專利名稱：一種用于高粘度溶液的快速微混合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高粘度溶液的快速微混合裝置，能將高粘度樣品溶液實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)混合，廣泛用于蛋白質(zhì)或DNA等生物大分子在擁擠環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控芯片實(shí)驗(yàn)室是本世紀(jì)一項(xiàng)重要的科學(xué)技術(shù)，其特征為將一個(gè)生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室微縮到一塊只有幾平方厘米的薄片上，它通過微通道、微閥和微泵等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、預(yù)處理、混合、反應(yīng)、檢測(cè)等一系列操作單元的集成，這種多功能單元高密度集成的微小平臺(tái)使得樣品處理時(shí)間大幅縮短，檢測(cè)分辨率顯著提高。目前，微流控芯片已經(jīng)應(yīng)用于包括疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全等與人們生活息息相關(guān)的眾多行業(yè)之中。微混合器作為微流控芯片中的一個(gè)重要部分，它能實(shí)現(xiàn)化學(xué)或生物樣品快速而有效的混合，且所消耗試量在納升級(jí)別，非常利于分析蛋白質(zhì)或核酸等貴重的生物樣品，被認(rèn)為是研究快速生物化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)有效工具。蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)一類很很重要的大分子，它作為生命活動(dòng)的執(zhí)行者，其折疊機(jī)制是分子生物學(xué)中心法則中尚未解決的一個(gè)重大生物學(xué)問題。長(zhǎng)期以來(lái)，由于某些實(shí)際原因， 研究蛋白質(zhì)體外折疊的實(shí)驗(yàn)一般是在一些簡(jiǎn)單的緩沖體系——稀溶液中進(jìn)行的。然而所有的細(xì)胞中都存在著大量的蛋白質(zhì)、核酸、多糖等各種生物大分子，它們大約占用細(xì)胞容積的 20% 30%，總濃度高達(dá)80 200g/L，所以任何一種大分子都處于一個(gè)充滿其他大分子的擁擠環(huán)境中。因此，對(duì)蛋白質(zhì)折疊的研究需要考慮到“大分子擁擠效應(yīng)”(A.P.，Minton, The effect of volume occupancy upon the thermodynamic activity of proteins :some biochemical consequences. Mol Cell Biochem，1983，55 (1) :119 140)。為研究蛋白質(zhì)在擁擠環(huán)境下的折疊動(dòng)力學(xué)情況，研究者將高濃度的牛血清蛋白或聚蔗糖或聚乙二醇溶于溶液中(這種溶液粘度極高)以模擬蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的擁擠狀態(tài)(M.Smita，and Μ. W.， Matthias, (2009)Effect of Macromolecular Crowding on Protein Folding Dynamics at the Secondary Structure Level, J. Mol. Biol. ,393,227-236)。為在微流控芯片中實(shí)現(xiàn)高粘度溶液的混合，Xia等人(H. M.，Xia and Ζ. P. Wang， (2010)A microfluidic mixer with self-excited 'turbulent' fluid motion for wide viscosity ratio applications, lab chip，10，1712-1716)設(shè)計(jì)了一個(gè)雙層芯片，通過溶液在上下兩層通道中間的流動(dòng)，使溶液不斷由小腔室突然進(jìn)入大腔室從而帶來(lái)劇烈擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)高粘度溶液的混合。這種裝置能實(shí)現(xiàn)粘度差異很大的兩種溶液的混合，但它的混合時(shí)間長(zhǎng)(約為lmin)，且其芯片為雙層結(jié)構(gòu)，加工較為復(fù)雜。Wang等人(S. S.，Wang and X. Y. , Huang(2011)Mixing enhancement for high viscous fluids in a microfluidic chamber, lab chip，11，2081-2087)通過在微芯片的混合腔中加入一個(gè)高頻振動(dòng)的壓電小裝置，使高粘度的甘油溶液實(shí)現(xiàn)快速混合。此微混合器的混合時(shí)間約為^，其溶液的擾動(dòng)需要外加動(dòng)力裝置(壓電裝置)的作用從而使其整體結(jié)構(gòu)顯得較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有高粘度溶液微混合裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混合時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)， 提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工簡(jiǎn)易、混合時(shí)間短的微混合裝置。