CN115970781A - 一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法，涉及微流控技术领域，定量加样结构包括加样层，加样层上形成有定量加样模块；定量加样模块包括形成于加样层内部的定量腔室、气控腔室、进样通道、废液池、出样通道和气控阀。浓度梯度微流控芯片包括上述的定量加样结构，加样层上包括两套定量加样模块，以及多个混合池；两套定量加样模块分别为稀释液定量加样模块和样品定量加样模块；稀释液定量加样模块和样品定量加样模块的多个定量腔室的体积均由大到小设置，且布置方向相反。本发明可实现定量腔室内液体体积的精确控制，且浓度梯度微流控芯片可快速形成两种及以上组合样品的浓度梯度，适用于组合药物筛选。

Description

一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，更具体的说是涉及一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法。

背景技术

微流控技术是指利用微米级别的结构操控皮升到微升级体积的液体的技术，具有试剂消耗低、分析微型化、可集成化、易于控制与自动化等优点。近年来，微流控芯片技术在生物医学研究、生物模拟、有机合成、疾病诊断、药物筛选和环境监测等方面均得到了广泛且深入的应用。

传统的浓度梯度建立主要通过人工操作在多孔板上进行。与传统方法相比，浓度梯度微流控芯片能更精确地控制微纳体积的样品试剂，所获得的梯度更精确可控，也有效减少了试剂与样品的使用量。另一方面，浓度梯度微流控芯片通过灵活的通道或结构设计可适应不同的浓度梯度需求，能快速制备稳定的浓度梯度，并且极大减少复杂繁冗的操作。另外，浓度梯度微流控芯片上还可集成具有样品前处理和检测功能的结构单元，实现功能集成化。因此浓度梯度微流控芯片在微生物检测、药物筛选、毒理研究等众多领域都得到了广泛的应用。

传统的浓度梯度建立主要通过人工操作在多孔板上进行，具有操作复杂、容易引入误差、人工成本高等缺点。

常见的浓度梯度微流控芯片主要采用“圣诞树模型”，其工作原理为基于层流效应和扩散现象构建特定的浓度梯度。但这种结构只能对单一溶液进行浓度梯度稀释，无法进行多种药物组合；另外由于流体的扩散与通道结构的尺寸密切相关，因此其对芯片的加工精度要求很高。也有文章报道了一种离心式微流控芯片用于建立浓度梯度，通过对计量室的尺寸设计控制进入混液室的体积，从而实现浓度梯度的建立。但受限于离心式芯片有限的空间位置，芯片上能形成的浓度梯度数量、可操作的溶液数量有限。

因此，开发一种结构简单、操作简便、可快速稳定形成高通量浓度梯度系列的芯片结构和方法具有很重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种定量加样结构，包括：加样层，所述加样层上形成有定量加样模块；

所述定量加样模块包括形成于所述加样层内部的定量腔室、气控腔室、进样通道、废液池、出样通道和气控阀；所述定量腔室位于所述气控腔室上方，且所述定量腔室与所述气控腔室之间通过透气疏水膜分隔；所述进样通道与所述定量腔室顶沿连通，所述进样通道的进口与所述加样层顶面开设的进样口连通，所述进样通道的出口与所述废液池连通；所述出样通道与所述定量腔室的底部连通；所述气控阀位于所述出样通道上。

通过上述技术方案，本发明通过设置透气疏水膜，利用透气疏水膜具有透气不透水功能，通过控制气压可以将液体保持在定量腔室内，当气控腔室为负压时，定量腔室内的液体将不再受进样通道内液体流动的影响；当气控阀为关闭状态时，定量腔室内的液体将无法进入出样通道，以此控制与配合可以实现液体注入的精确定量。

优选的，在上述一种定量加样结构中，所述定量腔室的数量为多个。多个定量腔室通过进样通道串联起来，能够同时实现多个定量腔室的液体定量注入，更有利于实验的操作。

优选的，在上述一种定量加样结构中，所述进样通道的底沿与所述气控腔室的顶沿平齐；所述出样通道的底沿与所述定量腔室的底沿平齐，且所述气控阀靠近所述定量腔室。为了更精确地保证定量体积，将气控阀设置于尽可能靠近定量腔室的位置；另外，将进样通道设置于定量腔室上方，保证在排除通道内多余液体时不会影响定量腔室内液体。

