CN110732355B

CN110732355B - 一种微混合微流控芯片

Info

Publication number: CN110732355B
Application number: CN201910922272.XA
Authority: CN
Inventors: 倪中华; 项楠; 易红; 朱树; 韩煜; 唐德治; 全运临; 朱志贤
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: CN110732355A

Abstract

本发明公开了一种微混合微流控芯片，自上而下依次包括上混合层、中间层和下混合层，所述上混合层设置有至少两个分裂通道段和第一混合液出口；所述下混合层设置有第一液体入口、第二液体入口、凹凸结构通道段和第二混合液出口，所述中间层设置有第一通孔、第二通孔和混合液通孔，所述凹凸结构通道段两端口通过第一通孔、第二通孔与所述分裂通道段两端口首尾端连通，第一混合液出口和第二混合液出口通过中间层的混合液通孔进行连通。本发明的一种微混合微流控芯片，可以实现液体间快速、自动、精确地混合。

Description

一种微混合微流控芯片

技术领域

本发明涉及药物传输系统、生物医疗诊断、集成微芯片实验室等领域，具体涉及一种微混合微流控芯片。

背景技术

在生物医学、微分析系统、微化学处理等领域通常需要混合液体样本或者反应物。目前，微量液体样本或试剂的混合操作还主要依赖于操作人员的手动操作。但是，这种方法费时费力，且操作人员的手动操作混合还会引入很大的不确定性。比如：混合液体的比例会引入人为的误差、液体间混合的不均匀导致的反应物未能充分反应等。此外，在微流控、微分析系统、微化学处理等领域手动混合微量液体极大地降低了整个系统的自动化程度。因此，如何采用简便的方式实现液体间的快速、自动、精确地混合具有非常重要的实践应用价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现液体间的自动、快速、高效混合的微混合微流控芯片。

技术方案：本发明所述的一种微混合微流控芯片，自上而下依次包括上混合层、中间层和下混合层，所述上混合层设置有分裂通道段和第一混合液出口，所述下混合层设置有第一液体入口、第二液体入口、凹凸结构通道段和第二混合液出口，所述中间层设置有通孔和混合液通孔，所述分裂通道段一端通过所述通孔与凹凸结构通道段的一端连通组成混合通道，所述第一液体入口和第二液体入口分别同时与混合通道首端连通，所述第一混合液出口和第二混合液出口通过中间层的混合液通孔进行连通。

优选的，所述上混合层设置有至少两个分裂通道段，所述下混合层设置有至少两个凹凸结构通道段，所述中间层的通孔包括第一通孔和第二通孔，所述分裂通道段、凹凸结构通道段、第一通孔、第二通孔数量分别相同，所述凹凸结构通道段首、尾两端分别通过第一通孔、第二通孔与分裂通道段的首、尾两端顺次交叉连接，组成混合通道。

优选的，所述的下混合层上的多个凹凸结构通道段呈圆周排布，所述每个凹凸结构通道段中包含有多个凹凸结构，增加混合效果。

所述每个分裂通道段设有分裂流道段入口、分裂流道段和分裂流道段出口，所述每个凹凸结构通道段包括凹凸结构流道段入口、凹凸结构流道段和凹凸结构流道段出口，所述第一通孔数量、第二通孔数量、凹凸结构流道段数量和分裂流道段数量相同，所述凹凸结构流道段出口通过第一通孔与所述分裂流道段入口连通，所述凹凸结构流道段入口通过第一通孔与所述分裂流道段出口连通，所述第一混合液出口和第二混合液出口通过中间层的混合液通孔进行连通。

优选的，所述上混合层的每个分裂流道段设有1或多个分裂流道，所述分裂流道为不同长度，不同曲率的圆弧，所述每个分裂流道的首端和尾端分别相交于所述分裂流道段入口和分裂流道段出口，提升混合效率。

优选的，所述凹凸结构流道段入口、凹凸结构流道段出口、分裂流道段入口和分裂流道段入口的截面相同，所述中间层第一通孔或者第二通孔的截面流量与上、下出入口的混合液截面流量相差0.5—0.8倍，所述截面是指与层面平行的截面；目的是在垂直方向上形成凹凸结构，垂直方向的凹凸结构能引起液体的涡流，加速混合。

优选的，所述的上混合层的第一混合液出口、中间层的混合液通孔、下混合层的第二混合液出口三者相同，上混合层的第一混合液出口与中间层的混合液通孔是全部贯通的孔，下混合层的第二混合液出口只有与中间层的混合液通孔相连的那一侧开孔。

