專利名稱：一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于化學分析領域，具體涉及一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置。
背景技術(shù)：
在化學和生物化學實驗中，梯度稀釋是最常用的操作之一，特別是在細胞毒性分析中，梯度稀釋操作顯得更加重要，在藥物劑量響應實驗中，需要配制一系列線性稀釋或?qū)?shù)稀釋的藥物，藥物濃度一般需要跨越3-6個數(shù)量級，常規(guī)的梯度稀釋方法需要精確的計量與混合溶液，操作費時費力，而且易于引起實驗誤差，影響實驗結(jié)果的準確性。微流控技術(shù)的出現(xiàn)，為梯度稀釋操作提供了一種有力的手段。兩種溶液在微流控芯片的通道中，可以通過重復匯流-混合-分流過程，在匯合后的主通道中形成濃度梯度 (Jeon N L, Dertinger SKff, Chiu D T, Choi I S， Stroock A D, Whitesides G Μ. Langmuir, 2000, 16，8311-8316.)，若上述溶液在最后一步不是匯合進入一個主通道，而是分散進入多個分支通道中，則形成一系列梯度稀釋的溶液(Ye N N, Qin J H, Shi W W, Liu X，Lin B C. Lab Chip, 2007, 7，1696-1704)，這種梯度稀釋方法可以方便地將一種藥物溶液稀釋成一系列濃度，并且可以和細胞培養(yǎng)裝置集成在一起，用于藥物篩選研究， 但該方法若要形成更寬的濃度范圍，則要求芯片面積明顯增大，而且難以實現(xiàn)多種藥物的組合稀釋溶液，操作過程也變得更加復雜。通過流阻比不同，也可以在微流控芯片上實現(xiàn)溶液的梯度稀釋操作，并能產(chǎn)生濃度范圍橫跨6個數(shù)量級的梯度(Sugiura S，Hattori K, Kanamori T. Anal. Chem. , 2010，82，8278-8282)，但這種梯度稀釋方法同樣存在的問題是，增加濃度梯度分支通道將顯著增大芯片面積，難以進行不同溶液的組合稀釋，而且濃度梯度分布不夠精細。目前已報道的現(xiàn)有的微流控梯度稀釋方法，由于稀釋溶液的濃度分布范圍不夠?qū)?，難以進行不同物質(zhì)組合稀釋，無法滿足對一種溶液大規(guī)模稀釋和對多種溶液組合稀釋的需求，在實際應用中受到諸多限制。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有梯度稀釋技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，目的是通過裝置的微流控芯片上特殊的微通道網(wǎng)絡設計，滿足對一種溶液大規(guī)模稀釋或?qū)Χ喾N溶液組合稀釋，在溶液稀釋過程中形成一組或多組梯度稀釋溶液系列，每組溶液的濃度均呈梯度分布，彼此獨立區(qū)分明確，能夠精確讀取濃度數(shù)值。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是
本發(fā)明的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置由具有上下兩層結(jié)構(gòu)的微流控芯片組成；所述的微流控芯片上層是圓盤狀帶有輻射形微通道網(wǎng)絡的基片，下層是平板基片，二者相對封接，形成底層封閉的微通道網(wǎng)絡；
所述的微通道網(wǎng)絡設有N條同心圓環(huán)形通道，N級蜿蜒形通道，其中最后一級蜿蜒形通道為直線形通道，以及M個入口孔，所述的N和M是> 2的整數(shù)；所述的蜿蜒形通道分布在每兩條圓環(huán)形通道之間，以同心圓環(huán)的圓心為對稱中心，沿徑向呈輻射狀均勻分布；所述的第N級蜿蜒通道為直線形，位于最外圍的第N圓環(huán)形通道的外側(cè)，以圓心為對稱中心呈輻射狀對稱分布；所述的入口孔分布在第I圓環(huán)形通道周圍，以圓心為對稱中心呈中心對稱分布；
