CN115400805B - 一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控多浓度梯度的混合室‑反应室集成微流控芯片，包括塔式混合通道、混合室‑反应室集成阵列和芯片出入口。高密度集成化的多浓度梯度微流控芯片是生化工程中的迫切需求。本发明通过耦合塔式混合通道和集成式混合室‑反应室阵列，阵列中的混合室与反应室分别承担混合场所和反应场所，同时具有混合室‑反应室高密度集成化的特点，能够作为高效生成可控浓度的多浓度梯度反应器，生成的浓度梯度能够在持续稳定注入入口液体情况下保持长时间稳定，并且可通过调节注入液体速度和浓度实时对浓度分布进行控制和调节。本发明设计生成多浓度梯度的不同数量的混合室‑反应室阵列，在极少量反应物需求的前提下同时实现大规模的不同微量反应。
Description
技术领域
本发明涉及微流控器件设计，具体涉及一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片。
背景技术
微流控器件作为一种高效低耗的检测和反应装置被广泛应用于医学、生物、化学、能源、电子设备以及航空航天等领域。相比于传统的检测和反应装置，微流控器件的优势在于：更精确的检测和反应能力、更快速的检测和反应时间、更低的反应材料消耗和更灵活的使用场景。
目前，传统的生物化学反应大多数在试管内进行。这种传统的实验方法不仅低效且容易造成对实验耗材的浪费，尤其不适应于反应物珍贵稀少且需要快速进行批量实验的应用场景。微流控掺混方法目前普遍采用单塔式结构的混合通道，该混合方式能够一定程度上将少量集中浓度的试剂溶液进行掺混并且产生多于入口数量的出口浓度。但是这种已经存在的单塔式结构的混合通道虽然克服了实验耗材的浪费问题，却依然仅仅能产生较少的浓度环境的反应器，因而不适应于大规模的实验同时进行，造成实验低效。
值得说明的是，单塔式结构的混合通道虽然能够产生较稳定的浓度梯度，然而，其调控范围十分有限，对产生的反应室浓度环境的浓度值和浓度值的梯度分布均不能产生较大规模的多梯度浓度反应室。然而，国内外混合微流控芯片的设计均未考虑该不利因素的影响。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种可控浓度的多浓度梯度混合室-反应室集成微流控芯片，通过耦合塔式混合通道和混合室-反应室集成阵列，实现了可控浓度的多浓度梯度高效生成，该浓度分布能够在持续稳定注入入口液体情况下保持长时间稳定，并且可通过调节注入液体速度和浓度能动地实时对浓度分布进行控制和调节，同时具有微反应室高密度集成化的特点。本发明设计生成多浓度梯度的不同数量的微反应室阵列，在极少量反应物需求的前提下同时实现大规模的不同微量反应。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，包括塔式混合通道、混合室-反应室集成阵列和芯片出入口；所述塔式混合通道用于生成单梯度浓度序列；所述混合室-反应室集成阵列包括混合室、反应室和联通流道，每一个混合室和反应室之间的连接通过直微流道或曲微流道，彼此联通形成微流道阵列，并且有两个或两个以上的塔式混合通道作为浓度梯度的生成结构，生成两个或两个以上的浓度梯度后在混合室-反应室集成阵列中进行多浓度梯度混合。
进一步地，所述混合室-反应室集成阵列中的腔室分为混合室与反应室，两种腔室分别承担混合场所和反应场所的功能，并且每一个腔室只承担其中一种功能；所述反应室只与两个联通流道相连，一个作为该反应室的入口，另一个作为该反应室的出口，其主要功能是为生物、化学、流体力学等方面的实验提供相对均衡的特定浓度液体环境的反应场所；所述混合室与三个及以上联通流道相连，两种及以上液体在混合室内进行掺混，其主要功能是为集成化的微流控芯片提供不同浓度的流体混合场所，以实现浓度二维分布的多样性；并且该阵列具有混合室-反应室高密度集成化的特点。