优选的，在上述一种定量加样结构中，所述气控阀包括开设在所述出样通道下方的阀控腔室，所述阀控腔室顶部固定有弹性膜。阀控腔室和气控阀的具体结构已公开于申请号为202110321725.0，名称为一种热塑性聚合物微流控气阀芯片的制作方法的发明专利申请中，在此不再赘述。

优选的，在上述一种定量加样结构中，所述加样层底部开设有与所述气控腔室连通的第一气孔，以及与所述阀控腔室连通的第二气孔。第一气孔和第二气孔用于对气控腔室和阀控腔室内进行通气放气控制。

优选的，在上述一种定量加样结构中，所述加样层包括由上至下依次叠合的上盖板、流体结构层、气压控制层和下盖板；所述进样口开设在所述上盖板上；所述定量腔室、所述进样通道、所述废液池和所述出样通道均开设在所述流体结构层上；所述气控腔室开设在所述气压控制层上。本发明为了便于各腔室、通道等结构的加工，分为上盖板、流体结构层、气压控制层和下盖板，可以对各腔室、通道等结构在相应层上加工完成后叠合组成整体结构，更易于加工制作。

本发明提供的定量加样结构的控制方法为：通过气控阀关闭出样通道，通过进样口向进样通道内通入液体，注满定量腔室后停止注液，向气控腔室内提供负压，锁紧定量腔室内的液体，并通过进样口向进样通道内通入气体，将进样通道内的液体排入废液池后停止通气，解除气控腔室内的负压，完成定量腔室内的液体定量添加；打开所述气控阀，向所述进样口内通入气体，即可将所述定量腔室内的液体通过出样通道排出。

本发明还提供了一种浓度梯度微流控芯片，包括上述的定量加样结构，所述加样层上包括两套所述定量加样模块，以及多个混合池；两套所述定量加样模块分别为稀释液定量加样模块和样品定量加样模块；所述稀释液定量加样模块和所述样品定量加样模块均包括数量相等且一一对应的所述定量腔室，对应的所述定量腔室之间通过所述出样通道连通，并与对应的所述混合池通过所述出样通道串联；所述稀释液定量加样模块和所述样品定量加样模块的多个所述定量腔室的体积均由大到小设置，且布置方向相反。

通过上述技术方案，本发明通过对稀释液定量加样模块和样品定量加样模块的定量腔室体积进行设计，控制样品与稀释液进入混合池的体积，形成特定的样品浓度梯度；根据不同的实验需要，可灵活改变各定量池的尺寸从而得到不同的浓度梯度。

本发明提供的浓度梯度微流控芯片的控制方法包括以下步骤：

S1、定量加样：采用同样的方法实现稀释液定量加样模块和样品定量加样模块的稀释液和样品的定量加样：通过气控阀关闭出样通道，通过进样口向进样通道内通入液体，注满定量腔室后停止注液，向气控腔室内提供负压，锁紧定量腔室内的液体，并通过进样口向进样通道内通入气体，将进样通道内的液体排入废液池后停止通气，解除气控腔室内的负压，完成稀释液定量加样模块和样品定量加样模块的定量腔室内的液体定量添加；

S2、混合反应：将气控阀打开，通过进样口向进样通道内通入气体，使得串联的定量腔室内的液体进入相应的混合池内进行混合。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种定量加样结构及其浓度梯度微流控芯片和控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明提供的芯片可快速稳定形成浓度精确可控的浓度梯度。通过透气疏水膜与气控阀的配合，可实现定量腔室内液体体积的精确控制，而不受进样通道或出样通道内残余液体体积的影响，从而更精准控制混合后的样品浓度。

2、本发明提供的芯片不受空间位置的限制，可根据需要于一张芯片上设置多组梯度定量腔室结构实现一次性形成多组浓度梯度，减少高通量大规模配置浓度梯度的工作量的同时，提高了对平行实验时间的控制精度。

