CN117965272A - 用于细菌培养的微流控芯片、细菌培养系统及细菌培养方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学技术领域，公开了一种用于细菌培养的微流控芯片、细菌培养系统及细菌培养方法，该微流控芯片包括基板和微通道结构，微通道结构设置于基板，微通道结构包括多组呈矩阵排列的半开放微孔单元和多条并联设置的分支通道，每组半开放微孔单元对应一条分支通道连接并连通，每组半开放微孔单元包括至少一个半开放微孔，半开放微孔背离基板的一端具有敞口。本发明通过设置多组呈矩阵排列的半开放微孔单元，顶部敞口的半开放式设计以气液界面替代固液界面，可使细菌处于较为富氧的状态，并使细菌周边的氧气和营养物质得到持续更新，实现细菌的高效生长，提高细菌的生长效率，同时，半开放式设计还可便于在培养过程中灵活便捷地进行取样。

Description

用于细菌培养的微流控芯片、细菌培养系统及细菌培养方法

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种用于细菌培养的微流控芯片、细菌培养系统及细菌培养方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

微流控芯片技术（Microfluidics）是把生物、化学、医学分析过程的样本制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。微流控芯片在细菌样品的分析和处理中具有独特的优势，非常适合微生物的各种操作和处理。此外，其高通量的特性可以大大减少人工成本的投入，提高精细化细菌培养的效率，加速了相关研究的进程，被广泛应用于细菌培养领域。

现有的微流控芯片在使用时，为了避免微通道内细菌代谢物积聚过多，通常加大培养介质的流速，而较大的流体剪切力可能会直接对细菌的生长造成影响或导致细菌产生生物膜，改变细菌的生理生长活动。此外，在培养过程中较难实现灵活便捷式取样，不利于后续实验研究或分析。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有的微流控芯片在使用时对细菌的生长造成影响或容易产生生物膜，改变细菌的生理生长活动，以及培养过程中较难实现灵活便捷式取样的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种用于细菌培养的微流控芯片，包括：

基板；

微通道结构，设置于所述基板，所述微通道结构包括多组呈矩阵排列的半开放微孔单元和多条并联设置的分支通道，每组所述半开放微孔单元对应一条所述分支通道连接并连通，每组所述半开放微孔单元包括至少一个半开放微孔，所述半开放微孔背离所述基板的一端具有敞口。

本发明的用于细菌培养的微流控芯片通过设置多组呈矩阵排列的半开放微孔单元，并通过多条并联设置的分支通道与半开放微孔单元连通，该半开放微孔单元包括至少一个背离基板的一端具有敞口的半开放微孔，顶部敞口的半开放式设计以气液界面替代固液界面，可使半开放微孔内的细菌处于较为富氧的状态，并使细菌周边的氧气和营养物质得到持续更新，避免细菌易粘附在介质的表面生长而产生生物膜，维持细菌的生理生长活动，实现细菌的高效生长，提高细菌的生长效率，同时，半开放式设计还可便于在培养过程中灵活便捷地进行取样。

另外，根据本发明的用于细菌培养的微流控芯片，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述半开放微孔包括第一微孔和第二微孔，所述第一微孔与所述第二微孔连接并连通，所述第一微孔的直径大于所述第二微孔的直径。

在本发明的一些实施例中，所述第二微孔与所述分支通道连接并连通。

在本发明的一些实施例中，所述第一微孔的敞口端的端面上沿圆周设置有第一环形凸起，所述第二微孔的敞口端的端面上沿圆周设置有第二环形凸起。

在本发明的一些实施例中，每组所述半开放微孔单元包括多个半开放微孔，多个所述半开放微孔沿所述分支通道的长度方向排列，且相邻两个半开放微孔连接并连通。

在本发明的一些实施例中，所述微通道结构还包括进液通道和出液通道，所述进液通道和所述出液通道分别设置于所述分支通道两端，并与所述分支通道连接并连通，所述进液通道的一端设置有进液口，所述出液通道的一端设置有出液口。