进一步地，所述塔式混合通道与混合室-反应室集成阵列相连接，混合室-反应室集成阵列宏观形状呈三角形、四边形、六边形或其他形状，分别称为三塔式、四塔式、六塔式、自由式。
进一步地，通过调整微流控芯片的注入流体的浓度、速度以及芯片出入口数量，对反应室内流体溶质浓度分布进行调控，具体来说，芯片入口处的流体速度、种类和浓度根据需求进行设定，芯片入口处某种流体的浓度越高，速度越快，占据的芯片入口越多，该种流体在混合室-反应室集成阵列中的分布占比越高，浓度越大。
进一步地，所述塔式混合通道的入口即为微流控芯片的入口，混合室-反应室集成阵列作为流体入口的每一条边与塔式混合通道相连接；所述微流控芯片的出口如下描述，混合室-反应室集成阵列作为流体出口的每一条边与塔式混合通道连接作为芯片出口，或者不连接塔式混合通道直接作为芯片出口，或者连接其他形状流体通道作为芯片出口。
进一步地，所述混合室-反应室集成阵列作为流体入口的每一条边以及作为流体出口的每一条边均与塔式混合通道相连接，入口出口结构设置为对称结构，用于增强微流控芯片的普适性，用户可以在一定范围内根据需求对特定入口/出口进行调换，而不需要制作新的结构芯片。
进一步地，不同反应室和混合室之间的连接通过直微流道或曲微流道，直微流道应用于反应室内液体浓度均匀性要求低的应用场景，曲微流道应用于反应室内液体浓度均匀性要求高的应用场景；曲微流道形状和长度在设计时进行调整，对应调控反应室内的液体浓度均匀性。
进一步地，反应室和混合室周围根据应用场景增设附加结构，包括入口阀/出口阀或者细胞及药物等注入阀/输出阀；所述塔式混合通道结构的出口通道上根据应用场景增设反应室和/或附加结构。
进一步地，所述塔式混合通道结构的入口数量根据需求进行设定，入口数量小于或等于出口数量，中间通过交叉的纵横通道进行连接，通道形状为直微流道或曲微流道，曲微流道形状和长度在设计时进行调整，对应调控塔式混合通道内的液体浓度均匀性；所述塔式混合通道结构的出口数量与混合室-反应室集成阵列相匹配，具体为塔式混合通道结构的出口数量与混合室-反应室集成阵列每一条边的混合室数量相对应并彼此联通。
进一步地，所述混合室-反应室集成阵列的单个反应室/混合室形状和反应室/混合室数量无限制，反应室/混合室形状根据需求自由设计，反应室/混合室数量在材料能够承受的范围内无限集成。
进一步地，所述微流控芯片制作材料无限制，任何材料制成的该结构的微流控芯片均在本发明的保护范围内。
进一步地，通过调整微流控芯片的塔式混合通道结构、混合室-反应室集成阵列的单个反应室/混合室形状和反应室/混合室数量，对混合室-反应室集成阵列中的流体浓度分布进行调控。
进一步地，通过实时调整微流控芯片的注入流体的浓度和速度对混合室-反应室集成阵列中的流体浓度分布进行动态调控。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明通过耦合塔式混合通道和混合室-反应室集成阵列，能够产生更大范围内的流体溶质的多梯度浓度分布，传统的塔式混合微流控器件只能提供单梯度的浓度分布；
(2)本发明通过分别设置混合室和反应室，在集成阵列中混合室能够提供流体混合场所，反应室提供均匀流体浓度的生化反应场所，与只有单一种类腔体的阵列混合结构相比，具有反应室内流体浓度能够保持混合更均匀的优势；
(3)本发明结构中混合室-反应室集成阵列的入口出口处均耦合塔式混合结构，入口出口结构的对称性增强了该混合器微流控芯片的普适性，用户可以在一定范围内根据需求对特定入口/出口进行调换，而不需要制作新的结构芯片；
(4)本发明通过设计混合室-反应室集成阵列，能够提供大规模具有稳定不同浓度环境的微反应室，微反应室的数量较传统的塔式混合微流控器件具有数量级的提升；