一種用于高粘度溶液的快速微混合裝置，包括PDMS薄層，所述PDMS薄層上加工有三個(gè)相連通的通道，其中兩個(gè)溶液入口通道關(guān)于第三個(gè)溶液出口通道對(duì)稱，溶液出口通道內(nèi)順序加工有多個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)，ω型微結(jié)構(gòu)的兩開口朝向三通道交叉處。進(jìn)一步地，所述多個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)其左右開口大小的尺寸差交替為正值和負(fù)值。進(jìn)一步地，最靠近三通道交叉處的兩個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)分別偏向溶液出口通道左側(cè)和右側(cè)。進(jìn)一步地，還包括開有進(jìn)樣孔的基片。進(jìn)一步地，還包括用于引入外部溶液的芯片夾。本發(fā)明的突出特點(diǎn)在于(1)提出了一種打破微通道中溶液層流狀態(tài)的不對(duì)稱 ω結(jié)構(gòu)，通過將周期擺放的ω結(jié)構(gòu)有效擾動(dòng)通道中的高粘度溶液從而達(dá)到快速混合(約 500 μ s) ； (2)通過在基片上打孔再與芯片夾連接的方式將外部溶液引入芯片，與傳統(tǒng)的在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上打孔再連接進(jìn)樣管的的方式相比，本發(fā)明顯得更經(jīng)濟(jì)方便，且可減小PDMS碎屑對(duì)微通道的污染。該裝置為研究蛋白質(zhì)或DNA在大分子擁擠狀態(tài)下的折疊動(dòng)力學(xué)提供了一種新的途徑，在今后高粘度溶液的快速混合及反應(yīng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前
旦
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圖1微通道結(jié)構(gòu)示意圖。圖2微混合器組裝示意圖。圖3微混合器中水溶液在不同流量下的混合結(jié)果圖，圖3(a)_(d)分別為0. 003mL/ min、0. 03mL/min、0. lmL/min、0. 22mL/min流量時(shí)的混合效果圖，圖3 (e)為不同流量下圖 3(a)虛線所示位置處的熒光分布，圖3(f)為不同流量下的混合效率示意圖。圖4微混合器中HEC的混合結(jié)果圖，圖4 (a)為0. 25mL/min流量時(shí)的混合效果圖， 圖4(b)為0. 25mL/min流量時(shí)圖4(a)中虛線所示位置處的混合效率示意圖。圖5不同流量下微混合器中甘油的混合結(jié)果圖，圖5 (a)為50%甘油與水混合結(jié)果示意圖，圖5(b)為50%甘油與50%甘油混合結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明?？焖傥⒒旌涎b置包括PDMS薄層，所述PDMS薄層上加工有三個(gè)相連通的通道，其中兩個(gè)溶液入口通道a，b關(guān)于第三個(gè)溶液出口通道c對(duì)稱，溶液出口通道內(nèi)順序加工有多個(gè) ω型微結(jié)構(gòu)。三通道連接方式可采取為Y型、T型或箭頭型，ω型微結(jié)構(gòu)的兩開口朝向三通道交叉處。作為優(yōu)化，ω型微結(jié)構(gòu)在通道中的排布方式為其左右開口大小的尺寸差交替為正值和負(fù)值。這種方式與單純將ω型微結(jié)構(gòu)重復(fù)排布于通道中的方式相比，可以更有效的引起溶液的擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)快速混合。同時(shí)，將最靠近三通道交叉點(diǎn)的兩個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)分別偏向溶液出口通道左側(cè)和右側(cè)，這樣可以使兩溶液在剛進(jìn)入出口通道時(shí)被擠壓到更小的空間內(nèi)，對(duì)溶液最終實(shí)現(xiàn)完全混合大有裨益。為了引入外部溶液，傳統(tǒng)方式一般采取在PDMS薄層上打孔后鍵合載玻片，再在 PDMS打孔處連上鋼針和塑料管的方式。這種方式一方面容易帶來(lái)PDMS碎屑從而阻塞微通道；另一方面在PDMS打孔處鍵合強(qiáng)度相對(duì)較弱，高流速的溶液流過時(shí)容易將此處沖開。為克服上述問題，本發(fā)明采取先將基片精確打孔，然后與PDMS薄層鍵合，最后再用連接有鋼針和塑料管的芯片夾將PDMS芯片封裝的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)外部溶液的引入。圖1給出了一個(gè)實(shí)例，實(shí)例中PDMS薄層上加工有T型通道，兩個(gè)入口通道寬度為 200 μ m，出口通道中窄的位置其寬度為20 μ m,寬的位置其寬度為200 μ m，出口通道加工有 7個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)，按照左右開口大小的尺寸差先負(fù)后正的方式排布即序號(hào)為1、3、5、7的ω 型微結(jié)構(gòu)其左開口小于右開口，序號(hào)為2、4、6的ω型微結(jié)構(gòu)其左開口大于右開口，且第1 個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)偏向溶液出口通道左側(cè)，第2個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)偏向溶液出口通道右側(cè)。圖2給出的實(shí)例為所述微混合裝置的組裝過程。微混合裝置的具體實(shí)施方式