在本发明的一些实施例中，所述微通道结构还包括第一连接通道，所述第一连接通道具有第一进液端和多个第一出液端，所述第一进液端与所述进液通道的出液端连接并连通，多个所述第一出液端分别与多条所述分支通道的进液端连接并连通。

在本发明的一些实施例中，所述微通道结构还包括第二连接通道，所述第二连接通道具有多个第二进液端和第二出液端，多个所述第二进液端分别与多条所述分支通道的出液端连接并连通，所述第二出液端与出液通道的进液端连接并连通。

本发明的另一方面提出了一种细菌培养系统，包括重力驱动装置和如上述的用于细菌培养的微流控芯片，所述重力驱动装置包括注液器、第一连接管和第二连接管，所述注液器与所述第一连接管连接，所述第一连接管与所述微通道结构的入口端连接并连通，所述第二连接管与所述微通道结构的出口端连接并连通，所述第一连接管的液面高度高于所述微流控芯片的高度，所述第二连接管的液面高度低于所述微流控芯片的高度。

本发明的第三方面提出了一种细菌培养方法，所述细菌培养方法利用如上述的细菌培养系统进行培养，所述细菌培养方法包括以下步骤：

将所述微流控芯片经灭菌处理后，向所述微通道结构内通入乙醇进行浸润处理，再通入细菌培养液冲洗所述微通道结构内的残留乙醇；

将细菌样品滴加至所述半开放微孔中，然后将所述微流控芯片翻转倒扣在培养皿上，将所述微流控芯片与所述注液器、第一连接管和第二连接管连接，在重力驱动下，通过所述注液器和所述第一连接管向所述微通道结构内连续进样，并从所述第二连接管中持续流出细菌产物；

将所述重力驱动装置、所述微流控芯片和所述培养皿放置于培养箱中进行培养。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片的结构示意图一；

图2为图1中A处的放大图；

图3示意性地示出了根据本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片的结构示意图二；

图4为图3中B处的放大图；

图5示意性地示出了根据本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片的制备示意图；

图6示意性地示出了根据本发明实施方式的细菌培养方法的流程示意图；

图7为利用本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片培养细菌与传统培养方式培养细菌的细菌生物量随时间的变化曲线图。

附图标记如下：

1、基板；10、第一基板；11、第二基板；

2、半开放微孔单元；20、半开放微孔；201、第一微孔；202、第二微孔；203、第一流道；204、第二流道；

30、分支通道；31、进液通道；310、进液口；32、出液通道；320、出液口；33、第一连接分支；34、第二连接分支；

4、模具。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面” 或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。

微流控芯片具有体积小，比表面积大，试剂和样品用量少，反应时间短，分析速度快，灵敏度高，易于集成和自动化等优点，因此在细菌样品的分析和处理中具有独特的优势，非常适合微生物的各种操作和处理。此外，其高通量的特性可以大大减少人工成本的投入，提高精细化细菌培养的效率，加速了相关研究的进程。但相关技术的微流控芯片在进行细菌培养时，均在封闭腔室或流道内，容易造成营养成分的不均匀分布，使得芯片内细菌积累过多限制正常生长，从而导致通道内细菌代谢物堆积。相关技术中为了避免微通道内细菌代谢物积聚过多，通常加大培养介质的流速，而较大的流体剪切力可能会直接对细菌的生长造成影响或导致细菌产生生物膜，改变细菌的生理生长活动。此外，在培养过程较难实现灵活便捷式取样，不利于对培养过程中的细菌进行取样研究。

有鉴于此，本实施例提供了一种用于细菌培养的微流控芯片，旨在通过设置多组呈矩阵排列的半开放微孔单元2，及多条并联设置的与半开放微孔单元2连通的分支通道30，可使细菌处于较为富氧的状态，并使细菌周边的氧气和营养物质得到持续更新，维持细菌的生理生长活动，提高细菌的生长效率，同时便于在培养过程中灵活便捷地进行取样，从而解决上述技术问题。

