專利名稱：微流道單元模塊、流體濃度梯度發(fā)生器及流阻測量器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由微流道單元構成的芯片及其應用領域，特別涉及微流道單元模 塊、流體濃度梯度發(fā)生器及流阻測量器。
背景技術：
微流控作為操縱微量流體的強大的工具，在化學、生物學、醫(yī)學中得到了越來越廣 泛的應用。微流控的特點是通過將流體流經(jīng)的管道制備成微米的尺寸，從而可以把整個 流體流經(jīng)的路徑局限在一個小型芯片上，這就是微流控芯片技術。在微流控中，流體因 為尺寸變小，流動的狀態(tài)呈層流的特點，可以用較精確的物理方程來描述。另外，尺寸 的變小也帶來流體的比表面積的增大。大的比表面積有利于增加流體進行生物、化學反 應的效率，提高靈敏度。最后，小的尺寸有利于將整個微流控裝置小型化，并能實現(xiàn)高 通量、多通道的同步反應。
濃度梯度在生物學中有著非常重要的意義，它與細胞的遷移、神經(jīng)元軸突的定向生 長、胚胎的發(fā)育等生理過程密切相關。在生物體中， 一些功能性的信號分子如生長因子、 激素分子在不同器官、組織內的含量是不同的，甚至在同一器官中，含量也隨著時間發(fā) 生變化。這是因為生命的新陳代謝、信號傳導等是復雜的生理過程，再加上物理、化學 作用，實際產生的功能分子的濃度梯度都是非線性的。因此，如果要在體外模擬生命體 內的濃度梯度，需要有這樣的裝置能夠產生所需要的濃度梯度。
用微流控芯片來制備濃度梯度的裝置在國際上已經(jīng)有不少例子。在文獻[T. M. Keenan and A. Folch, Lab Chip5 2008, 8， 34-57]上面有系統(tǒng)的綜述。在微流控技術出現(xiàn)之 前，早期的裝置利用的是在凝膠或溶液中放置一個擴散源，通過功能分子的擴散來形成 濃度梯度。這種裝置雖然結構簡單，容易實現(xiàn)，但是難以形成穩(wěn)定的梯度，不僅形成的 梯度難以量化，而且不能長期保持。對這種類型裝置的優(yōu)化只能產生單一的梯度，延長 濃度梯度維持的時間。用微流控的方法，則可以大大提高產生復雜濃度梯度的能力。從"T"型的通過兩股流體合并后，在界面進行分子的擴散來產生梯度[專利US0042712A1], 到金字塔狀的通過初始的不同濃度的兩股溶液在一個微流控網(wǎng)絡中反復的分離、混合， 最后形成精確、穩(wěn)定的濃度梯度[專利US7314070B2， US0129336Al等]，微流控充分顯 示了其在操縱流體方面的強大的能力。目前，利用微流控產生濃度梯度的原理有很多， 除了上面提到的利用分子的擴散和流體的分離混合之外，還有實時調控進樣口處樣品的 流量、在流體網(wǎng)絡中設計不同流路的長度來調控流體的混合比例。這些裝置有的產生的 濃度梯度比較簡單，有的雖然復雜但是只能產生單一的梯度，很難產生既復雜又可以實 時變化的梯度。除此之外，上述提到的微流控芯片都是集成化的。在集成化的過程中， 將所要產生的梯度對應的微流控網(wǎng)絡結構固定在芯片上面，從而導致產生的梯度種類有 限，每一種梯度都要重新設計新的結構。并且， 一旦流體網(wǎng)絡結構中的某個部分發(fā)生損 壞，整個裝置就無法繼續(xù)使用，需要重新制備芯片。這個無疑將延長實驗的時間和提高 實驗的成本。
集成化的方法除了影響濃度梯度的任意性和實時性之外，對實時監(jiān)測微流網(wǎng)絡中的 壓強帶來了一定的困難。監(jiān)測微流網(wǎng)絡中的壓強，就可以得到網(wǎng)絡中流阻的信息，從而 可以在小的尺度上調控流體的流向以及流量。這個在產生濃度梯度、調節(jié)流體的剪切力 有很重要的作用。目前關于壓強的監(jiān)測可以用集成化的方法制備利用壓電材料的壓強傳 感器，但會遇到復雜的微加工技術，以及材料的相容性問題[專利US 6986649 B2]。而 利用氣體體積的變化來指示壓強的方法在專利US 6575026 Bl, US 6843121B1已有描述。 該方法簡單易行，但由于在加工時考慮的是集成化的制備，因而只能測量固定位置的壓 強。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為了克服上述微流道芯片的缺點，提供的微流道模塊化及其構建微流 控的流體網(wǎng)絡；提供含有不同微流道單元的微流道單元模塊，并將它們組裝成能夠產生 線性濃度梯度的流體濃度梯度發(fā)生器和實時監(jiān)測微流網(wǎng)絡中的流阻的流阻測量器。模塊 結構簡單，可以規(guī)?；苽?，產生的濃度梯度可以滿足模擬復雜的人體內環(huán)境，具有很 大的應用價值。
本發(fā)明的技術方案如下
本發(fā)明提供的微流道單元模塊，由一表面具有微型凹槽單元的元件和一平面基底組成；所述元件的具有微型凹槽單元的表面與所述平面基底粘合成一體構成微流道單元模 塊；