(5)本发明对微流控芯片的微反应室进行了规模化、集成化设计，便于规模化试验的开展，相较于传统的塔式混合微流控器件，本发明能够进行二维和三维的集成化升级设计；
(6)本发明的集成微流控芯片能够根据需求进行反应室数量和浓度的调整，克服了传统塔式混合微流控器件每个出口只生成同一个浓度反应室的缺点；
(7)本发明具有以较少的反应试剂消耗需求进行大规模的不同浓度反应的优点。
附图说明
图1为实施例1的整体结构示意图；
图2为实施例1的混合室-反应室集成阵列部分局部放大图，混合室有6个联通流道；
图3为实施例2的一种混合室-反应室集成阵列联通流道为直微流道的四塔式结构示意图；
图4为实施例3的一种混合室-反应室集成阵列联通流道为曲微流道的四塔式结构示意图；
图5为图4的混合室-反应室集成阵列曲微流道结构局部放大图；
图6为本发明一些实施例中的一种三塔式结构示意图；
图7为本发明一些实施例中的另一种六塔式结构示意图；
图8为本发明一些实施例中的第三种六塔式结构示意图；
图9为本发明一些实施例中的一种增加入口/出口的四塔式结构示意图；
图中各个标号意义为：1、芯片入口/出口；2、芯片入口/出口；3、芯片入口/出口；4、芯片入口/出口；5、芯片入口/出口；6、芯片入口/出口；7、芯片入口/出口；8、芯片入口/出口；9、芯片入口/出口；10、芯片入口/出口；11、芯片入口/出口；12、芯片入口/出口；13、反应室；14、混合室；15、反应室；16、混合室、。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域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方式，都属于本申请保护的范围。
实施例1
图1所示的实施例1是一种六塔式混合微流控芯片实施案例。案例中的混合室-反应室集成阵列部分局部放大图如图2所示。
图1所示的实施例1中，有12个芯片入口/出口，可以混合多种不同的液体或者溶质相同但浓度不同的溶液，入口可以采用相同的或者彼此不同的入口速度注入液体进行掺混。液体在塔式混合通道部分进行初步混合并产生相应的浓度梯度，塔式混合通道出口部分连接混合室-反应室集成阵列，在混合室-反应室集成阵列中溶液进行进一步混合形成多浓度梯度。其中，混合室起到在集成阵列中大规模掺混的作用，反应室作为提供稳定浓度环境的微型实验室，可以进行相关的生物化学等实验。微流控芯片的混合室-反应室集成阵列的混合室通过6个直微流道结构与6个反应室相连通，如图2所示，大大提升了联通效率和阵列规模，能够同时进行大规模的混合浓度梯度生成以及相关应用的反应。
实施例2
图3所示的实施例2为本发明一些实施例中的一种四塔式结构示意图，塔式混合通道出口部分与混合室-反应室集成阵列在图中分别标出。
实施例3
图4所示的实施例3中，微流控芯片的混合室-反应室集成阵列联通流道为曲微流道结构，此种结构能够加长两种液体混合流动的时间，提高混合效率，在集成阵列部分进行更进一步的掺混，使反应室内的液体均匀性更好。图5是该曲微流道结构的局部放大示意图。
实施例4
图6所示的实施例4为本发明一些实施例中的一种三塔式结构示意图。
实施例5
图7所示的实施例5为本发明一些实施例中的另一种六塔式结构示意图。
实施例6
图8所示的实施例6为本发明一些实施例中的第三种六塔式结构示意图；。
实施例7
图9所示的实施例7本发明一些实施例中的一种增加入口/出口的四塔式结构示意图。
以上详细描述了本发明的基本原理、主要特征和有益效果，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用来限制本发明，凡在不脱离本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，其特征在于，包括塔式混合通道、混合室-反应室集成阵列和芯片出入口；