所述的同心圓環(huán)形通道，蜿蜒形通道和入口孔的連接方式為第I級蜿蜒通道中處于相間位置的M條蜿蜒通道的前端分別與M個入口孔一一對應相連，并通過孔與第I圓環(huán)形通道相連，剩余的同樣處于相間位置的M條第I級蜿蜒通道的前端直接與第I級圓環(huán)形通道相連，所有的蜿蜒形通道末端與第2圓環(huán)形通道相連，以此類推，隨著圓環(huán)形通道序號 i[xl]的增加，第i級蜿蜒形通道共包括MX 21條蜿蜒形通道，其中處于相間位置的MX 2H 條蜿蜒形通道的前端與第i圓環(huán)形通道相連，并通過第i圓環(huán)形通道與第(i_l)級相對應的蜿蜒形通道的末端相連，其余的MX 2H條同樣處于相間位置的第i級蜿蜒通道的前端與第i圓環(huán)形通道相連，所有的第i級蜿蜒形通道的末端與第(i+Ι)級圓環(huán)形通道相連；第N 級蜿蜒通道為直線形，共計有MX 2N條，其前端與第N級圓環(huán)形通道相連，末端為開放式，即作為微通道網(wǎng)絡的出口。所述的同心圓環(huán)形通道的寬度相同，均為50-200 μ m。所述的蜿蜒形通道的深度和寬度均相等，其中處于同一級的每條蜿蜒形通道的長度相等，所占面積也相等，第I級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道的長度為20-50_，第i級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道的長度不小于第(i-Ι)級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道長度的
二分之一。所述的入口孔M彡3時，裝置能同時稀釋至少2種溶液，并能產(chǎn)生組合稀釋液，將待稀釋的M種溶液分別注入孔中，最終產(chǎn)生
組兩兩相同的具有(2N+1)個濃度梯度的溶液。采用所述的稀釋裝置稀釋溶液，從不同的孔注入溶液的流速均相等，且穩(wěn)定不變。所述的裝置選用玻璃或聚二甲基硅氧烷為材料制成。上述寬濃度范圍的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置的制作過程為，按照SU-8光刻膠陽模的標準制作工藝，在硅片上形成微通道網(wǎng)絡的陽模，再于其上澆鑄聚二甲基硅氧烷預聚物，經(jīng)過加熱聚合過程，固化成型，脫模后形成具有輻射形微通道網(wǎng)絡的聚二甲基硅氧燒基片。在聚二甲基硅氧烷基片的微通道網(wǎng)絡中心的相應位置，用打孔器加工M個貫穿聚二甲基硅氧烷層的孔，作為溶液入口，再沿著最外圍的第N級直線形通道末端，進行環(huán)形切割，得到圓盤狀聚二甲基硅氧烷裝置組件。聚二甲基硅氧烷層與平板玻璃基片經(jīng)等離子體清洗，進行不可逆封接，便形成了封閉的微通道網(wǎng)絡，位于第I級的2M條蜿蜒通道長度為20-50mm，其外相鄰每一級蜿蜒通道的長度都略大于前一級通道長度的一半，依此類推，蜿蜒通道的長度越來越短。本發(fā)明的稀釋裝置中微流控芯片還可以選用其他不與被稀釋溶液發(fā)生化學反應的高分子聚合物等化學惰性材料，如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚四氟乙烯等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的原理和有益效果是
本發(fā)明是基于層流和分子擴散原理，利用對稱的微通道網(wǎng)絡對流體進行平均分配，在蜿蜒通道中實現(xiàn)基于分子擴散的完全混合，經(jīng)過反復的分流-混合過程，最終將初始濃度稀釋成濃度呈梯度分布的溶液。以具有2個入口，η條同心圓環(huán)形通道和η級蜿蜒形通道的稀釋裝置為例進行原理說明，在最外圈共計2η+1條直線形通道中形成了兩組對稱的梯度溶液，這兩組梯度溶液是各自包含初始濃度在內(nèi)的(2η+1)種濃度的溶液；若從2個入口引入不同的初始溶液，能夠形成兩種初始溶液的組合梯度溶液；對位于最外層的直線形通道進行編號，編號從O到2η， 其中第O號和第2η號直線形通道內(nèi)溶液的濃度分別為兩種溶液的初始濃度，如果第O號直線形通道內(nèi)的溶液濃度為1，第2"號蜿蜒形通道內(nèi)的溶液濃度為0，則形成兩個從O到I的濃度梯度系列，第X號直線形通道，即任意一直線形通道內(nèi)溶液的濃度為Cx = 1-χ/2η;對于具有3個及以上入口的稀釋裝置，則能夠同時稀釋更多種溶液，梯度靈活多樣。