所述微流道單元模塊為流體分流模塊A，該流體分流模塊A的微流道單元由n條線 性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過渡流道與該n條線性輸入流道相連通的 n+l條線性輸出流道組成，所述n為大于或等于1的正整數(shù)，所述線性輸入流道、線性 輸出流道和線性過渡流道的橫截面面積相等；或者
所述微流道單元模塊為流體分流模塊B，該流體分流模塊B的微流道單元由相匯連通 于線性微流道端口的m條橫截面面積相等的線性微流道組成，該m條線性微流道呈散射 狀排布；該m條線性微流道相匯連通端口為流體流道入口，該m條線性微流道的另一端 為流體流道出口，所述m為大于或等于1的正整數(shù)；或者
所述微流道單元模塊為流體匯合模塊，該流體匯合模塊的微流道單元由n+l條線性 輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過渡流道與該n+l條線性輸入流道相連通的n 條線性輸出流道組成，所述n為大于或等于1的正整數(shù)，所述線性輸入流道、線性輸出 流道和線性過渡流道的橫截面面積相等；或者
所述微流道單元模塊為流體變阻模塊，該流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排 布的橫截面面積相等的線性微流道組成，該線性微流道上一個流體流道入口和0—Y個流 道出口，所述Y為大于或等于1的正整數(shù)；或者
所述微流道單元模塊為流體收集模塊，所述流體收集模塊的微流道單元由s條中間 段是平行排布的線性微流道和兩端部段分別向外側傾斜的線性微流道成，所述線性微流
道的橫截面面積相等，所述S為大于或等于1的正整數(shù)；或者
所述流體收集模塊的微流道單元由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積 相等的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性
輸入流道橫截面面積，所述t為大于或等于1的正整數(shù)；或者
所述微流道單元模塊為流體調速模塊，該流體調速模塊的微流道單元的線性微流道 為流道橫截面積呈線性變化的線性微流道。
本發(fā)明提供的流體濃度梯度發(fā)生器為流體線性濃度梯度發(fā)生器；該流體濃度梯度發(fā) 生器由一原液驅動泵、 一稀釋液驅動泵、Xl個流體分流模塊和一個流體收集模塊組成， XI為大于或等于1的正整數(shù)；
所述第一個流體分流模塊的二條線性輸入流道入口分別與所述原液驅動泵和稀釋液驅動泵相連通；
所述第一個流體分流模塊的三條線性輸出流道出口分別與第二個流體分流模塊的三 條線性輸出流道入口相連通；以此類推，所述第Xl個流體分流模塊的n條線性輸出流道 出口分別與n+l條線性微流道入口相連通；所述第X個流體分流模塊的n+l條線性微流 道出口分別與所述流體收集模塊的線性微流道入口相連通；
所述流體收集模塊的微流道單元由s條中間段是平行排布的線性微流道和兩端部 段分別向外側傾斜的線性微流道成，所述線性微流道的橫截面面積相等； .或者
所述流體收集模塊的微流道單元由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積 的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性輸入 流道橫截面面積。
本發(fā)明提供的流體濃度梯度發(fā)生器為流體任意濃度梯度發(fā)生器，該流體濃度梯度發(fā) 生器由一原溶液驅動泵、 一稀釋液驅動泵、2個流體分流模塊B、 X2個流體變阻模塊、 X2個流體匯合模塊和一個流體收集模塊組成，X2為大于或等于2的正整數(shù)；
所述流體分流模塊B的微流道單元由相匯連通于線性微流道端口的m條橫截面面積相 等的線性微流道組成，該m條線性微流道呈散射狀排布；該m條線性微流道相匯連通端口 為流體流道入口 ，該m條線性微流道的另一端為流體流道出口 ；
所述流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組 成，該線性微流道上有一個流體流道入口和一個流體流道出口 ；
所述流體匯合模塊的微流道單元由2條輸入流道和通過與之垂向放置的一條過渡流
道與該2條輸入流道相連通的1條輸出流道組成；所述輸入流道、線性輸出流道和過渡
流道的橫截面面積相等；
所述的流體收集模塊的微流道單元為s條中間段是平行排布的線性微流道和兩端部
段分別向外側傾斜的線性微流道組成，所述線性微流道的橫截面面積相等；
或者
所述的流體收集模塊的微流道單元為由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面 面積的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性
輸入流道橫截面面積；
9所述的兩個流體分流模塊B分別為原溶液分流模塊和稀釋液分流模塊，該原溶液分 流模塊的流體流道入口與原溶液驅動泵相連通，稀釋液分流模塊的流體流道入口與稀釋 液驅動泵相連通；
所述原溶液分流模塊和稀釋液分流模塊分別有一個流體流道出口分別與所述流體收 集模塊的線性輸入流道相連通；