如图1至图7所示，根据本发明的实施方式，提出了一种用于细菌培养的微流控芯片，该用于细菌培养的微流控芯片包括基板1和微通道结构，基板1包括第一基板10和设置于第一基板10的底部的第二基板11，其中微通道结构开设于第一基板10上，且具有一定深度，微通道结构包括多组呈矩阵排列的半开放微孔单元2和多条并联设置的分支通道30，每组半开放微孔单元2对应一条分支通道30连接并连通，每组半开放微孔单元2包括至少一个半开放微孔20，半开放微孔20背离基板1的一端具有敞口。半开放微孔结构指微孔单元远离第二基板11的一端为敞口的结构，在进行细菌培养时，需要将微流控芯片整体进行倒置，使得半开放微孔结构的敞口端竖直向下，从而使得微孔中细菌生长饱和的液滴定期进行滴落，进而使细菌周边的氧气和营养物质得到持续更新，利于细菌的高效生长。对应地，分支通道30为不敞口的封闭管状结构，该分支通道30的两端分别可进行进液和出液。通过设置多条并联的分支通道30及多组矩阵排布的半开放微孔单元2，能够在一次实验中并行培养多组细菌，实现微流控芯片的高通量化。

本发明的用于细菌培养的微流控芯片通过设置多组呈矩阵排列的半开放微孔单元2，并通过多条并联设置的分支通道30与半开放微孔单元2连通，该半开放微孔单元2包括至少一个背离基板1的一端具有敞口的半开放微孔20，顶部敞口的半开放式设计以气液界面替代固液界面，可使半开放微孔20内的细菌处于较为富氧的状态，以使细菌周边的氧气和营养物质得到持续更新，避免细菌易粘附在微通道的表面生长而产生生物膜，并使得微孔中细菌代谢物及生物量定期进行滴落稀释，替代了人工连续传代过程，维持细菌持续处于理想生长环境，提高细菌培养的生长效率，同时，半开放微孔20中的细菌相比于传统封闭微流控通道内的细菌不会受到过大的压力，不会给细菌施加额外的压力，不影响细菌的正常生长和生理活动，此外，半开放式设计还可便于在培养过程中灵活便捷地进行取样。

在本发明的一些实施例中，半开放微孔20包括第一微孔201和第二微孔202，第一微孔201与第二微孔202连接并连通，第一微孔201的直径大于第二微孔202的直径。

在本实施例中，半开放微孔结构包括四组半开放微孔单元2，相应地，分支通道30的数量为四条，四条分支通道30相互平行设置，每条分支通道30对应一组半开放微孔单元2连接并连通，相邻两列半开放微孔20的中心间距为45mm-55mm（例如为45mm或50mm或55mm或45mm-55mm范围内的任一数值），本实施例中，相邻两列半开放微孔20的中心间距优选为50mm。

每组半开放微孔单元2均包括三个半开放微孔20，且三个半开放微孔20沿分支通道30的长度方向排列，每个半开放微孔20之间通过第一流道203连通。每个半开放微孔20均包括连接的第一微孔201和第二微孔202，第一微孔201的直径大于第二微孔202的直径，其中，第一微孔201的直径为26mm-30mm（例如为26mm或27mm或30mm或26mm-30mm范围内的任一数值），第二微孔202的直径为22-25mm（例如为22mm或24mm或25mm或22mm-25mm范围内的任一数值），第一微孔201和第二微孔202的深度为1.8mm，第一微孔201与第二微孔202之间通过第二流道204连通，第二流道204的宽度为0.2mm-0.8mm（例如为0.2mm或0.5mm或0.7mm或0.8mm或0.2mm-0.8mm范围内的任一数值），深度为1.6mm-2.5mm（例如为1.6mm或2mm或2.2mm或2.5mm或1.6mm-2.5mm范围内的任一数值），第一微孔201与第二微孔202的中心间距为40mm-55mm（例如为40mm或45mm或55mm或40mm-55mm范围内的任一数值）。