3、本发明通过设计两路及以上样品进样通道与梯度定量腔室，可快速形成两种及以上组合样品的浓度梯度，适用于组合药物筛选。

4、本发明提供的芯片结构简单，对加工精度要求相对较低，便于实现量产、降低加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的定量加样结构的剖视图；

图2附图为本发明提供的浓度梯度微流控芯片的外部结构示意图；

图3附图为本发明提供的浓度梯度微流控芯片的俯视角度的结构分解图；

图4附图为本发明提供的浓度梯度微流控芯片的仰视角度的结构分解图；

图5附图为本发明提供的浓度梯度微流控芯片的剖视图；

图6附图为本发明提供的浓度梯度微流控芯片的透视俯视图；

图7附图为本发明提供的具有细胞液定量加样模块的浓度梯度微流控芯片的透视俯视图。

其中：

1-加样层；

10-上盖板；

100-进样口；

11-流体结构层；

110-定量腔室；111-进样通道；112-废液池；113-出样通道；114-混合池；

12-气压控制层；

120-气控腔室；121-透气疏水膜；122-气控阀；1221-阀控腔室；1222-弹性膜；

13-下盖板；

131-第一气孔；132-第二气孔；

2-定量加样模块；

20-稀释液定量加样模块；

21-样品定量加样模块；

22-细胞液定量加样模块。

具体实施方式

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。

实施例1：

参见附图1至附图6，本发明实施例公开了一种浓度梯度微流控芯片，包括加样层1，加样层1上包括两套定量加样模块2，以及多个混合池114；

定量加样模块2包括形成于加样层1内部的定量腔室110、气控腔室120、进样通道111、废液池112、出样通道113和气控阀122；定量腔室110位于气控腔室120上方，且定量腔室110与气控腔室120之间通过透气疏水膜121分隔；进样通道111与定量腔室110顶沿连通，进样通道111的进口与加样层1顶面开设的进样口100连通，进样通道111的出口与废液池112连通；出样通道113与定量腔室110的底部连通；气控阀122位于出样通道113上。

两套定量加样模块2分别为稀释液定量加样模块20和样品定量加样模块21；稀释液定量加样模块20和样品定量加样模块21均包括数量相等且一一对应的定量腔室110，对应的定量腔室110之间通过出样通道113连通，并与对应的混合池114通过出样通道113串联；稀释液定量加样模块20和样品定量加样模块21的多个定量腔室110的体积均由大到小设置，且布置方向相反。

为了进一步优化上述技术方案，气控阀122包括开设在出样通道113下方的阀控腔室1221，阀控腔室1221顶部固定有弹性膜1222。

为了进一步优化上述技术方案，加样层1底部开设有与气控腔室120连通的第一气孔131，以及与阀控腔室1221连通的第二气孔132。

参见附图6，本实施例的控制方法为：

1、为控制弹性膜1222的阀控腔室1221提供正压，此时弹性膜1222凸起关闭出样通道113。分别于稀释液定量加样模块20的进样口100与样品定量加样模块21的进样口100通入稀释液与样品，稀释液与样品分别经过各自的进样通道111依次进入各梯度定量腔室110，而不进入出样通道113导致稀释液与样品提前混合，多余的稀释液与样品将进入各自的废液池112内。

2、为去除进样通道111内残留的液体，为控制透气疏水膜121的气控腔室120提供负压，由于液体无法透过透气疏水膜121，各定量腔室110内的液体将被固定在定量腔室110内。此时于稀释液定量加样模块20的进样口100与样品定量加样模块21的进样口100通入空气，将进样通道11内多余的液体挤入废液池112内。

3、稀释液与样品梯度定量完成后，为阀控腔室1221提供负压，此时弹性膜1222下凹打开出样通道113。此时不再为控制透气疏水膜121的气控腔室120提供负压，并继续于稀释液定量加样模块20的进样口100与样品定量加样模块21的进样口100通入空气，各定量腔室110内的稀释液与样品将经过出样通道113进入混合池114内形成特定浓度梯度的样品溶液。

实施例2：

参见附图3至附图5，本实施例在实施例1的基础上进行进一步改进：

加样层1包括由上至下依次叠合的上盖板10、流体结构层11、气压控制层12和下盖板13；进样口100开设在上盖板10上；定量腔室110、进样通道111、废液池112和出样通道113均开设在流体结构层11上；气控腔室120开设在气压控制层12上。