所述稀釋液分流模塊的其余r-l個流體流道出口與r-l個匯合模塊的流體輸入流道入 口相連，所述稀釋液分流模塊的該r-l個流體流道出口中的任意一個流體流道出口僅與一 個匯合模塊的流體輸入流道入口相連通；
原溶液分流模塊的其余r-l個流體流道出口先與r-l個流體變阻模塊的流體流道入口 相連通，該r-l個流體變阻模塊的流體流道出口再與r-l個匯合模塊的流體輸入流道入口 相連通，所述原溶液分流模塊的該r-l個流體流道出口中的任意一個流體流道出口僅與一 個匯合模塊的流體輸入流道入口相連通；
r-l個匯合模塊的流體輸出流道分別與流體收集模塊的輸入流道相連通。
本發(fā)明提供的流阻測量器由一個原溶液驅動泵、 一個分流模塊、 一個匯合模塊，兩 個流體變阻模塊和一個待測微流管道組成；
所述分流模塊的微流道單元由1條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過 渡流道與該1條線性輸入流道相連通的2條線性輸出流道組成；所述線性輸入流道和線 性輸出流道的橫截面面積相等；
所述匯合模塊的微流道單元由2條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過 渡流道與該2條線性輸入流道相連通的1條線性輸出流道組成；所述線性輸入流道和線 性輸出流道的橫截面面積相等；
所述流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組 成，該線性微流道僅有l(wèi)個流道入口；
所述待測微流管道由一條具有一個流體流道入口和一個流體流道出口的線性流體流
道；
所述的分流模塊的流體輸入流道與原溶液驅動泵相連通，該分流模塊的2條流體輸
出流道分別與一個流體變阻模塊的流道入口和待測微流管道的流體流道入口相連通；
所述匯合模塊的2條流體輸入流道分別與待測微流管道的流體流道出口和另一個流 體變阻模塊的流道入口相連通；待測微流管道的流體流道入口處的流體壓強等于與分流模塊相連的流體變阻模塊內 的流體壓強；
待測微流管道的流體流道出口處的流體壓強等于與匯合模塊相連的流體變阻模塊內 的流體壓強；
兩個流體變阻模塊內的流體壓強之間的差值為待測微流管道內的流體壓強降低值； 待測微流管道內的流體壓強降低值與原溶液驅動泵設定的流體輸出流量的比值為流 體的流阻值。
本發(fā)明的微流道單元模塊的制備是利用軟刻蝕技術完成的；首先，用L-Edit軟件設 計所述的圖案，并通過膠片打印機打印出來；然后對所述的圖案進行光刻加工；由于所 述的圖案面積小，可以同時做在3寸面積的硅片上；光刻膠使用的是MicroChem公司的 SU-8厚型負膠。在經(jīng)過旋涂、前烘、曝光、后烘、顯影之后，所述的圖案就由硅片上的 光刻膠攜帶；將加工好的帶有光刻膠的硅片倒上聚二甲基硅氧烷
(poly(dimethylsiloxane) ， PDMS)進行復制模塑；接著在80度的烘箱烘烤1小時，PDMS 就形成了固體；這種固體是彈性的，可以從硅片上面揭下；揭下PDMS，圖案就轉移到了 PDMS上面，這時候的圖案是凹陷在PDMS之中；最后，將PDMS和經(jīng)過清洗的載玻片進 行表面等離子氧化處理，處理之后兩者就可以非常牢固的粘合到一起，而凹陷在PDMS 中的圖案也就在PDMS和玻片之間形成了微流控管道。 本發(fā)明的特點在于
1, 設計了一些功能性的微流道單元模塊，這些模塊可以執(zhí)行分流、匯合、收集、
調控流阻、調速等功能； 2， 應用模塊化的方法構建微流控系統(tǒng)；模塊化微流系統(tǒng)的優(yōu)點是可以大大減少
濃度梯度裝置的制備時間，降低對微加工設備的依賴，并能隨時替換模塊化 系統(tǒng)中損壞的模塊，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3， 使用其中一些模塊構建了產生濃度梯度的裝置產生的濃度梯度具有任意性和
實時性，這是集成化裝置所無法實現(xiàn)的。
4、 構建的測量微流網(wǎng)絡中流阻的裝置可以非常方便的測量實際流阻。
圖1-1至圖1-10為不同功能的微流道單元模塊的示意圖； 圖2為流體變阻模塊的結構示意圖3為一種用于產生線性濃度梯度的流體濃度梯度發(fā)生器的結構示意圖； 圖4-l至圖4-4為產生的線性濃度梯度的熒光強度圖5為用于產生任意以及實時變化的流體線性濃度梯度發(fā)生器的結構示意圖6-l至圖6-4為產生的一個復雜濃度梯度的熒光強度圖7為實時變化的濃度梯度的熒光強度圖8-l至圖8-4為用另一種方法實現(xiàn)實時變化的濃度梯度的熒光強度圖9為用于實時測量微流網(wǎng)絡中的壓強以及流阻的流體任意濃度梯度發(fā)生器的結構圖。 圖10為微流道單元模塊的綜合示意圖(同圖1-1至圖1-10)。
具體實施例方式
本發(fā)明的微流道單元模塊可以分為流體分流模塊A和流體分流模塊B;所述的流體
分流模塊A的微流道單元由n條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過渡流道 與該n條線性輸入流道相連通的n+l條線性輸出流道組成，所述n為大于或等于1的正 整數(shù)，所述線性輸入流道、線性輸出流道和線性過渡流道的橫截面面積相等；該模塊能 將n股流體分流成n+l股流體(圖1-1-圖l-5所示的結構)；