本發(fā)明中的第I級蜿蜒形通道中每條蜿蜒通道的長度、稀釋裝置外部的液體驅(qū)動裝置注射泵提供的液流流速和適用的溶質(zhì)的擴散系數(shù)，三者之間的關(guān)系可根據(jù)愛因斯坦-布朗位移方程和時間位移方程進行推導，即兩種溶液在并行層流過程中，溶質(zhì)分子的徑向擴散，從通道一側(cè)擴散至另一側(cè)所需時間要小于其流經(jīng)整條蜿蜒通道所需時間，在兩層流溶液到達蜿蜒通道出口前，完成層間擴散，溶質(zhì)分子在通道徑向均勻分布，即實現(xiàn)兩種溶液的完全混合，本發(fā)明的第一級蜿蜒形通道長度為20-50_，能在蜿蜒通道內(nèi)通過層流擴散實現(xiàn)完全混合。本發(fā)明的創(chuàng)造性之處是利用由多個不同大小的同心圓環(huán)形通道和放射狀排布的蜿蜒形通道形成的微通道網(wǎng)絡對溶液進行稀釋，充分利用了空間，實現(xiàn)了通道網(wǎng)絡最大程度的集成化；本發(fā)明的稀釋裝置能夠同時產(chǎn)生的濃度種類多，濃度分化精細，對于有N個圓環(huán)形通道的稀釋器，在一組梯度溶液中可產(chǎn)生(2Ν+1)種不同的濃度；本發(fā)明的稀釋裝置中， 蜿蜒形通道中的濃度能直接讀取，方便快捷；本發(fā)明的稀釋裝置試樣消耗少，生成系列濃度快速而穩(wěn)定。


圖I是本發(fā)明的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置結(jié)構(gòu)示意其中1 :圓盤狀帶有輻射形微通道網(wǎng)絡的基片，2 :平板基片；
圖2是本發(fā)明實施例的微通道網(wǎng)絡示意其中3 :圓孔入口 ；4 :第I級蜿蜒形通道；5 第2級蜿蜒形通道；6 第3級蜿蜒形通道；7 :第4級蜿蜒形通道；8 第5級蜿蜒形通道；9 :第6級蜿蜒形通道；10 :直線形通道； 11 :第I圓環(huán)形通道；12 :第2圓環(huán)形通道；13 第3圓環(huán)形通道；14 :第4圓環(huán)形通道；15 第5圓環(huán)形通道；16 第6圓環(huán)形通道；17 :第7圓環(huán)形通道；18 :環(huán)切線；
圖3是本發(fā)明實施例中系列濃度和最外層通道序號的對應關(guān)系；
其中方塊圖為理論值，線狀圖為實驗值。
具體實施例方式本發(fā)明實施例采用的注射溶液用微量注射泵是Model MD-1001型， Bioanalytical Systems 公司，美國。實施例I
本實施例的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示，為具有上下兩層結(jié)構(gòu)的微流控芯片，上層為聚二甲基硅氧烷材質(zhì)，一面具有微通道網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，下層2是透明的平板玻璃基片，無通道結(jié)構(gòu)。上層基片的圓盤狀輻射形微通道網(wǎng)絡如圖2所示，按照SU-8光刻膠陽模的標準制作工藝，在硅片上形成微通道網(wǎng)絡的陽模，陽模厚度為40 mm,再于其上澆鑄聚二甲基硅氧烷預聚物，經(jīng)過加熱聚合過程，固化成型，經(jīng)過固化翻模后，得到7條同心圓環(huán)形通道，7級蜿蜒形通道，在第I圓環(huán)形通道周圍，用鉆孔器打2個直徑O. 45 mm的貫穿聚二甲基硅氧烷基片的圓孔，作為溶液入口，再沿著微通道網(wǎng)絡最外圍的環(huán)切線，進行環(huán)形切割，得到直徑 35 _的圓盤狀輻射形微通道網(wǎng)絡聚二甲基硅氧烷基片。將微通道網(wǎng)絡面朝下，圓盤狀輻射形微通道網(wǎng)絡聚二甲基硅氧烷基片與平板玻璃基片正對封接，在其內(nèi)部形成封閉的管狀微通道網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的入口為中心的2個直徑O. 45 _的孔，出口為最外圍256個直通道的開放末端。上述的微通道網(wǎng)絡，由7個半徑遞增的寬度為150 μ m的同心圓環(huán)形通道，和7級位于每兩個圓環(huán)形通道之間的寬度均為80 μ m的蜿蜒形通道組成，中心最小圓環(huán)形通道的直徑為 O. 5 mm,其他各通道直徑依次為 7. 