在本实施例中，第一微孔201的直径优选为30mm，第二微孔202的直径优选为26mm，第二流道204的宽度优选为0.2mm，深度优选为1.6mm，第一微孔201与第二微孔202的中心间距优选为48mm。

第一微孔201和第二微孔202均为两个沿轴向设置的同心圆环结构，以下以第一微孔201为例进行说明。第一微孔201包括第一圆环和第二圆环，第一圆环设置于第二圆环内，且第一圆环的外壁与第二圆环的内壁紧贴，第一圆环的高度大于第二圆环的高度，通过设置第二圆环，可起到毛细管作用，即，可使细菌溶液进入到第一微孔201内时，细菌溶液的附着力大于内聚力，从而使细菌液体充满整个第一微孔201，而不会在第一微孔201内产生气泡。

在本实施例中，第二微孔202与分支通道30连接并连通，这是由于在进行细菌培养时，通过分支通道30向半开放微孔20内注入细菌液体，分支通道30内的细菌液体首先注入到直径较小的第二微孔202内，直径较小的第二微孔202内液体的表面张力较大，使得第二微孔202内的液体不易滴落，从而使第二微孔202内的细菌液体通过第一流道203流至相邻的第二微孔202内，以及通过第二连接通道流至与该第二微孔202连通的第一微孔201内，因此第二微孔202可用于细菌悬滴阵列的形成。而第一微孔201由于直径较大，第一微孔201内液体的表面张力较小，使得第一微孔201内的液体较第一微孔201更易滴落，从而可用于对半开放微孔20内的悬滴介质进行更换，且细菌液滴底部的气液界面可以防止细菌粘附芯片，同时使细菌处于较为富氧的状态，实现细菌的高效生长。另外，大直径的第一微孔201和小直径的第二微孔202配对设计和悬滴底部的半弧型还可降低流动培养液对细菌的作用力，这里的作用力主要指流体对细菌的水平剪切力，使得悬滴底部不易产生生物膜，有利于细菌的高效生长，提高细菌的生长效率。

需要说明的是，在其他实施例中，半开放微孔单元2和分支通道30的数量还可为一个、两个或三个等，且每组半开放微孔单元2的半开放微孔20数量还可为一个、两个或四个等，另外，半开放微孔单元2和分支通道30的布置方式还可根据实际需求设置为其他形式。

在本发明的一些实施例中，第一微孔201的敞口端的端面上沿圆周设置有第一环形凸起（图中未示出），第二微孔202的敞口端的端面上沿圆周设置有第二环形凸起（图中未示出）。具体地，第一环形凸起设置在第一微孔201敞口端的端面上，且向远离基板1的一端延伸，第二环形凸起设置在第二微孔202敞口端的端面上，且向远离基板1的一端延伸，通过设置第一环形凸起和第二环形凸起可使得置于第一微孔201和第二微孔202内放入液滴不易溢出，可形成相对稳定的悬挂液滴，防止发生液滴融合或液滴串扰现象。

在本发明的一些实施例中，微通道结构还包括进液通道31和出液通道32，进液通道31和出液通道32分别设置于分支通道30两端，并与分支通道30连接并连通，进液通道31的一端设置有进液口310，出液通道32的一端设置有出液口320。具体地，进液通道31远离分支通道30的一端开设有进液口310，出液通道32远离分支通道30的一端开设有出液口320，进液口310和出液口320的直径为1.5mm，进液口310和出液口320处开设有通孔。在进行细菌培养时，进液口310与出液口320分别连接注射装置，例如，利用注射器等器具将细菌溶液注入进液通道31内，细菌溶液分别通过分支通道30流向半开放微孔20内，然后流向出液通道32进行出液。通过封闭式设计的通道结构，可提供稳定的压力输入和流体连续输送，从而实现使微流控芯片内的细菌培养介质的持续流动的目的。