所述流體分流模塊B的微流道單元由相匯連通于線性微流道端口的m條橫截面面積 相等的線性微流道組成，該m條線性微流道呈散射狀排布；該m條線性微流道相匯連通 端口為流體流道入口，該m條線性微流道的另一端為流體流道出口。該模塊的功能是將 一股流體直接分流成m股流體(圖l-6所示的結構)；
所述的流體匯合模塊的微流道單元由n+l條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一 條線性過渡流道與該n+l條線性輸入流道相連通的n條線性輸出流道組成，所述n為大 于或等于1的正整數(shù)，所述線性輸入流道、線性輸出流道和線性過渡流道的橫截面面積 相等(實際上是圖1-1至圖l-5所示模塊的線性輸入流道改為線性輸出流道，線性輸出流 道改為線性輸入流道所示的模塊)；該模塊的功能是將n+l股流體匯合成n股流體；
所述流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組 成，該線性微流道上一個流體流道入口，和O—Y個流道出口，該模塊的作用是通過改變微流管道的長度來改變該模塊的流阻，進而用來調控流體在微流網(wǎng)絡中的流動行為(圖 l-7所示的模塊):
所述流體收集模塊有兩種， 一種是該流體收集模塊的微流道單元由S條中間段是 平行排布的線性微流道和兩端部段分別向外側傾斜的線性微流道成，所述線性微流道的 橫截面面積相等(圖l-8所示的模塊)；另一種是該流體收集模塊的微流道單元由相匯 連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積相等的線性輸入流道組成，該一條線性輸出 流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性輸入流道橫截面面積(圖l-9所示的模塊)；
所述流體調速模塊的微流道單元為橫截面積呈線性變化的線性微流道(圖1-IO所示 的模塊)。
本發(fā)明的微流道單元模塊類似于電路中的一些基本元件，可以對流體在網(wǎng)絡中的流動 進行調控。所述的微流道單元模塊可以進行組合來設計流體的流動行為，從而可以實現(xiàn) 特定的功能，如產生特定的濃度梯度，以及測量流體的阻力等。
所述的組合是通過含有小尺寸管道的器件如聚乙烯(PE)塑料管來實現(xiàn)的。通過柔 軟的、內徑小的PE管，可以方便的將各個模塊連接起來。
所述的組合包括
1、 一種可以用來產生線性濃度梯度的微流控網(wǎng)絡系統(tǒng)(如圖3所示) 所述的系統(tǒng)用驅動泵、分流模塊、收集模塊和連接裝置組成； 該系統(tǒng)可以產生任意斜率的線性梯度。
2、 一種可以用來產生任意、實時濃度梯度的微流控網(wǎng)絡系統(tǒng)(如圖5所示)。 所述的系統(tǒng)用驅動泵、分流模塊、流體變阻模塊、收集模塊和連接裝置組成。
該系統(tǒng)可以產生實時的、任意的濃度梯度。
3、 一種可以用來測量微流體流阻的微流控網(wǎng)絡系統(tǒng)(如圖9所示)。
所述的系統(tǒng)用驅動泵、分流模塊、流體變阻模塊、待測流阻和連接裝置組成。 該系統(tǒng)可以方便的用于測量微流控網(wǎng)絡中的流阻。
所述的組合l的產生線性濃度梯度的原理如下請參照圖3:
當兩股具有相同流量的液體(一個是原溶液， 一個是稀釋液)進入有兩個入口、三個
出口的分流模塊A時，由于分流模塊A有對稱的結構，兩股流體變成三股流量相同的流體 從分流模塊流出，然后再進入有三個入口、四個出口的分流模塊的分流模塊，變成4股流量相同的流體，依次類推。。。在分流的過程中，在每個分流模塊中，除了最左邊的一支 和最右邊的一支與原來的液體成分一致之外，其他中間的流體都是兩股流體配比的結果， 因此有不同的濃度。當具有不同濃度的流體從最后一個分流模塊流出，進入收集模塊時， 即在收集模塊中形成了濃度梯度。由于設計的分流模塊具有對稱的結構，因而形成的是 線性的濃度梯度。這種梯度的形成原理雖然在專利US7314070B2， US0129336A1， CN 101165161 A等中有介紹，但是上述的都采用的是集成化的系統(tǒng)，而非本發(fā)明中提到的模 塊化的結構。應用模塊化的方法，不但能產生與上述集成化的系統(tǒng)一樣的濃度梯度，而 且可以事先設計所需的分流模塊為模版，進行大量的翻模。這樣就可以大大減少濃度梯 度裝置的制備時間，降低對微加工設備的依賴，并能隨時替換模塊化系統(tǒng)中損壞的模塊， 保持濃度梯度的穩(wěn)定供應。
所述的組合2的產生任意、實時濃度梯度的原理如下
將兩股流體(原溶液和稀釋液)分別引入的分流模塊B。分流模塊有m個出口，根 據(jù)實際需要堵住不需要使用.的出口，如可以使用其中X+1個出口。兩個分流模塊B分別 將一條流體分成X+1道支流。原溶液分流模塊的X+1道支流中的一道與收集模塊直接相 連，稀釋液分流模塊的X+1道支流中的一道與收集模塊直接相連。
