一種改進(jìn)型二入口濃度梯度發(fā)生器及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流體芯片及其生物、醫(yī)學(xué)、制藥工程等應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于微流控技術(shù)的濃度梯度產(chǎn)生裝置及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在細(xì)胞生物學(xué)研宄中，藥物或者生物因子對(duì)細(xì)胞的行為具有重要的影響。為了對(duì)這些行為進(jìn)行體外研宄，常需要在細(xì)胞所處的環(huán)境中建立一定的濃度梯度，為此需要一個(gè)濃度梯度產(chǎn)生裝置。微流控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞的各種體外研宄，且尺度微小，流動(dòng)穩(wěn)定且分子擴(kuò)散速度慢，適合于保持穩(wěn)定的濃度梯度。因此，基于微流控技術(shù)的濃度梯度發(fā)生器引起了有關(guān)彳丁業(yè)的廣泛關(guān)注。
[0003]對(duì)流型微流控濃度梯度發(fā)生器是最常見的濃度梯度發(fā)生器類型，其基于流體的多次分離與混合，可以實(shí)現(xiàn)單調(diào)或者非單調(diào)的濃度梯度建立。在傳統(tǒng)的對(duì)流型濃度梯度器中，每一級(jí)所包含的通道數(shù)量隨著級(jí)數(shù)而按線性的方式增長(zhǎng)，混合通道數(shù)量很多，而且要提高出口濃度梯度的分辨率就意味著設(shè)備的復(fù)雜性大大提高。此外，為了在一條混合通道中實(shí)現(xiàn)完全的混合，混合通道一般都很長(zhǎng)或者需要單獨(dú)的微混合器。實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜的濃度梯度則常常需要設(shè)置多個(gè)入口。這些都是對(duì)流型濃度梯度發(fā)生器常見的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊的二入口濃度梯度發(fā)生器及其設(shè)計(jì)。其目的是實(shí)現(xiàn)任意單調(diào)函數(shù)濃度梯度的建立，并簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度，為相應(yīng)的細(xì)胞體外研宄提供技術(shù)上的支撐。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種改進(jìn)型二入口濃度梯度發(fā)生器，一端為兩個(gè)入口通道，其與主通道連接；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(zhǎng)度方向，用于分隔流體的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)；將在長(zhǎng)度方向上處于同一位置的分流板作為一級(jí)；第I級(jí)含有I塊分流板，第2級(jí)含有2塊分流板，第i級(jí)含有2H塊分流板，即每一級(jí)的分流板數(shù)目按照級(jí)數(shù)進(jìn)行指數(shù)式的增長(zhǎng)；所需的分流板總級(jí)數(shù)由目標(biāo)濃度梯度函數(shù)以及所需的分辨率決定；第I級(jí)的分流板將主通道隔離成兩條通道，這兩條通道分別與兩個(gè)入口通道相連；最后一級(jí)的分流板的數(shù)目根據(jù)其所在的級(jí)數(shù)確定，且每塊分流板在垂直于主通道的方向上均勻排列；第i級(jí)分流板將主通道分為個(gè)小通道，第I個(gè)和第個(gè)小通道的流體在下一級(jí)分為兩股流體，一股繼續(xù)沿壁面流動(dòng)，另一股與相鄰流體混合形成新的濃度；第2個(gè)至第21 1個(gè)小通道的流體在下一級(jí)分為三股流體，其中兩股分別與鄰近的兩股混合形成新的濃度，另一股直接進(jìn)入下一級(jí)而不改變濃度。