8 mm, 12. O mm, 15. 8 mm, 19. 6 mm, 23. 4 mm, 28. 0 _，最小圓環(huán)形通道外側(cè)有4條長度為27 mm的第I級蜿蜓形通道與之相連,呈放射狀均勻分布，其中2條相間的蜿蜒通道的前端經(jīng)微通道網(wǎng)絡的入口與最小圓環(huán)形通道相連，其余兩條同樣相間的蜿蜒形通道的前端與第I圓環(huán)形通道相連，這4條蜿蜒通道的末端與第2 圓環(huán)形通道相連，在第2圓環(huán)形通道外側(cè)，有8條第2級蜿蜒形通道對稱排布，其中4條與 4條第一級蜿蜒通道通過第2圓環(huán)形通道相連，另外4條在其間均勻分布，這8條第2級蜿蜒形通道的末端與第3圓環(huán)形通道相連，以此類推，在第7圓環(huán)形通道外側(cè)，共有256條蜿蜒形通道對稱排布。采用微量注射泵，以8 mL/min的流速，同時經(jīng)2個入口向微通道網(wǎng)絡中注入初始濃度分別為O和I的溶液(濃度值歸一化)，2股液流一方面各自沿著蜿蜒通道向下游流動， 一方面進入第I圓環(huán)形通道，進入圓環(huán)形通道的溶液再向各自的左右兩個方向平均分配， 沿著圓環(huán)形通道流動的兩股液流相遇后，同步進入與圓環(huán)形通道相連的另外兩個蜿蜒通道中，在到達蜿蜒通道出口之前，實現(xiàn)基于分子擴散的完全混合，即形成等于2種初始濃度和的一半的新濃度。在進入第2圓環(huán)形通道時，從4個第I級蜿蜒通道流出的溶液濃度分別是 0,0. 5，1，O. 5，這3種濃度的4股溶液經(jīng)第二圓環(huán)形通道，在下游8條蜿蜒通道中實現(xiàn)液流的平均分配，其中4條蜿蜒通道中含有不同源的溶液，它們在流出蜿蜒通道前達到完全混合，與其他四條蜿蜒通道中的溶液同步進入第3個圓環(huán)形通道前，8條蜿蜒通道中形成5種濃度的溶液，這5種濃度分別為上一級臨近蜿蜒通道濃度和的一半，即0，0. 25，O. 5,0. 75， 1,0. 75,0.5,0. 25,以此類推，在第7級即最外層256條直線形通道的下游，便形成了兩組系列濃度梯度，每組含有129種濃度，都以初始濃度中較低的濃度為濃度系列的起點，以初始濃度中較高濃度為系列濃度的終點，以2種初始濃度差的1/128為相鄰濃度的遞增量，即在裝置的外沿，以初始濃度所在通道為軸線，生成對稱分布的兩組濃度系列，完成稀釋過程， 如圖3所示，O號通道對應初始濃度1，128號通道對應初始濃度0，128’號通道與128號通道為同一條通道。兩組系列濃度為從128到O號通道的遞增濃度，以及從O到128’號通道的遞減濃度。兩組系列濃度對稱分布，每相鄰2個濃度之差為2個原始濃度差值的1/128， 其中方塊圖為理論值，線狀圖為實驗值。
實施例2
對于稀釋裝置為3入口，6級通道的微流控芯片，制作過程和濃度梯度形成方法與實施例I中的2入口芯片相同，不同之處在于3個入口的芯片的濃度梯度形成過程。首先，需要同時引入3種溶液A，B和C，再流經(jīng)微通道網(wǎng)絡，所述的微通道網(wǎng)絡包括5級蜿蜒通道，蜿蜒通道數(shù)目分別為6條，12條，24條，48條，96條，I組共計192條的直線通道以及6條同心排列的圓環(huán)形通道，最終形成的濃度梯度分為兩種情況首先，如果其初始濃度分別為O (空白溶液)，Ib (B溶液)和I。(C溶液)，則生成一組由O到I的B溶液的稀梯度釋液，共64 種，一組由O到I’的C溶液的稀梯度釋液，共64種；以及一組B和C的混合濃度梯度溶液， 共64種。其次，如果其初始濃度分別為1A，Ib和1。，則生成3組濃度梯度混合溶液，分別為 A和B，A和C，B和C的兩兩混合溶液，每組各有65種溶液，完成稀釋過程。
權(quán)利要求