具体的，流体结构层11上由下向上开设定量腔室110，定量腔室110底端开口，顶端封闭；进样通道111开设在流体结构层11的顶面，并连通定量腔室110，出样通道113开设在流体结构层11的底面；废液池112开设在流体结构层11的顶面，且顶端开口，底面封闭。流体结构层11顶面的进样通道111和废液池112通过上盖板10封闭，上盖板10上开设有与进样通道111的进口连通的进样口100。出样通道113底部与各定量腔室110底部齐平，出样通道113高度则远小于定量腔室110深度；从俯视图看，如图6所示，进样通道111与各定量腔室110底部齐平，以尽可能减少进样通道111对定量腔室110内液体体积的影响。

气控腔室120和阀控腔室1221均为开设在气压控制层12上的上下贯通的通孔，气控腔室120顶部通过透气疏水膜121实现封闭，阀控腔室1221顶部通过弹性膜1222实现封闭，气控腔室120和阀控腔室1221的底部通过下盖板13实现封闭，下盖板13上开设有与气控腔室120连通的第一气孔131，以及与阀控腔室1221连通的第二气孔132。

透气疏水膜121位于定量加样模块2的定量腔室110的垂直下方，透气疏水膜121具有透气不透水功能，通过控制气压可以将定量腔室110的液体保持在定量腔室110内；

弹性膜1222位于出样通道113的垂直下方，从俯视图上看，如图6所示，弹性膜1222的位置尽可能靠近各定量腔室110的底部，以减少出样通道113内液体对定量腔室110定量效果的影响。通过控制气压可以控制弹性膜1222的凸起或下凹，从而实现出样通道113的打开与关闭。

下盖板13与气压控制层12配合实现腔体的密封，下盖板13上设置有第一气孔131和第二气孔132，分别为气控腔室120和阀控腔室1221提供气源。

实施例3：

参见附图7，本实施例在实施例1或2的基础上进行进一步改进：

加样层1上还包括一套定量加样模块2，且为细胞液定量加样模块22，细胞液定量加样模块22位于稀释液定量加样模块20和样品定量加样模块21形成的稀释体系与多个混合池114之间；细胞液定量加样模块22中的多个定量腔室110的体积相同，且与对应的稀释液定量加样模块20和样品定量加样模块21中的定量腔室110，以及混合池114通过出样通道113串联。

本实施例的芯片增加了一组细胞液定量加样模块22，可用于研究不同浓度药物对细胞的影响。本实施例的控制方法为：

1、为控制弹性膜1222的阀控腔室1221提供正压，此时弹性膜1222凸起关闭出样通道113。分别于稀释液定量加样模块20的进样口100、样品定量加样模块21的进样口100和细胞液定量加样模块22的进样口100通入稀释液、样品与细胞悬液，稀释液、样品与细胞悬液分别经过各自的进样通道111依次进入各定量腔室110，而不进入出样通道113导致三者提前混合。多余的稀释液、样品与细胞悬液将进入各自废液池112内。

2、为去除进样通道111内残留的液体，为控制透气疏水膜121的气控腔室120提供负压，由于液体无法透过透气疏水膜121，各定量腔室110内的液体将被固定在定量腔室110内。此时于各进样口100通入空气，将进样通道111内多余的液体挤入废液池112内。

3、稀释液与样品梯度定量、细胞等体积定量完成后，为控制弹性膜1222的阀控腔室1221提供负压，此时弹性膜1222下凹打开出样通道113。此时不再为控制透气疏水膜121的气控腔室120提供负压，并继续于各进样口100通入空气，各定量腔室110内的稀释液与样品以及等体积定量的细胞悬液将经过出样通道113进入混合池114内形成特定浓度梯度的样品溶液。

4、反应一段时间后，使用检测设备，如显微镜、酶标仪等，对混合池114内的细胞或溶液进行检测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种定量加样结构，其特征在于，包括：加样层（1），所述加样层（1）上形成有定量加样模块（2）；