[0006]分流板在主通道寬度方向上的位置按照質(zhì)量守恒定律計(jì)算，公式如下:Cnjlll-!.W^Cn m.W2= C n+1，2m_2.(WjW2)，其中cn，m為第η級(jí)的第m個(gè)通道的濃度，C 為第η級(jí)的第m-1個(gè)通道的濃度，Cn+12ni_2為第η+1級(jí)的第2m_2個(gè)通道的濃度，w i為第η級(jí)的第m-Ι條分流板與第n+1級(jí)的第2m-3個(gè)分流板在垂直于主通道方向上的距離，W2為第η級(jí)的第m-1條分流板與第n+1級(jí)的第2m-2個(gè)分流板在垂直于主通道方向上的距離；每一級(jí)分流板的長(zhǎng)度L根據(jù)該級(jí)任一條通道實(shí)現(xiàn)完全混合的原則確定，公式如下:L = V.wm2/D，其中wmS該級(jí)除靠近壁面通道外最寬通道的寬度，V為入口平均流速，D為溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)；最后一級(jí)分流板之后為一段空的主通道，其另一側(cè)與出口通道連接；主通道的寬度為W，高度H小于等于W/10 ;分流板的寬度小于等于W/20。
[0007]對(duì)于給定的目標(biāo)濃度梯度函數(shù)，所述二入口濃度梯度發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法如下:
[0008](I)將目標(biāo)濃度梯度函數(shù)歸一化處理，即得到定義域與值域都為[0，I]的目標(biāo)濃度梯度函數(shù)f(x)；
[0009](2)確定分辨率α，根據(jù)分辨率α大于等于最后一級(jí)分流板處相鄰?fù)ǖ赖淖畲鬂舛炔畹脑瓌t，確定分流板的總級(jí)數(shù)N。公式如下:a ^max{f((j+l)/2N-1)-f(j/2N-1)}, j為最后一級(jí)的通道序號(hào)，j = I?2Μ+1，得到最后一級(jí)的分流板數(shù)目為2H塊；確定最后一級(jí)分流板處每條通道的歸一化濃度CN，j= f ((j-l)/2 ^1);
[0010](3)確定主通道的寬度W和高度H，并根據(jù)最后一級(jí)分流板在寬度方向上均勻布置的原則，計(jì)算出最后一級(jí)的每個(gè)分流板在寬度方向上距離主通道壁面的距離為kW/(2^+1)，其中k為最后一級(jí)的分流板的序號(hào)，k = I?2n_S
[0011](4)根據(jù)質(zhì)量守恒定律 Cn^1 ^!+Cnjm.'= cn+1；2m_2.(WjW2)以及 Cn,π= ClrtX計(jì)算倒數(shù)第二級(jí)每一塊分流板在寬度方向上的位置，依次類推，直至計(jì)算得到第I級(jí)的分流板的位置；
[0012](5)確定實(shí)驗(yàn)中所需的主通道流體流量Q，計(jì)算出通道中的平均流速V = Q/WH ;根據(jù)公式L = v *wm2/D計(jì)算得到每一級(jí)分流板的長(zhǎng)度L，從而根據(jù)給定的目標(biāo)濃度梯度函數(shù)，完成所需的二入口濃度梯度發(fā)生器的設(shè)計(jì)。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
[0014](I)相比于傳統(tǒng)的對(duì)流型濃度梯度發(fā)生器，本發(fā)明改進(jìn)了兩級(jí)間流體的傳遞方式，從而使得在相同的分辨率下所需的級(jí)數(shù)顯著減少。換言之，在相同的級(jí)數(shù)或相同的混合通道數(shù)量下，最終產(chǎn)生的濃度梯度的分辨率得到了顯著的提高，從而使得設(shè)備的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。
[0015](2)相較于類似結(jié)構(gòu)的對(duì)流型濃度梯度發(fā)生器，本發(fā)明改進(jìn)了分流板出口處的濃度梯度對(duì)目標(biāo)濃度梯度的逼近方式，使最后一級(jí)分流板在寬度方向上均勻分布，有利于整個(gè)流場(chǎng)流動(dòng)的平衡，從而使得產(chǎn)生的濃度梯度的準(zhǔn)確度提高。
[0016](3)本發(fā)明所述的設(shè)備及其設(shè)計(jì)方法可適用于任意的單調(diào)濃度梯度的產(chǎn)生，通用性廣。多個(gè)所述結(jié)構(gòu)的組合還可形成非單調(diào)的濃度梯度。
[0017](4)設(shè)備僅需要單獨(dú)控制的兩個(gè)入口通道，對(duì)外接儀器設(shè)備的要求較低。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1 二入口濃度梯度發(fā)生器結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0019]圖2相鄰兩級(jí)間流體的傳遞方式示意圖；
