一種三入口濃度梯度發(fā)生器及冪函數濃度梯度的產生方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微流體芯片及其生物、制藥、醫(yī)學工程等應用領域，尤其涉及一種基于 微流控的濃度梯度發(fā)生器及冪函數濃度梯度的產生方法。
【背景技術】
[0002] 細胞的迀移、神經元軸突的定向生長以及微生物的趨化反應等都受某種化學物質 的濃度梯度影響。因此，實現可控的濃度梯度在細胞生物學研宄和藥物篩選及醫(yī)學工程中 具有重要的實用價值。微流控設備因其尺寸微小，可產生精密的層流流動，并可有效控制流 體的相互混合，而被大量地用于濃度梯度的產生。
[0003] 目前的微流控濃度梯度發(fā)生器主要包括擴散型和對流型兩類。擴散型是利用分子 的自由擴散而產生濃度梯度，其一般用于產生線性的濃度梯度，而難以實現可控的其他類 型的濃度梯度。對流型是基于流體的多次分離與混合，可以實現非線性濃度梯度以及多個 濃度梯度疊加等復雜情形。相對而言，對流型濃度梯度發(fā)生器的結構較復雜，需要較長的直 通道或微混合器。此外，一般單個的濃度梯度發(fā)生器僅能用于產生一種濃度梯度，即設備的 通用性較差。目前的濃度梯度器結構設計中，若要在單個設備上實現多種濃度梯度，則需要 設置很多個流體入口，使得設備結構很復雜，且對外部儀器的要求大大提高。

【發(fā)明內容】

[0004] 鑒于以上技術問題，本發(fā)明提供了一種結構簡單緊湊的三入口濃度梯度發(fā)生器及 梯度產生方法。其目的是在單個微流體設備上實現多種不同冪函數濃度梯度，為解決細胞 趨化、藥物篩選等生物醫(yī)學的技術問題提供新方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種三入口濃度梯度發(fā)生器，一端 為三個入口通道，三個入口與主通道連接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板； 所述分流板是指平行于長度方向，用于分隔流體的長條形結構；將在長度方向上處于同一 位置的分流板作為一級，一共需要3級分流板；第1級含有2塊分流板，第2級含有4塊分 流板，第3級含有8塊分流板；其中，第一級的2塊分流板將主通道隔離成3條小通道，這三 條小通道分別與三個入口通道相連；第3級的8塊分流板在垂直于主通道的方向上均勻排 列；在垂直于主通道方向上，第2級的第i塊分流板處于第3級的第2i-l塊和2i塊分流板 的中間；第1級的第j塊分流板處于第2級的第2j-l塊和2j塊分流板的中間；主通道的 寬度為《，高度小于等于w/10 ;第1級分流板的長度為
1第2級分流板的長度為
，第3級分流板的長度為
分流板的寬度小于等于《/20 ;第3級分流板 之后為一段空的主通道，其另一側與出口通道連接。
[0006] 所述濃度梯度發(fā)生器的制造方法為：先用PDMS通過軟光刻制作含有所述結構的 基片，然后用等離子處理使其與蓋片鍵合，最后在出入口通道處通過打孔與其他設備連接。
[0007] -種應用上述濃度梯度發(fā)生器建立冪函數濃度梯度的方法，具體如下：三個入口 從上到下依次定義為入口一、入口二和入口三，則入口一的濃度根據需要確定，入口三的濃 度為0,入口二的濃度根據目標冪函數確定，其值為目標冪函數在垂直于流動方向的中點處 的濃度值；其中，入口二的平均流速為20 μ m/s，入口一、三的流速之和總是等于入口二流 速的兩倍；當目標冪函數的冪次a大于等于1時，入口一、二的速度比r = V1A2與依賴于冪 次a的變量b = In (a)的關系如下：r = 0. 95 -0. 41b，從而得到入口 一和入口三的流速；當 目標冪函數的冪次a = 1/2時，入口一的平均流速為13 μ m/s，入口三的平均流速為8 μ m/ s ;當目標冪函數的冪次a = 1/3時，入口一的平均流速為12 μm/s，入口三的平均流速為 4 μ m/s ;需要某一種冪函數濃度梯度時，可按如下步驟獲?。?br>[0008] (1)根據目標冪函數的冪a確定各個入口溶液的濃度，并配置相應濃度的溶液；
[0009] ⑵當a多1時，根據r與b的關系，由冪a得到合適的入口平均流速；當a = 1/2 或a = 1/3時，按上述給定的取值確定入口平均流速；根據濃度梯度發(fā)生器的尺寸計算各個 入口的流量；
