95℃，10min和65℃，1min，如图6所示。(3)曝光和显影：采用紫外曝光机对衬底片进行曝光，100μm厚的SU-8光刻胶所需的曝光剂量为3.6mW/cm²，曝光时间为35s。将衬底片分别放置于丙二醇甲醚醋酸酯与异丙醇溶液中进行各15s的循环显影，随后，将显影后的硅衬底1放置于150℃的真空干燥箱内静置10min，进行坚膜，如图7所示。(4)倒模：将PDMS与固化剂以10:1的比例进行配制形成PDMS预聚体，并将其倒在硅衬底1上，如图8所示。待固化后，将PDMS从硅衬底1上剥离，即可得到具有微流道网络结构的PDMS盖片3。(5)打孔与键合：利用打孔器对PDMS盖片进行进样口打孔4与出样口打孔5，孔径为1mm，接着将PDMS盖片3和玻璃基底6的键合面朝上，放入氧等离子体清洗机清洗1min，再将两个键合面进行不可逆封接，并在65℃的真空干燥箱内放置30min，最终完成四级倍比稀释微流控芯片的制作，如图9所示。

芯片开始工作时，利用型号为Harvard Pump 11Elite微注射泵将稀释剂(浓度为0mol/m³)与待稀释样品溶液(浓度为1mol/m³)同时以1.225μL/min和0.375μL/min注入到进样口一和进样口二，两种溶液等量进入第一级稀释区域，在混合流道内经矩形挡板作用完全混合完毕后，一级倍比稀释后的样品溶液(浓度为0.5mol/m³)一部分流入出样口一，另一部分通过连接流道，流入第二级稀释区域，此时与刚好到达的稀释剂等量进入混合流道，混合后的溶液(浓度为0.25mol/m³)一部分流入出样口二，另一部分进入第三级稀释区域，以此类推，最终在出样口一、二、三、四收集到分别经过四级倍比稀释后的样品溶液，最终出口浓度与出口的对应关系如图10所示，浓度依次约为前一次浓度的1/2。

本发明实施例中的四级倍比稀释微流控芯片，结构简单、便于制造、适于市场推广，且芯片出口数量可以根据实际需求进行设定与扩展，对溶液间的混合有良好的效果，能够实现待稀释试剂样品精确的倍比稀释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，所述可扩展倍比稀释微流控芯片由盖片与基底组成，上层为加工有方波形微流道网络结构的盖片，下层为平板基底，上层盖片与下层基底通过键合形成封闭的微流道网络；芯片中，微流道两端的两个进样口、N个出样口与外界的软质导管相连，其中N是≥1的整数，N个出口代表对待稀释液体样品所进行稀释的级数；恒定正压下通过微注射泵将微注射器中的待稀释试剂样品与稀释剂加入进样口，出样口处的软质导管与倍比稀释后样品的收集装置相连，构成整个微流控芯片系统；芯片的进样口处设计有过滤槽，过滤槽内设有一排具有一定间距的相同矩形阻挡块；每一级的稀释模块都由混合流道与连接流道构成，混合流道与连接流道长度固定。

2.根据权利要求1所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，所述盖片的加工材料采用有机高分子聚合物、玻璃、石英或硅材料，所述平板基底的加工材料采用玻璃或有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的可扩展微流控芯片，其特征在于，除了进样口处的过滤槽，每段流道的横截面积都相同，宽度均为50-400μm，深度均为50-200μm。

4.根据权利要求1所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，每个稀释模块中的连接流道与混合流道的长度均相同，混合流道总长度为10-20mm，连接流道总长度为3-6mm。

5.根据权利要求1所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，所述方波形混合流道的每个拐角处分别设置有斜45°的矩形挡板，挡板长度为流道拐角处总长度的1/4～3/4。

6.根据权利要求1所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，所述过滤槽设置在芯片两个进样口之前，长度为400-1000μm，宽度为其他流道宽度的2-5倍，过滤槽内部设置有一排相同的矩形阻挡块，矩形阻挡块长度为50-800μm，宽度为10-50μm，每个矩形阻挡块之间的间距为10-30μm。

7.根据权利要求1所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，芯片两个进样口液体的流速设有一定的流量比，固定N个出样口的溶液流量后，根据基尔霍夫定律算出每段微流道内溶液的流量，进样口1的流量为分出的N条微流道流量的总和，进样口2的流量为该微流道内溶液的流量，两个进样口流量比固定保持不变。

8.根据权利要求1、4或5所述的可扩展倍比稀释微流控芯片，其特征在于，除了混合流道和连接流道的长度是固定值之外，其余各个流道的长度通过基尔霍夫定律进行确定。

9.一种可扩展倍比稀释微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括：

准备4寸硅片作为硅衬底；

利用匀胶机在硅衬底上旋涂一层一定厚度的SU-8负性光刻胶，并将硅衬底置于热板上进行前烘；

采用紫外曝光机对衬底片进行曝光，将衬底片分别放置于丙二醇甲醚醋酸酯与异丙醇溶液中进行各15s的循环显影，随后，将显影后的硅衬底放置于150℃的真空干燥箱内静置10min，进行坚膜；

利用打孔器对盖片的进样口与出样口进行打孔，接着将盖片与基底的键合面朝上，放入氧等离子体清洗机进行清洗后，再将两个键合面进行不可逆封接，并在65℃的真空干燥箱内放置30min，完成键合。

10.一种可扩展倍比稀释微流控芯片的稀释方法，其特征在于，包括：

稀释剂从进样口1进入后被分为N条微通道，浓度为c(c>0)的待稀释样品溶液从进样口2进入，经连接通道k(k＝1，k<N)与第i(i＝1，i<N)条微流道中的稀释剂汇合，两种溶液等量进入第一级稀释区域，稀释区域内设置有带有矩形挡板的方波形混合流道，两种溶液在混合流道内进行第一次混合，混合后的溶液浓度为c/2；

然后对该流道内的液体进行分流，其中一部分流入出样口j(j＝1，j<N)所对应的流道，另一部分进入连接流道k+1，与第i+1条微流道中的稀释剂等量进入第二级稀释区域，两种溶液在混合区域内进行第二次混合，混合后的溶液浓度为c/4；

然后再对该流道内的液体进行分流，其中一部分流入出样口j+1，另一部分进入连接流道k+1，与第i+2条微流道中的稀释剂等量进入第三级稀释区域；

以此类推，混合后浓度为c/2^N-1的溶液，一部分流入出样口j+N-2，另一部分进入连接流道k+N-1，与第i+N-1条微流道中的稀释剂等量进入第N级稀释区域，两种溶液在混合区域内进行第N次混合，混合后的溶液浓度为c/2^N，最终完成对待稀释样品溶液的N级倍比稀释。