稀釋液分流模塊的X+l道支流中的其余X道與X個匯合模塊的入口相連，X中的任 意一道支流僅和一個匯合器的入口相連；
原溶液分流模塊的X+l道支流中的其余X道先與X個流體變阻模塊的入口，從X 個流體變阻模塊流出的X道支流再與X個匯合模塊的入口相連，X中的任意一道支流僅 和一個匯合器的另一個入口相連；
X個匯合模塊起將原溶液和稀釋液混合的作用。每個匯合模塊只接受來自稀釋液分 流模塊的一條支流和來自原溶液稀釋模塊的一條支流。X個匯合模塊將2X道支流兩兩混 合后，從各自的出口流出，得到X道帶有不同濃度的溶液，每道溶液的濃度的大小取決 于該溶液所在的匯合模塊的混合比，即從模塊的兩個入口流入的原溶液支流和稀釋液支 流的流量的大小之比。原溶液支流的流量的大小是通過與原溶液分流模塊相連的流體變 阻模塊來調節(jié)的。將X道不同濃度的溶液接入到收集模塊之中，與直接來自稀釋液分流 模塊和原溶液稀釋模塊的2道支流一起，在收集模塊中形成了所需的濃度梯度。因此， 通過設定好X個流體變阻模塊的流阻值的大小，就可以得到所需的不同的濃度的溶液，也就得到了所需的濃度梯度。并且，當實時調節(jié)X個流體變阻模塊中的n個模塊的流阻 值時，就可以實時的改變收集模塊中的濃度梯度。N是小于等于x的正整數(shù)。
流體變阻模塊流阻值大小的確定是通過計算得到的。如果沒有流體變阻模塊，那么從
每個匯合模塊流出來的液體具有相同濃度。流體變阻模塊流阻值的大小的計算是根據(jù)流 體網(wǎng)絡與電路類比得到的。在電路中，電流在各個支路的分配是受各支路上的電阻大小 決定的；同樣，各流體支路上面的流阻也決定著該支路上面流量的大小(方程l)，而流 體變阻模塊正是起可變流阻的作用，用來調節(jié)所在支路上面的流體的流量。流體變阻模 塊變阻的原理基于方程2。根據(jù)方程2可知，在保證微流管道橫截面積不變的情況下，流 阻的大小與管道的長度L成正比，在本發(fā)明中，設計的模塊假定最短的兩個接口距離為l 個單位，然后設計的接口間的距離為最短距離的整數(shù)倍，因此就得到了接口距離的定量 化。從而就可以通過設定管道的長度來設定或改變變阻模塊的流阻值。
<formula>formula see original document page 15</formula>
這里P為流體的壓強，Q為流量，R為流阻，m為流體的黏度，h, w， L分別為微流 管道的高度，寬度和長度。
當流體變阻模塊的流阻值大小確定之后，則從分流模塊流出的液體在不同的匯合模塊 上面有不同的流量，從而經(jīng)過匯合模塊之后就產生不同濃度的流體(濃度是根據(jù)原溶液 和稀釋液的流量的比例而決定的)。因此，就可以在收集模塊上面得到不同濃度的流體， 即一種濃度梯度。反過來，已知某種濃度梯度，就可以推算出流體變阻模塊的大小，因 為流體變阻模塊的大小和濃度梯度是相互決定的。這樣，就可以根據(jù)所需的任意的濃度 梯度來計算流體變阻模塊的大小，并將其連接在流體網(wǎng)絡之中。這就完成了產生任意濃 度梯度微流控裝置的構建。
所述的組合3的測量微流體流阻的微流控網(wǎng)絡系統(tǒng)的原理如下 根據(jù)專利US 6575026 Bl ， US 6843121B1以及文獻[N. Srivastavaa and M. A. Bums Lab Chip, 2007, 7, 633-637]的通過氣體體積的變化測量壓強的原理，本發(fā)明提出了一種模 塊化的測量微流網(wǎng)絡中的壓強的方法。 一種流阻測量器，其特征在于，由驅動泵、 一個分流模塊A、 一個匯合模塊，兩個流體變阻模塊和待測的微流管道組成分流模塊l直接 與驅動泵相連通，將從驅動泵流出的溶液分出兩股液體。 一股液體流入待測的微流管道 的入口，并從待測的微流管道的出口流出；所測量的流阻值即從待測的微流管道入口到 出口之間管道的流阻的大小。另一股流體接到流體變阻模塊的入口。由于這里使用的流 體變阻只有一個接口，因此流體只會流到流體變阻模塊的蜿蜒管道的某一處而停止，蜿 蜒管道其余的部分是被封閉的空氣。由于空氣與流體在流體停止的部位接觸，因此空氣 的壓強與流體的壓強相等。而空氣的壓強的大小可以根據(jù)其體積，也就是被封閉在蜿蜒 管道中的管道的體積計算得到。
從待測管道流出的流體流入?yún)R合模塊的一個入口，與匯合模塊另一個入口相連的是 另一個流體變阻模塊。流體變阻模塊與上面所述的一樣，只有一個接口。
根據(jù)本發(fā)明的流阻測量網(wǎng)絡，待測微流管道的入口處的壓強和與分流模塊相連的流體 變阻模塊的壓強相等；待測微流管道的出口處的壓強和與匯合模塊相連的流體變阻模塊 的壓強相等。兩個流體變祖模塊的所測的壓強的差值即待測微流管道的壓強值。這里忽 略了連接管道的流阻。事實上，如果使用的連接管道相對于微流管道橫截面積很大，其 流阻則可以近似忽略。
通過計算得到的微流管道的壓強，以及驅動泵設定的流量，兩者相除就可以得到所需 的流阻值。值得注意的是，這里的流阻值是類比于電路中的電阻的計算方式定義的，是 相對于某種液體在一定的條件下(如溫度)而固定的，不同的液體有不同的流阻值。利 用該方法，可以測量具有復雜結構的管道的流阻，如內壁上有粗糙結構的管道。這樣的 管道不能應用方程2來計算出流阻。