1.一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，由具有上下兩層結(jié)構(gòu)的微流控芯片組成，微流控芯片下層是平板基片，其特征在于微流控芯片的上層是圓盤狀帶有輻射形微通道網(wǎng)絡的基片，上下兩層基片相對封接，形成底層封閉的微通道網(wǎng)絡；所述的微通道網(wǎng)絡設有N條同心圓環(huán)形通道，N級蜿蜒形通道，其中最后一級蜿蜒形通道為直線形通道，以及M個入口孔，所述的N和M是> 2的整數(shù)；所述的蜿蜒形通道分布在每兩條圓環(huán)形通道之間，以同心圓環(huán)的圓心為對稱中心，沿徑向呈輻射狀均勻分布；所述的直線形通道位于最外圍的第N 圓環(huán)形通道的外側(cè)，以圓心為對稱中心呈輻射狀對稱分布；所述的入口孔分布在第I圓環(huán)形通道周圍，以圓心為對稱中心呈中心對稱分布；所述的同心圓環(huán)形通道，蜿蜒形通道，直線形通道和入口孔的連接方式為第I級蜿蜒通道中處于相間位置的M條蜿蜒通道的前端分別與M個入口孔一一對應相連，并通過孔與第I圓環(huán)形通道相連，剩余的同樣處于相間位置的M條第I級蜿蜒通道的前端直接與第I級圓環(huán)形通道相連，所有的蜿蜒形通道末端與第2圓環(huán)形通道相連，以此類推，隨著圓環(huán)形通道序號i增加，第i級蜿蜒形通道共包括MX 21條蜿蜒形通道，其中處于相間位置的MX 2H 條蜿蜒形通道的前端與第i圓環(huán)形通道相連，并通過第i圓環(huán)形通道與第(i_l)級相對應的蜿蜒形通道的末端相連，其余的MX 2H條同樣處于相間位置的第i級蜿蜒通道的前端與第i圓環(huán)形通道相連，所有的第i級蜿蜒形通道的末端與第(i+Ι)級圓環(huán)形通道相連；直線形通道共計有2N+1條，其前端與第N級圓環(huán)形通道相連，末端為開放式，即作為微通道網(wǎng)絡的出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，其特征在于所述的同心圓環(huán)形通道的寬度相同，均為50-200 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，其特征在于所述的蜿蜒形通道的深度和寬度均相等，其中處于同一級的每條蜿蜒形通道的長度相等，所占面積也相等，第I級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道的長度為20-50_，第i級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道的長度不小于第(i-1)級蜿蜒形通道中每條蜿蜒形通道長度的二分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，其特征在于所述的入口孔M > 3時，裝置能同時稀釋至少2種溶液，并能產(chǎn)生組合稀釋液，將待稀釋的M種溶液分別注入孔中，最終產(chǎn)生C2u組兩兩相同的具有(2N+1)個濃度梯度的溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬濃度范圍的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，其特征在于采用所述的稀釋裝置稀釋溶液時，從不同的孔注入溶液的流速均相等，且穩(wěn)定不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種寬濃度范圍的微流控芯片溶液梯度稀釋裝置，其特征在于所述的裝置選用玻璃和聚二甲基硅氧烷為材料制成。
全文摘要
本發(fā)明屬化學分析領域，具體涉及一種微流控芯片溶液梯度稀釋裝置。本發(fā)明的裝置由具有上下兩層結(jié)構(gòu)的微流控芯片組成；微流控芯片上層是圓盤狀帶有輻射形微通道網(wǎng)絡的基片，下層是平板基片，二者相對封接，形成底層的微通道網(wǎng)絡；微通道網(wǎng)絡具有N條同心圓環(huán)形通道，N級蜿蜒形通道，其中最后一級蜿蜒形通道為直線形通道，以及M個作為入口的孔。本發(fā)明是利用對稱的微通道網(wǎng)絡對流體進行平均分配，在蜿蜒通道中實現(xiàn)基于分子擴散的完全混合，經(jīng)過反復的分流-混合過程，最終將初始濃度稀釋成濃度呈梯度分布的溶液。本發(fā)明的稀釋裝置試樣消耗少，節(jié)省空間，生成系列濃度快速而穩(wěn)定。
文檔編號B01L3/00GK102580798SQ20121004732
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者徐章潤, 楊春光 申請人:東北大學