优选的，所述上混合层和下混合层为聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材料中一种或几种，所述的中间层为双面胶。

上混合层的第一混合液出口与用于收集混合液的离心管相连，上混合层上设置有多个分裂流道段，每个分裂流道段设置有多个分裂流道，且每个分裂流道的长度、曲率略有不同，首端和尾端分别相交于同一个分裂流道段出口和分裂流道段入口，使用时，液体经过分裂流道段入口进入各分裂流道，然后在分裂流道段出口处重新汇聚在一起；由于Dean流以及涡流的作用，重新汇聚的液体间的混合效果会极大地增强；下混合层的第一液体入口、第二液体入口分别与装有第一种液体和第二种液体的注射器相连，每个凹凸结构流道段上设置有多个凹凸结构，使用时，液体从凹凸结构流道段入口进入凹凸结构流道段，并且经过凹凸结构流道段出口流出，由于凹凸结构流道段会引起液体的涡流，从而加速液体间的混合；中间层的第一通孔和第二通孔为上、下两混合层中的混合液体提供连接通道，保证混合液体能够在上混合层和下混合层两种微混合结构之间流通，使得液体能够在三维的流道中流动，以加速混合效果；中间层的第一通孔比上混合层上的分裂流道段入口、分裂流道段出口和下混合层上的凹凸结构流道段入口、凹凸结构流道段出口略大或者略小，三层堆叠后，他们共同组成数个凹凸结构段，从而引发液体的涡流以加速混合；三层堆叠后，上混合层的流道与下混合层的流道通过中间层的通孔相通，使得液体在上混合层与下混合层之间往复运动，最终通过混合液出口排出。

有益结果：本发明设计的一种微混合微流控芯片，可以实现液体间快速、自动、精确地混合，比如罗丹明B和荧光素溶液、红细胞裂解液与血液。其混合液体时不会引入诸如人为操作等的不确定性，也不会影响在生物医学应用等情况下的细胞活性，并且可以集成于其他微纳系统之中。

附图说明

图1是本发明一种微混合微流控芯片的装配爆炸示意图；

图2是上混合层的结构示意图；

图3是中间层的结构示意图；

图4是下混合层的结构示意图；

图5是垂直方向上的凹凸结构示意图；

图6是本发明芯片不同位置的混合效率测试结果。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明所述一种微混合微流控芯片由上混合层1、中间层2、下混合层3自上而下组装而成。

如图2所示，所述的上混合层1上设置有五个分裂流道段11、分裂流道段出口12、分裂流道段入口13、第一混合液出口14；其中，每个分裂流道段11设置有四个分裂流道，每个分裂流道均为圆弧形，相互之间的长度、曲率略有不同，液体从分裂流道段入口13流入分裂流道，并且在分裂流道段出口12处重新汇聚在一起。分裂流道段出口12、分裂流道段入口13为截面为扇形的孔。

如图3所示，所述的中间层2上设置有第一通孔21、第二通孔22、混合液通孔23。其中，第一通孔21、第二通孔22、混合液通孔23分别与上混合层1上的分裂流道段入口13、分裂流道段出口12、第一混合液出口14相连。第一通孔21、第二通孔22的底面为圆形且底面积要比上混合层1上的分裂流道段入口13、分裂流道段出口12的底面积略大。混合液通孔23的底面直径与第一混合液出口14的底面直径相等。

如图4所示，所述的下混合层3上设置有第一液体入口31、第二液体入口32、凹凸结构流道段33、凹凸结构流道段入口34、凹凸结构流道段出口35、第二混合液出口36；其中凹凸结构流道段入口34、凹凸结构流道段出口35、第二混合液出口36分别与中间层2上的第二通孔22、第一通孔21、混合液通孔23相连。凹凸结构流道段入口34、凹凸结构流道段出口35为有一定高度的扇形且底面积要比中间层2上的第二通孔22、第一通孔21的底面积略小。第二混合液出口36的底面直径与中间层2上的混合液通孔23的底面直径相同。