本發(fā)明中組合1和組合2產生的濃度梯度可以應用于不同生物、化學反應的條件的篩 選，也可以模仿生物環(huán)境中的復雜的梯度來用于細胞、細菌、病毒的濃度梯度響應，神 經(jīng)元軸突的定向生長，濃度梯度對胚胎發(fā)育的影響等的研究；應用調速模塊，可以研究 細胞、細菌、病毒在不同流速剌激下的響應，可以和濃度梯度刺激的響應結合起來；組 合3設計的流阻實時監(jiān)測裝置可以方便的測量難以通過理論計算來獲得的流阻值，從而可 以更好的調控流體在微流控管道的流動行為。
實施例l:流體變阻模塊的設計
16如圖2所示，設計的管道的形狀為蜿蜒型的管道。管道的寬度為100微米，高度為28 微米。在管道的末端，轉彎處，以及接近末端的管道之上都有和外界連接的接口的標記。 根據(jù)公式(2)，在管道的高度、寬度相等的情況下，其流阻與管道的長度成正比。在圖2 中，ho到hl的距離為2毫米，設為單位長度，即ho到hl之間的流阻值的大小為l。 h3到ho 的距離為6毫米，因此其流阻值為3。同理可得，ho到h5， ho到h7， he到h2， he到h4， he 到h6的流阻分別為5， 7， 2， 4， 6。而蜿蜒管道的中部任意兩個相鄰的接口 (如a和b)的 距離恒為14毫米，因此其流阻為7。這樣，選擇管道中的任意兩個接口，就可以得到流阻 值R-7^+m， n為0， 1， 2， 3的正整數(shù)，m為l, 2， 3， 4， 5， 6。將流體變阻模塊接入微 流網(wǎng)絡中，就可以通過任意調節(jié)其流阻的大小來調節(jié)其所在微流網(wǎng)絡的流體的流量的大 小。
實施例2:線性濃度梯度的發(fā)生
選用圖l中的流體分流模塊(圖l-2至圖l-5所示的模塊)、收集模塊(圖l-8 或圖l-9所示的模塊)和驅動泵；
如圖3所示，其結構為第一個流體分流模塊的二條線性輸入流道入口分
別與所述原液驅動泵和稀釋液驅動泵相連通；該第一個流體分流模塊的三條線性輸出流 道出口分別與第二個流體分流模塊的三條線性輸出流道入口相連通；以此類推，第四個 流體分流模塊的5條線性輸出流道出口分別與4條線性微流道入口相連通；該第4個流體分 流模塊的5條線性微流道出口分別與圖l-8或圖l-9所示的流體收集模塊的線性微流道入口 相連通；
將需要產生濃度梯度的12mg/L的熒光素鈉作為原溶液和去離子水作為稀 釋液分別吸到注射器中，將注射器放置在驅動泵中，并將兩者的流速都設成lml/h。
將不同結構的分流模塊按照圖3的結構連接起來，最后出來的管道有5條。根 據(jù)實際需要可以再設計具有更多接口的模塊。
最后分出來的管道根據(jù)實際需要選擇不同的收集模塊。
打開驅動泵的開關，驅動流體在構建好的微流網(wǎng)絡中流動。當輸出的濃度達 到穩(wěn)定的狀態(tài)時，就可以得到所需要的線性濃度梯度。
濃度梯度的觀察使用的是倒置熒光顯微鏡(Leica， DFC350 FX)，激發(fā)波長為480nm; 實驗結果如圖4-l至圖4-4所示。可以看出，使用該裝置可以得到線形很好的濃度梯度，而且梯度可以穩(wěn)定存在。要得到更詳細的濃度梯度，只要接入更多的分流模塊即可。 實施例3
任意濃度梯度的發(fā)生
選用圖l中的分流模塊(圖l-6所示的模塊)、流體變阻模塊(圖l-7所示的模塊)和收 集模塊(圖l-8或圖l-9所示的模塊)以及驅動泵。
1，按照圖5中的連接方法把上述的模塊連接起來。值得說明的是，由于制圖 的限制，圖5中只給出了2個變阻模塊(實際上可以根據(jù)需要設計為多個)、2個匯合模塊 的情況(實際上可以根據(jù)需要設計為多個)，因而只能產生4種濃度不同的溶液；如果給 出的實例使用7個變阻模塊和7個匯合模塊，變阻模塊和圖5中所示一樣，均接在右邊的分 流模塊之下。
2，將需要產生濃度梯度的12mg/L的熒光素鈉作為原溶液和去離子水作為稀 釋液分別吸到注射器中，將注射器放置在驅動泵中，將原溶液的流量設定為4ml/h，稀釋 液設定為6ml/h。假設2mm長，100微米寬，.28微米高的微流管道為一個單位的流阻，調 節(jié)各個變阻模塊的流阻，使得它們的流阻分別為27,8,2, 13,38,66,84個單位流阻。
3，打開驅動泵，就可以得到如圖6所示的濃度梯度。梯度的左半邊為線性遞 增，右半邊為指數(shù)衰減的曲線。圖6a和圖b使用的是不同的收集模塊。這種具有復雜濃度 梯度的發(fā)生裝置是其它已有的專利所無法實現(xiàn)的。
實施例4
可實時變化的任意濃度梯度的發(fā)生l
1，直接調節(jié)實施例3中的流體變阻模塊.的大小，就可以得到如圖7所示的濃度梯度的 變化。
2，相鄰的熒光圖片間隔2分鐘。經(jīng)過18分鐘之后，輸出的濃度梯度的形貌己經(jīng)發(fā)生了 明顯的變化。(如圖7所示)由原來的左半邊為線性遞增，右半邊為指數(shù)衰減的曲 線變成左半邊為拋物線遞增，右半邊為線形遞減的曲線。這種可輸出實時變化的 濃度梯度的裝置是其它已有的專利所無法實現(xiàn)的。