[0020]圖3所述濃度梯度發(fā)生器中所建立的指數(shù)濃度梯度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)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)明一種改進(jìn)型二入口濃度梯度發(fā)生器，一端為兩個(gè)入口通道，其與主通道連接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板，該區(qū)域?yàn)闈舛忍荻冉^(qū)，目標(biāo)濃度梯度由分流板區(qū)域出口處得到的分段函數(shù)逼近獲得；所述分流板是指如圖1中所示的平行于長(zhǎng)度方向，用于分隔流體的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)；將在長(zhǎng)度方向上處于同一位置的分流板作為一級(jí)；第I級(jí)含有I塊分流板，第2級(jí)含有2塊分流板，第i級(jí)含有2H塊分流板，即每一級(jí)的分流板數(shù)目按照級(jí)數(shù)進(jìn)行指數(shù)式的增長(zhǎng)；所需的分流板總級(jí)數(shù)由目標(biāo)濃度梯度函數(shù)以及所需的分辨率決定；第I級(jí)的分流板將主通道隔離成兩條通道，這兩條通道分別與兩個(gè)入口通道相連；最后一級(jí)的分流板的數(shù)目根據(jù)其所在的級(jí)數(shù)確定，且每塊分流板在垂直于主通道的方向上均勻排列；第i級(jí)分流板將主通道分為個(gè)小通道，第I個(gè)和第2卜Wl個(gè)小通道的流體在下一級(jí)分為兩股流體，一股繼續(xù)沿壁面流動(dòng)，另一股與相鄰流體混合形成新的濃度；第2個(gè)至第211個(gè)小通道的流體在下一級(jí)分為三股流體，其中兩股分別與鄰近的兩股混合形成新的濃度，另一股直接進(jìn)入下一級(jí)而不改變濃度。
[0023]如圖2所示，分流板在主通道寬度方向上的位置按照質(zhì)量守恒定律計(jì)算，公式如下.W^Cn m.W2= C n+1，2m_2.(WfW2)，其中 Cn，m為第 η 級(jí)的第 m 個(gè)通道的濃度，C n，m_$第η級(jí)的第m-1個(gè)通道的濃度，Cn+12ni_2為第n+1級(jí)的第2m_2個(gè)通道的濃度，w i為第η級(jí)的第m-Ι條分流板與第n+1級(jí)的第2m-3個(gè)分流板在垂直于主通道方向上的距離，W2為第η級(jí)的第m-Ι條分流板與第n+1級(jí)的第2m-2個(gè)分流板在垂直于主通道方向上的距離；每一級(jí)分流板的長(zhǎng)度L根據(jù)該級(jí)任一條通道實(shí)現(xiàn)完全混合的原則確定，公式如下:L = V ^m2ZU其中WmS該級(jí)除靠近壁面通道外最寬通道的寬度，V為入口平均流速，D為溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)；最后一級(jí)分流板之后為一段空的主通道，其另一側(cè)與出口通道連接；主通道的寬度為W，高度H小于等于W/10 ;分流板的寬度小于等于W/20。
[0024]所述二入口濃度梯度發(fā)生器的制造方法為:先根據(jù)圖紙結(jié)構(gòu)光刻出模具，再用PDMS制作含有所述結(jié)構(gòu)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(guò)打孔與其他設(shè)備連接。
[0025]對(duì)于給定的目標(biāo)濃度梯度函數(shù)，所述二入口濃度梯度發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法如下:
[0026](I)將目標(biāo)濃度梯度函數(shù)歸一化處理，即得到定義域與值域都為[0，I]的目標(biāo)濃度梯度函數(shù)f(x);
[0027](2)根據(jù)需要確定分辨率α，根據(jù)分辨率α大于等于最后一級(jí)分流板處相鄰?fù)ǖ赖淖畲鬂舛炔畹脑瓌t，確定分流板的總級(jí)數(shù)N。公式如下:a ^max{f((j+l)/2N-1)-f(j/2H)}，j為最后一級(jí)的通道序號(hào)，j = I?2Μ+1，得到最后一級(jí)的分流板數(shù)目為2H塊；確定最后一級(jí)分流板處每條通道的歸一化濃度CN」_= f ((j-1)/2 ^1);
[0028](3)根據(jù)需要及加工精度確定主通道的寬度W和高度H，并根據(jù)最后一級(jí)分流板在寬度方向上均勻布置的原則，計(jì)算出最后一級(jí)的每個(gè)分流板在寬度方向上距離主通道壁面的距離為kW/QH+l)，其中k為最后一級(jí)的分流板的序號(hào)，k = I?2N_i;
[0029](4)根據(jù)質(zhì)量守恒定律 Cn^1 ^!+Cnjm.'= Cn+1；2m_2.(WjW2)以及 Cn,π= C1^2nri計(jì)算倒數(shù)第二級(jí)每一塊分流板在寬度方向上的位置，依次