所述定量加样模块（2）包括形成于所述加样层（1）内部的定量腔室（110）、气控腔室（120）、进样通道（111）、废液池（112）、出样通道（113）和气控阀（122）；所述定量腔室（110）位于所述气控腔室（120）上方，且所述定量腔室（110）与所述气控腔室（120）之间通过透气疏水膜（121）分隔；所述进样通道（111）与所述定量腔室（110）顶沿连通，所述进样通道（111）的进口与所述加样层（1）顶面开设的进样口（100）连通，所述进样通道（111）的出口与所述废液池（112）连通；所述出样通道（113）与所述定量腔室（110）的底部连通；所述气控阀（122）位于所述出样通道（113）上。

2.根据权利要求1所述的一种定量加样结构，其特征在于，所述定量腔室（110）的数量为多个。

3.根据权利要求1所述的一种定量加样结构，其特征在于，所述进样通道（111）的底沿与所述气控腔室（120）的顶沿平齐；所述出样通道（113）的底沿与所述定量腔室（110）的底沿平齐，且所述气控阀（122）靠近所述定量腔室（110）。

4.根据权利要求1所述的一种定量加样结构，其特征在于，所述气控阀（122）包括开设在所述出样通道（113）下方的阀控腔室（1221），所述阀控腔室（1221）顶部固定有弹性膜（1222）。

5.根据权利要求4所述的一种定量加样结构，其特征在于，所述加样层（1）底部开设有与所述气控腔室（120）连通的第一气孔（131），以及与所述阀控腔室（1221）连通的第二气孔（132）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种定量加样结构，其特征在于，所述加样层（1）包括由上至下依次叠合的上盖板（10）、流体结构层（11）、气压控制层（12）和下盖板（13）；所述进样口（100）开设在所述上盖板（10）上；所述定量腔室（110）、所述进样通道（111）、所述废液池（112）和所述出样通道（113）均开设在所述流体结构层（11）上；所述气控腔室（120）开设在所述气压控制层（12）上。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的定量加样结构的控制方法，其特征在于，通过气控阀（122）关闭出样通道（113），通过进样口（100）向进样通道（111）内通入液体，注满定量腔室（110）后停止注液，向气控腔室（120）内提供负压，锁紧定量腔室（110）内的液体，并通过进样口（100）向进样通道（111）内通入气体，将进样通道（111）内的液体排入废液池（112）后停止通气，解除气控腔室（120）内的负压，完成定量腔室（110）内的液体定量添加；打开所述气控阀（122），向所述进样口（100）内通入气体，即可将所述定量腔室（110）内的液体通过出样通道（113）排出。

8.一种浓度梯度微流控芯片，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的定量加样结构，所述加样层（1）上包括两套所述定量加样模块（2），以及多个混合池（114）；两套所述定量加样模块（2）分别为稀释液定量加样模块（20）和样品定量加样模块（21）；所述稀释液定量加样模块（20）和所述样品定量加样模块（21）均包括数量相等且一一对应的所述定量腔室（110），对应的所述定量腔室（110）之间通过所述出样通道（113）连通，并与对应的所述混合池（114）通过所述出样通道（113）串联；所述稀释液定量加样模块（20）和所述样品定量加样模块（21）的多个所述定量腔室（110）的体积均由大到小设置，且布置方向相反。

9.一种权利要求8所述的浓度梯度微流控芯片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、定量加样：采用同样的方法实现稀释液定量加样模块（20）和样品定量加样模块（21）的稀释液和样品的定量加样：通过气控阀（122）关闭出样通道（113），通过进样口（100）向进样通道（111）内通入液体，注满定量腔室（110）后停止注液，向气控腔室（120）内提供负压，锁紧定量腔室（110）内的液体，并通过进样口（100）向进样通道（111）内通入气体，将进样通道（111）内的液体排入废液池（112）后停止通气，解除气控腔室（120）内的负压，完成稀释液定量加样模块（20）和样品定量加样模块（21）的定量腔室（110）内的液体定量添加；

S2、混合反应：将气控阀（122）打开，通过进样口（100）向进样通道（111）内通入气体，使得串联的定量腔室（110）内的液体进入相应的混合池（114）内进行混合。

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