實施例5200810172391.X
可實時變化的任意濃度梯度的發(fā)生2
1，待實施例4中輸出的濃度梯度穩(wěn)定之后，得到如圖8a所示的梯度。 2，改變不同濃度的流體(共有9條)從各個匯合模塊流出后，在流體收集模塊的位置。 將第1-9條管道的在流體收集模塊上面的順序變成[5 4 3 2 1 9 8 7 6](如圖8)，就可 以得到如圖8b所示的另一個濃度梯度。通過這樣的操作，可以直接實現(xiàn)濃度梯度 的輸出的變化，雖然這里的變化是基于原有的濃度梯度(圖8a)，但其實現(xiàn)的速度 要明顯快于實施例4所示的方法。
實施例6
實時測量微流網(wǎng)絡中的壓強以及流阻
1， 選用圖l.中的分流/匯合模塊(圖l-l所示的模塊)、流體變阻模塊(圖l-7所示 的模塊)以及待測流阻和驅動泵并將它們連接成一個微流網(wǎng)絡。
2， 流體變阻模塊只開放一個出口 (如圖9中的b點)，其余的堵住。這樣就構成了 一個通過空氣在變阻模塊管道內的體積來反映流體壓強的系統(tǒng)。 3， 打開驅動泵，如圖9所示，當使用的連接管道的橫截面積(如半徑為400微米 的管道)比微流管道要明顯大時，其所分擔的流體的壓強的降低值可以忽略。 因此b點和c點具有相同的壓強，d點和e點具有相同的壓強，c點和d點間的 壓強就等同于兩個流體變阻模塊中空氣的壓強之差。f點可以接入其他微流網(wǎng) 絡，也可以直接與大氣相通。
4， 根據(jù)驅動泵所設定的流體的流量和上述方程l，就可以計算出c， d間的流阻值。
權利要求
1、一種微流道單元模塊，由一表面具有微型凹槽單元的元件和一平面基底組成；所述元件的具有微型凹槽單元的表面與所述平面基底粘合成一體構成微流道單元模塊；所述微流道單元模塊為流體分流模塊A，該流體分流模塊A的微流道單元由n條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過渡流道與該n條線性輸入流道相連通的n+1條線性輸出流道組成，所述n為大于或等于1的正整數(shù)，所述線性輸入流道、線性輸出流道和線性過渡流道的橫截面面積相等；或者所述微流道單元模塊為流體分流模塊B，該流體分流模塊B的微流道單元由相匯連通于線性微流道端口的m條橫截面面積相等的線性微流道組成，該m條線性微流道呈散射狀排布；該m條線性微流道相匯連通端口為流體流道入口，該m條線性微流道的另一端為流體流道出口，所述m為大于或等于1的正整數(shù)；或者所述微流道單元模塊為流體匯合模塊，該流體匯合模塊的微流道單元由n+1條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過渡流道與該n+1條線性輸入流道相連通的n條線性輸出流道組成，所述n為大于或等于1的正整數(shù)，所述線性輸入流道、線性輸出流道和線性過渡流道的橫截面面積相等；或者所述微流道單元模塊為流體變阻模塊，該流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組成，該線性微流道上一個流體流道入口和0-Y個流道出口，所述Y為大于或等于1的正整數(shù)；或者所述微流道單元模塊為流體收集模塊，所述流體收集模塊的微流道單元由s條中間段是平行排布的線性微流道和兩端部段分別向外側傾斜的線性微流道成，所述線性微流道的橫截面面積相等，所述s為大于或等于1的正整數(shù)；或者所述流體收集模塊的微流道單元由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積相等的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性輸入流道橫截面面積，所述t為大于或等于1的正整數(shù)；或者所述微流道單元模塊為流體調速模塊，該流體調速模塊的微流道單元的線性微流道為流道橫截面積呈線性變化的線性微流道。
2、 一種流體濃度梯度發(fā)生器，該流體濃度梯度發(fā)生器為流體線性濃度梯度發(fā)生器； 其特征在于，該流體濃度梯度發(fā)生器由一原液驅動泵、 一稀釋液驅動泵、XI個流體分流模塊和一個流體收集模塊組成，XI為大于或等于1的正整數(shù)；所述第一個流體分流模塊的二條線性輸入流道入口分別與所述原液驅動泵和稀釋液 驅動泵相連通；所述第一個流體分流模塊的三條線性輸出流道出口分別與第二個流體分流模塊的三 條線性輸出流道入口相連通；以此類推，所述第Xl個流體分流模塊的n條線性輸出流道 出口分別與n+l條線性微流道入口相連通；所述第X個流體分流模塊的n+l條線性微流 道出口分別與所述流體收集模塊的線性微流道入口相連通；所述流體收集模塊的微流道單元由s條中間段是平行排布的線性微流道和兩端部 段分別向外側傾斜的線性微流道成，所述線性微流道的橫截面面積相等；或者所述流體收集模塊的微流道單元由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積 的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性輸入 流道橫截面面積。