在本发明的一些实施例中，微通道结构还包括第一连接通道，第一连接通道具有第一进液端和第一出液端，第一进液端与进液通道31的出液端连接并连通，第一出液端分别与多条分支通道30的进液端连接并连通。在本实施例中，第一连接通道包括两个第一连接分支33，两个第一连接分支33呈夹角设置且以进液通道31为轴对称设置，第一进液端与进液通道31的出液端连通，第一出液端与分支通道30的进液端连通。在进行细菌培养时，细菌溶液注入进液通道31内，然后分别流向两个第一连接分支33，并分别流向四条并联设置的分支通道30内，可提高细菌溶液的进液效率，同时提高微流控芯片布置的紧凑性和空间利用率。

在本发明的一些实施例中，微通道结构还包括第二连接通道，第二连接通道具有第二进液端和第二出液端，第二进液端分别与多条分支通道30的出液端连接并连通，第二出液端与出液通道32的进液端连接并连通。在本实施例中，第二连接通道包括两个第二连接分支34，两个第二连接分支34以出液通道32为轴对称设置，第二进液端与分支通道30的出液端连通，第二出液端与出液通道32的进液端连通。在进行细菌培养时，从并联的分支通道30内流出的细菌溶液分别流向两个第二连接分支34，并汇集到出液通道32内流出，可简化微流控芯片的结构，同时提高布置的紧凑性和空间利用率。

在本实施例中，还提供一种微流控芯片的制备方法，如图5所示，该制备方法包括以下步骤：

步骤一：芯片设计。具体地，利用二维CAD软件(AutoCAD)绘制本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片。

步骤二：芯片加工。具体地，首先加工微流控芯片的模具4，采用机加工切割聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate，简称PMMA）方式，在PMMA模具4上预加工出具有多种深度的微通道结构。模具4加工完成后，通过在PMMA模具4上倾倒聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，简称PDMS）和固化剂为10:1的有机复合物，使得部分高度较低的微结构被有机复合物层完全覆盖，部分高度较高的微柱结构可以不被完全覆盖，此加工方式利于PDMS固化后形成的前述的第一环形凸起和第二环形凸起。然后在80℃的烘箱中固化2h。取出固化后的PDMS芯片后，在固化的PDMS芯片上打出进液和出液的孔。最后取玻璃（即前文的第二基板11）覆合于固化的PDMS芯片（即前文的第一基板10）的底部，形成微流控芯片，并将二者用氧等离子体改性处理45s，压合两者，完成微流芯片制作，第一基板10的底面与第二基板11的顶面之间形成上述的封闭式的分支通道30、进液通道31、出液通道32、第一连接通道和第二连接通道。

本发明实施例的另一方面提出了一种细菌培养系统，包括重力驱动装置和前述的用于细菌培养的微流控芯片，重力驱动装置包括注液器、第一连接管和第二连接管，注液器与第一连接管连接，第一连接管与微通道结构的入口端连接并连通，第二连接管与微通道结构的出口端连接并连通，第一连接管的液面高度高于微流控芯片的高度，第二连接管的液面高度低于微流控芯片的高度。具体地，在进行细菌培养系统安装时，先将注液器与第一连接管连接，第一连接管与进液通道连接，第二连接管与出液通道连接，可将注液器置于支架上，以使与注液装置连通的第一连接管的液面高度高于微流控芯片的液面高度，然后将第二连接管放于培养皿内底部即可，受重力差作用，实现向微流控芯片内连续进样，并从第二连接管中持续流出细菌产物。