如下1. PDMS薄層的制備首先用軟光刻技術(shù)制作SU-8陽(yáng)模。即將SU_8(1070)甩于洗凈烘干的硅片上(700r 18s,2100r 60s)，前烘除去SU-8膠中的溶劑之后(65°C 15min, 95°C 40min)，進(jìn)行光刻00s，3. 5mJ/cm2)，然后置于熱平板上進(jìn)行后烘(65°C 15min,95°C 40min)，之后經(jīng)顯影液顯影后，再進(jìn)行堅(jiān)膜(135°C 120min)，即可得具微結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模(根據(jù)電鏡所拍圖片，測(cè)定其高度約27 μ m)，其通道具體結(jié)構(gòu)圖一。制作出陽(yáng)模后，再用快速成型方法將陽(yáng)模的微結(jié)構(gòu)復(fù)制到PDMS上。即將PDMS與其固化劑按10 1混勻并除氣得到前聚體，然后將PDMS前聚體倒于陽(yáng)模上，熱平板上65度固化4小時(shí)，將固化后的PDMS揭起并切邊即可得到含有微通道的PDMS薄層(厚約3cm)。2.基片的精確打孔。將3mm加厚載玻片(基片)與Imm普通載玻片(犧牲層)用 502膠粘好，然后置于小型數(shù)控機(jī)床上(基片在上)。通過數(shù)控機(jī)床的相關(guān)軟件讀取含有微通道三個(gè)進(jìn)樣孔的AutoCAD文件，并設(shè)好相應(yīng)參數(shù)，對(duì)載玻片進(jìn)行精確打孔。打好孔后用丙酮、Piranha溶液(濃H2SO4 H2O2 = 3 1，ν/ν)、超純水進(jìn)行清洗后，在熱平板上烘干得到潔凈的基片。3. PDMS與基片的鍵合。將含有微通道的PDMS薄層與含有進(jìn)樣孔的潔凈基片至于等離子體清洗器中處理(800V，2min)后，在鍵合面滴加水量超純水，然后在立式顯微鏡下將PDMS薄層上的三個(gè)進(jìn)樣孔與玻璃基片上的三個(gè)孔進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，然后置于真空烘箱中， 在真空狀態(tài)下65°C加熱池后得到PDMS芯片。4. PDMS芯片與芯片夾的組裝。得到PDMS芯片后，為將外界溶液導(dǎo)入芯片中，需將其與芯片夾組裝起來(lái)得到最后的微混合器裝置，其組裝示意圖如圖2所示，其中a為進(jìn)樣管一，其材質(zhì)為聚四氟乙烯管；b為進(jìn)樣管二，其材質(zhì)為聚四氟乙烯管；c為溶液出口管，其材質(zhì)為聚四氟乙烯管；d、e、f為不銹鋼管；g為固定螺絲；h為芯片夾蓋片，其材質(zhì)為8mm厚的有機(jī)玻璃；i為密封墊圈，其材質(zhì)為硅橡膠；j為基片，其材質(zhì)為載破片；k為含有微通道的 PDMS ；1為芯片夾底片，其材質(zhì)為3mm厚的不銹鋼板。微混合器裝置組裝完成后，我們先用熒光素與磺酰羅丹明的水溶液作為初步評(píng)價(jià)混合效果的樣品。在不同流量下，用微注射泵將兩溶液以相同速度從兩入口注入，其混合效果見圖3。
為研究該微混合裝置對(duì)高粘度溶液的混合效果，我們將的羥乙基纖維素 (HEC)與水溶液分別從兩微混合器的兩入口通入，在兩入口流量均為0. 25mL/min時(shí)，其混合效果如圖4所示。附2%的HEC配置方法將IOOmL水加熱至80°并保持該溫度，然后邊攪拌邊將 2g HEC加入水中配制成2% HEC，其理論粘度約為4000cp，根據(jù)需要將HEC用水稀釋成對(duì)應(yīng)粘度。為進(jìn)一步研究該微混合裝置對(duì)高粘度溶液的混合效果，我們將(a) 50%的甘油與水、(b) 50%的甘油與50%的甘油分別通入混合器的兩入口，不同流量下在混合器出口處其混合效率如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種用于高粘度溶液的快速微混合裝置，包括PDMS薄層，其特征在于，所述PDMS薄層上加工有三個(gè)相連通的通道，其中兩個(gè)溶液入口通道關(guān)于第三個(gè)溶液出口通道對(duì)稱，溶液出口通道內(nèi)順序加工有多個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)，ω型微結(jié)構(gòu)的兩開口朝向三通道交叉處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速微混合裝置，其特征在于，所述多個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)其左右開口大小的尺寸差交替為正值和負(fù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速微混合裝置，其特征在于，最靠近三通道交叉處的兩個(gè) ω型微結(jié)構(gòu)分別偏向溶液出口通道左側(cè)和右側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速微混合裝置，其特征在于，還包括開有進(jìn)樣孔的基片。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的快速微混合裝置，其特征在于，還包括用于引入外部溶液的芯片夾。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高粘度溶液的快速微混合裝置，包括PDMS薄層，其特征在于，所述PDMS薄層上加工有三個(gè)相連通的通道，其中兩個(gè)溶液入口通道關(guān)于第三個(gè)溶液出口通道對(duì)稱，溶液出口通道內(nèi)順序加工有多個(gè)ω型微結(jié)構(gòu)，ω型微結(jié)構(gòu)的兩開口朝向三通道交叉處。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工過程簡(jiǎn)易，能讓高粘度溶液在500μs內(nèi)完成完全混合。
文檔編號(hào)B01F3/10GK102500266SQ20111034409
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者馮曉均, 劉筆鋒, 徐友志, 李穎 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)