3、 一種流體濃度梯度發(fā)生器，其特征在于，該流體濃度梯度發(fā)生器為流體任意濃度 梯度發(fā)生器，其特征在于，該流體濃度梯度發(fā)生器由一原溶液驅動泵、 一稀釋液驅動泵、 2個流體分流模塊B、X2個流體變阻模塊、X2個流體匯合模塊和一個流體收集模塊組成， X2為大于或等于2的正整數(shù)；所述流體分流模塊B的微流道單元由相匯連通于線性微流道端口的m條橫截面面積相 等的線性微流道組成，該m條線性微流道呈散射狀排布；該m條線性微流道相匯連通端口 為流體流道入口 ，該m條線性微流道的另一端為流體流道出口 ；所述流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜓狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組 成，該線性微流道上有一個流體流道入口和一個流體流道出口 ；所述流體匯合模塊的微流道單元由2條輸入流道和通過與之垂向放置的一條過渡流道與該2條輸入流道相連通的1條輸出流道組成；所述輸入流道、線性輸出流道和過渡 流道的橫截面面積相等；所述的流體收集模塊的微流道單元為s條中間段是平行排布的線性微流道和兩端部 段分別向外側傾斜的線性微流道組成，所述線性微流道的橫截面面積相等；或者所述的流體收集模塊的微流道單元為由相匯連通于一條線性輸出流道的t條橫截面面積的線性輸入流道組成，該一條線性輸出流道的橫截面面積大于或等于任意一條線性 輸入流道橫截面面積;所述的兩個流體分流模塊B分別為原溶液分流模塊和稀釋液分流模塊，該原溶液分 流模塊的流體流道入口與原溶液驅動泵相連通，稀釋液分流模塊的流體流道入口與稀釋 液驅動泵相連通；所述原溶液分流模塊和稀釋液分流模塊分別有一個流體流道出口分別與所述流體收 集模塊的線性輸入流道相連通；所述稀釋液分流模塊的其余r-l個流體流道出口與r-1個匯合模塊的流體輸入流道入 口相連，所述稀釋液分流模塊的該r-l個流體流道出口中的任意一個流體流道出口僅與一 個匯合模塊的流體輸入流道入口相連通；原溶液分流模塊的其余r-l個流體流道出口先與r-l個流體變阻模塊的流體流道入口 相連通，該r-l個流體變阻模塊的流體流道出口再與r-l個匯合模塊的流體輸入流道入口 相連通，所述原溶液分流模塊的該r-l個流體流道出口中的任意一個流體流道出口僅與一 個匯合模塊的流體輸入流道入口相連通；r-l個匯合模塊的流體輸出流道分別與流體收集模塊的輸入流道相連通。
4、 一種流阻測量器，其特征在于，由一個原溶液驅動泵、 一個分流模塊、 一個匯合 模塊，兩個流體變阻模塊和一個待測微流管道組成；所述分流模塊的微流道單元由1條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過 渡流道與該1條線性輸入流道相連通的2條線性輸出流道組成；所述線性輸入流道和線 性輸出流道的橫截面面積相等;所述匯合模塊的微流道單元由2條線性輸入流道和通過與之垂向放置的一條線性過 渡流道與該2條線性輸入流道相連通的1條線性輸出流道組成；所述線性輸入流道和線 性輸出流道的橫截面面積相等；所述流體變阻模塊的微流道單元由呈蜿蜒狀排布的橫截面面積相等的線性微流道組 成，該線性微流道僅有l(wèi)個流道入口；所述待測微流管道由一條具有一個流體流道入口和一個流體流道出口的線性流體流道；所述的分流模塊的流體輸入流道與原溶液驅動泵相連通，該分流模塊的2條流體輸 出流道分別與一個流體變阻模塊的流道入口和待測微流管道的流體流道入口相連通；所述匯合模塊的2條流體輸入流道分別與待測微流管道的流體流道出口和另一個流體變阻模塊的流道入口相連通；待測微流管道的流體流道入口處的流體壓強等于與分流模塊相連的流體變阻模塊內的流體壓強；待測微流管道的流體流道出口處的流體壓強等于與匯合模塊相連的流體變阻模塊內 的流體壓強；兩個流體變阻模塊內的流體壓強之間的差值為待測微流管道內的流體壓強降低值； 待測微流管道內的流體壓強降低值與原溶液驅動泵設定的流體輸出流量的比值為流 體的流阻值。
全文摘要
本發(fā)明涉及功能性的微流道單元模塊、流體濃度梯度發(fā)生器及流阻測量器；該微流道單元模塊涉及流體分流模塊、流體匯合模塊、流體變阻模塊、流體收集模塊和流體調速模塊等；可以根據(jù)需要選擇合適的微流道單元模塊構建成不同的微流網(wǎng)絡系統(tǒng)，比如用于流體流阻測量的流阻測量器，流體操縱以及流體濃度梯度的產生的流體線性濃度梯度發(fā)生器和流體任意濃度梯度發(fā)生器等，可以大大減少濃度梯度裝置的制備時間，降低對微加工設備的依賴，并能隨時替換模塊化系統(tǒng)中損壞的模塊，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性；可廣泛應用于物理、化學以及生物領域。
文檔編號G01N31/00GK101614717SQ20081017239
公開日2009年12月30日 申請日期2008年11月4日 優(yōu)先權日2008年6月26日
發(fā)明者康 孫, 蔣興宇 申請人:國家納米科學中心