[0010] (2)濃度梯度發(fā)生器的三個入口分別連接注射泵，出口連接廢液儲槽；
[0011] (3)先用蒸餾水將通道填滿，然后按步驟（2)中計算所得的流量值在入口一、二中 通入相應的配置好的溶液，入口三中通入蒸餾水；
[0012] (4)流場穩(wěn)定后，即可完成所需冪函數濃度梯度的建立。
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0014] (1)相比于大部分濃度梯度發(fā)生器只能實現一種濃度梯度的技術現狀，本發(fā)明可 以在所述的單個微流控芯片上，通過調節(jié)各入口流量和入口二流體的濃度實現不同的濃度 梯度。
[0015] (2)相較于其他可以形成多種濃度梯度的裝置，本發(fā)明設備的入口通道少。分流板 的設置使得同一級的混合通道直接相鄰，而兩級間的混合通道直接相連，混合區(qū)的結構大 大簡化，從而使整體結構簡單緊湊。
[0016] (3)對于不同的冪函數濃度梯度（冪次大于等于0)，流量參數和目標函數參數的 關聯式為線性關系，簡單明了。確定所需的目標濃度梯度后，可以非常方便地計算出所需的 操作參數。
[0017] (4)本發(fā)明所述的濃度梯度產生方法可以在實現不同冪函數濃度梯度的同時，保 持流體的總流量不變的。即在細胞培養(yǎng)等試驗中，可以控制細胞所受的剪切力不變。這對 于細胞的體外培養(yǎng)等醫(yī)學工程具有重要的實用價值。
【附圖說明】
[0018] 圖1本發(fā)明所述的濃度梯度發(fā)生器結構的平面圖；
[0019] 圖2所述濃度梯度發(fā)生器中產生的不同冪函數濃度梯度的實驗結果；
[0020] 圖3入口速度與冪的關系。
【具體實施方式】
[0021] 以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。應當理解，此處所描述 的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明一種三入口濃度梯度發(fā)生器，一端為三個入口通道，三個入口 與主通道連接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板；所述分流板是指平行于長 度方向，用于分隔流體的長條形結構；將在長度方向上處于同一位置的分流板作為一級，一 共需要3級分流板；第1級含有2塊分流板，第2級含有4塊分流板，第3級含有8塊分流 板；其中，第一級的2塊分流板將主通道隔離成3條小通道，這三條小通道分別與三個入口 通道相連；第3級的8塊分流板在垂直于主通道的方向上均勻排列；在垂直于主通道方向 上，第2級的第i塊分流板處于第3級的第2i-l塊和2i塊分流板的中間；第1級的第j 塊分流板處于第2級的第2j-l塊和2j塊分流板的中間；主通道的寬度為w，高度小于等于 w/10 ;第1級分流板的長度為
，第2級分流板的長度為
，第3級分流板 的長度戈
，分流板的寬度小于等于《/20 ;第3級分流板之后為一段空的主通道， 其另一側與出口通道連接。
[0023] 一種應用上述濃度梯度發(fā)生器建立冪函數濃度梯度的方法，具體如下：如圖1所 示，三個入口從上到下依次定義為入口一、入口二和入口三，則入口 一的濃度根據需要確 定，入口三的濃度為0,入口二的濃度根據目標冪函數確定，其值為目標冪函數在垂直于流 動方向的中點處的濃度值；其中，入口二的平均流速為20 μ m/s，入口一、三的流速之和總 是等于入口二流速的兩倍，其值見表1 ;當目標冪函數的冪次a大于等于1時，入口一、二的 速度比r = V1A^2與依賴于冪次a的變量b = In (a)的關系如下：r = 0. 95 -0. 41b，從而得 到入口一和入口三的流速，計算結果如表2所示，將表2繪制成圖3,可見r與b呈現明顯的 線性關系。當目標冪函數的冪次a = 1/2時，入口一的平均流速為13 μπι/s，入口三的平均 流速為8ym/s ;當目標冪函數的冪次a = 1/3時，入口一的平均流速為12ym/s，入口三的 平均流速為4 μ m/s。
[0024] 表1常見冪函數的入口平均流速
[0025]
[0026] 表2