本发明实施例还提供了一种细菌培养方法，细菌培养方法利用上述的细菌培养系统进行培养，如图6所示，该细菌培养方法包括以下步骤：

步骤一：将微流控芯片经灭菌处理后，向微通道结构内通入乙醇进行浸润处理，再通入细菌培养液冲洗微通道结构内的残留乙醇。具体地，将微流控芯片和重力驱动系统通过高温高压的方式进行灭菌处理，并将重力驱动系统与微流控芯片连接，通过重力驱动系统向微流控芯片内通入75%乙醇进行对芯片浸润处理5min，再通细菌LB肉汤培养液10min冲洗重力驱动系统和微流控芯片内的残留乙醇。

步骤二：将细菌样品滴加至半开放微孔20中，然后将微流控芯片翻转倒扣在培养皿上，将微流控芯片与注液器、第一连接管和第二连接管连接，在重力驱动下，通过注液器和第一连接管向微通道结构内连续进样，并从第二连接管中持续流出细菌产物。具体地，先将细菌培养系统进行安装，然后将特定密度的细菌样品溶液用移液枪滴加到微流控芯片的半开放微孔20上，使样品溶液填充所有半开放微孔20；待细菌样品溶液填满所有微孔后，再准备直径为100mm的培养皿，其底部预先装有无菌水，可减少微流控芯片在培养细菌过程中的液滴蒸发量。然后将微流控芯片翻转180度后倒扣在培养皿上，由于第一连接管的液面高度高于微流控芯片的高度，在重力驱动作用下，第一连接管内的LB细菌肉汤实现连续进样，相应地，第二连接管也会受重力差作用，持续流出细菌代谢产物。通过调整第一连接管、微流控芯片和第二连接管之间的高度差，可实现对进液和出液流速的调节与控制，例如，调整第一连接管与微流控芯片的高度，使二者之间的高度差增大，从而可使进液流速增大，或者调整第二连接管与微流控芯片的高度，使二者之间的高度差增大，从而可使出液流速增大。

步骤三：将步骤二中的重力驱动装置、微流控芯片和培养皿放置于培养箱中进行培养。具体地，将上述重力驱动装置、微流控芯片和培养皿放置于37℃培养箱中进行孵育培养，待细菌繁殖代数达到目标要求后，将细菌培养微平台从培养箱中取出，并将微流控芯片翻转180度后正置芯片，用移液枪吸取目标孔中的菌液用于后续实验研究或分析。

需要说明的是，由于步骤二中通过高度差进行流速调节的程度较为有限，在培养细菌一段时间后，例如3-4h后，半开放微孔20内细菌以指数倍数繁殖，因此通过第一连接管和第二连接管进行进样和出样的流速不足以对细菌样片溶液进行稀释或更新，在这种情况下，可将第二连接管拔除，使得细菌样片溶液不再通过出液通道32流出，而从第一微孔201内滴落，液滴滴落的速度与细菌繁殖的速度相匹配，以更好地适应细菌的繁殖速度，可灵活简便实现细菌培养过程中的稀释或更新传代，进一步利于细菌的高效生长，提高细菌生长效率。

图7是利用本发明实施方式的用于细菌培养的微流控芯片培养细菌与传统培养方式培养细菌的细菌生物量随时间的变化曲线图。如图7所示，培养14小时后，传统式摇菌瓶培养细菌的细菌生物量基本呈停止趋势，而本实施方式的微流控芯片培养细菌的细菌生物量以指数倍数繁殖，说明本实施方式的微流控芯片培养细菌的方式利于细菌的高效培养生长。

表1为利用微流控芯片培养细菌与传统培养方式培养方式每日细菌生物量。

表1

根据表1可知，本次验证大容量摇菌管和微流控芯片两种培养方式组别。在初始菌量基本相同的情况下，24小时后，微流控芯片培养细菌的菌量显著高于大容量摇菌管培养细菌的菌量，且微流控芯片培养细菌的分裂代数为大容量摇菌管培养细菌的分裂代数的二倍。