如图5所示，所述的上混合层1上的分裂流道段出口12、中间层上2上的第二通孔22、下混合层3上的凹凸结构流道段入口34共同组成了一个凹凸的流道结构。

本实施例中，上混合层1、下混合层3均为三片结构，第一片和第三片为PVC塑料，第二片为硅胶材料。制作时，在选取的PVC基底和硅胶基底上分别用激光器刻出所需的结构，再通过离子体键合技术完成封装。本技术加工时间短(＜1min/片)，加工精度高(偏差约5μm)，制作成本低，灵活性极强。中间层2为双面胶材料。制作时，在选取的表面覆盖有PVC基底的双面胶材料上用激光器刻出所需的结构，激光加工时，PVC基底面朝下。上混合层1、中间层2、下混合层3的堆叠是通过中间层2的双面粘附性实现的。装配时，先将上混合层1与中间层2粘在一起，然后撕去双面胶材料上的PVC保护膜，并且与下混合层3粘在一起。

本发明涉及一种微混合微流控芯片，整体结构自上而下依次由上混合层1、中间层2、下混合层3堆叠而成。所述第一混合液出口14与收集混合液的离心管相连，所述的下混合层3的第一液体入口31和第二液体入口32分别与装有第一种液体和第二种液体的注射器相连，用于本微流控芯片的样本液的进样。经过实验测试，在第一种液体和第二种液体的流速均为1200μl/min的情况下，两种液体的混合效率可达94.2％。如图6所示，用罗丹明B和荧光素溶液测得了本微混合微流控芯片在不同位置处的混合效率，混合效率随着液体地流动方向不断增加，最终达到了94.2％的混合效率。在提取人体中的白细胞的过程中，需要先将红细胞裂解液和血液混合均匀。因此，本实施例中还测试了红细胞裂解液和人体血液的混合效果，并且血液和红细胞裂解液流经本微流控芯片后能够实现非常好的混合效果。

Claims

1.一种微混合微流控芯片，其特征在于，自上而下依次包括上混合层(1)、中间层(2)和下混合层(3)，所述上混合层设置有分裂通道段和第一混合液出口(14)，所述下混合层设置有第一液体入口(31)、第二液体入口(32)、凹凸结构通道段和第二混合液出口(36)，所述中间层设置有通孔和混合液通孔(23)，所述分裂通道段一端通过所述通孔与凹凸结构通道段的一端连通组成混合通道，所述第一液体入口和第二液体入口分别同时与混合通道首端连通，所述第一混合液出口和第二混合液出口通过中间层的混合液通孔进行连通，所述上混合层设置有至少两个分裂通道段，且每个分裂通道段的长度、曲率略有不同，所述下混合层设置有至少两个凹凸结构通道段，所述中间层的通孔包括第一通孔和第二通孔，所述分裂通道段、凹凸结构通道段、第一通孔、第二通孔数量分别相同，所述凹凸结构通道段首、尾两端分别通过第一通孔、第二通孔与分裂通道段的首、尾两端顺次交叉连接，组成混合通道。

2.根据权利要求1所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，所述下混合层上的多个凹凸结构通道段呈圆周排布，每个所述凹凸结构通道段中包含有多个凹凸结构。

3.根据权利要求1所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，每个所述分裂通道段设有分裂流道段入口(13)、分裂流道段(11)和分裂流道段出口(12)，所述每个凹凸结构通道段包括凹凸结构流道段入口(34)、凹凸结构流道段(33)和凹凸结构流道段出口(35)，所述凹凸结构流道段出口(35)通过第一通孔(21)与所述分裂流道段入口(13)连通，所述凹凸结构流道段入口(34)通过第二通孔(22)与所述分裂流道段出口(12)连通，所述第一混合液出口(14)与第二混合液出口(36)通过中间层的混合液通孔(23)进行连通。

4.根据权利要求3所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，所述上混合层的每个分裂流道段(11)设有1或多个分裂流道，所述每个分裂流道的首端和尾端分别相交于所述分裂流道段入口和分裂流道段出口。

5.根据权利要求3所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，所述凹凸结构流道段入口、凹凸结构流道段出口、分裂流道段入口和分裂流道段入口的截面相同，所述中间层第一通孔和第二通孔的截面流量与和其连通的上、下出入口的混合液截面流量相差0.5—0.8倍。

6.根据权利要求1所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，所述第一混合液出口、混合液通孔、第二混合液出口三者相同，第一混合液出口与混合液通孔是全部贯通的孔，第二混合液出口只有与混合液通孔相连的那一侧开孔。

7.根据权利要求1所述的一种微混合微流控芯片，其特征在于，所述上混合层和下混合层为聚二甲基硅氧烷PDMS、硅胶、塑料、玻璃材料中一种或几种，所述的中间层为双面胶。