所述塔式混合通道用于生成单梯度浓度序列；所述塔式混合通道与混合室-反应室集成阵列相连接，混合室-反应室集成阵列宏观形状呈三角形、四边形、六边形或其他形状，分别称为三塔式、四塔式、六塔式、自由式；
所述混合室-反应室集成阵列包括混合室、反应室和联通流道，每一个混合室和反应室之间通过联通通道彼此联通形成微流道阵列，联通通道为直微流道或曲微流道，并且有两个或两个以上的塔式混合通道作为浓度梯度的生成结构，生成两个或两个以上的浓度梯度后在混合室-反应室集成阵列中进行多浓度梯度混合；
所述混合室-反应室集成阵列中的混合室与反应室分别承担混合场所和反应场所的功能，并且每一个腔室只承担其中一种功能；所述反应室只与两个联通流道相连，一个作为该反应室的入口，另一个作为该反应室的出口，其主要功能是为实验提供相对均衡的特定浓度液体环境的反应场所；所述混合室与三个及以上联通流道相连，两种及以上液体在混合室内进行掺混，其主要功能是为集成化的微流控芯片提供不同浓度的流体混合场所，以实现浓度二维分布的多样性；
所述塔式混合通道的入口即为微流控芯片的入口，混合室-反应室集成阵列作为流体入口的每一条边与塔式混合通道相连接；所述微流控芯片的出口如下描述，混合室-反应室集成阵列作为流体出口的每一条边与塔式混合通道连接作为芯片出口，或者不连接塔式混合通道直接作为芯片出口，或者连接其他形状流体通道作为芯片出口；
通过调整微流控芯片的塔式混合通道结构、混合室-反应室集成阵列的单个反应室/混合室形状和反应室/混合室数量，对混合室-反应室集成阵列中的流体浓度分布进行调控；通过实时调整微流控芯片的注入流体的浓度和速度对混合室-反应室集成阵列中的流体浓度分布进行动态调控。
2.根据权利要求1所述的一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，其特征在于：通过调整微流控芯片的注入流体的浓度、速度以及芯片出入口数量，对反应室内流体溶质浓度分布进行调控，具体来说，芯片入口处的流体速度、种类和浓度根据需求进行设定，芯片入口处某种流体的浓度越高，速度越快，占据的芯片入口越多，该种流体在混合室-反应室集成阵列中的分布占比越高，浓度越大。
3.根据权利要求1所述的一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，其特征在于：不同反应室和混合室之间的连接通过直微流道或曲微流道，直微流道应用于反应室内液体浓度均匀性要求低的应用场景，曲微流道应用于反应室内液体浓度均匀性要求高的应用场景；曲微流道形状和长度在设计时进行调整，对应调控反应室内的液体浓度均匀性。
4.根据权利要求1所述的一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，其特征在于：所述反应室和混合室周围根据应用场景增设附加结构，包括入口阀/出口阀或者注入阀/输出阀；所述塔式混合通道结构的出口通道上根据应用场景增设反应室和/或附加结构。
5.根据权利要求1所述的一种可控多浓度梯度的混合室-反应室集成微流控芯片，其特征在于：所述塔式混合通道结构的入口数量根据需求进行设定，入口数量小于或等于出口数量，中间通过交叉的纵横通道进行连接，通道形状为直微流道或曲微流道，曲微流道形状和长度在设计时进行调整，对应调控塔式混合通道内的液体浓度均匀性；所述塔式混合通道结构的出口数量与混合室-反应室集成阵列相匹配，具体为塔式混合通道结构的出口数量与混合室-反应室集成阵列每一条边的混合室数量相对应并彼此联通。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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