综上所述，本实施方式的利用微流控芯片培养细菌的方法显著优于传统的细菌培养方法，可实现细菌的高效生长。

本发明实施例的细菌培养方法操作方便，采用悬挂式液滴培养细菌，液滴底部的气液界面可以防止细菌粘附芯片，且使细菌处于较为富氧的状态，连续流动设计实现细菌培养介质持续更新，无需换液操作，实现了细菌的高效培养生长；悬挂式液滴培养细菌的方式使细菌处于3D微环境，有利于保护种群异质性。通过重力驱动系统可实现无泵式重力驱动液体样品，从而显著提升了芯片的稳定性与可重复性。另外，半开放式设计还可便于在培养过程中灵活便捷地进行取样，利于对培养过程中的细菌进行取样研究。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，包括：

基板；

微通道结构，设置于所述基板，所述微通道结构包括多组呈矩阵排列的半开放微孔单元和多条并联设置的分支通道，每组所述半开放微孔单元对应一条所述分支通道连接并连通，每组所述半开放微孔单元包括至少一个半开放微孔，所述半开放微孔背离所述基板的一端具有敞口。

2.根据权利要求1所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述半开放微孔包括第一微孔和第二微孔，所述第一微孔与所述第二微孔连接并连通，所述第一微孔的直径大于所述第二微孔的直径。

3.根据权利要求2所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述第二微孔与所述分支通道连接并连通。

4.根据权利要求2所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述第一微孔的敞口端的端面上沿圆周设置有第一环形凸起，所述第二微孔的敞口端的端面上沿圆周设置有第二环形凸起。

5.根据权利要求2所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，每组所述半开放微孔单元包括多个半开放微孔，多个所述半开放微孔沿所述分支通道的长度方向排列，且相邻两个半开放微孔连接并连通。

6.根据权利要求1所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述微通道结构还包括进液通道和出液通道，所述进液通道和所述出液通道分别设置于所述分支通道两端，并与所述分支通道连接并连通，所述进液通道的一端设置有进液口，所述出液通道的一端设置有出液口。

7.根据权利要求6所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述微通道结构还包括第一连接通道，所述第一连接通道具有第一进液端和多个第一出液端，所述第一进液端与所述进液通道的出液端连接并连通，多个所述第一出液端分别与多条所述分支通道的进液端连接并连通。

8.根据权利要求6所述的用于细菌培养的微流控芯片，其特征在于，所述微通道结构还包括第二连接通道，所述第二连接通道具有多个第二进液端和第二出液端，多个所述第二进液端分别与多条所述分支通道的出液端连接并连通，所述第二出液端与出液通道的进液端连接并连通。

9.一种细菌培养系统，其特征在于，包括重力驱动装置和如权利要求1至8中任一项所述的用于细菌培养的微流控芯片，所述重力驱动装置包括注液器、第一连接管和第二连接管，所述注液器与所述第一连接管连接，所述第一连接管与所述微通道结构的入口端连接并连通，所述第二连接管与所述微通道结构的出口端连接并连通，所述第一连接管的液面高度高于所述微流控芯片的高度，所述第二连接管的液面高度低于所述微流控芯片的高度。

10.一种细菌培养方法，其特征在于，所述细菌培养方法利用如权利要求9所述的细菌培养系统进行培养，所述细菌培养方法包括以下步骤：

将所述微流控芯片经灭菌处理后，向所述微通道结构内通入乙醇进行浸润处理，再通入细菌培养液冲洗所述微通道结构内的残留乙醇；

将细菌样品滴加至所述半开放微孔中，然后将所述微流控芯片翻转倒扣在培养皿上，将所述微流控芯片与所述注液器、第一连接管和第二连接管连接，在重力驱动下，通过所述注液器和所述第一连接管向所述微通道结构内连续进样，并从所述第二连接管中持续流出细菌产物；

将所述重力驱动装置、所述微流控芯片和所述培养皿放置于培养箱中进行培养。