一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片

摘要

本发明公开了一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片，包含至少两个进液孔，用于与连接通道、流阻通道、混合通道以及出口通道相连，其中混合通道由具有横向椭圆凸起结构的新型混合通道代替了传统的直线混合通道，从而只需采用一个混合周期的混合长度就能够实现优于传统方法的混合效果，从而简化了整个微流控浓度梯度芯片结构。

说明书

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片。

背景技术

浓度梯度被广泛地应用于高通量药物筛选、趋化分析以及毒性评价中，在宏观器件中由于液体的流动特性使其很难保持长时间的稳定性，因此难以维持长时间的稳定的浓度梯度。微流控芯片技术很好地解决了此问题，基于微流控通道内的层流液体的混合扩散原理，能够在几十到几百微米的微通道内形成稳定的浓度梯度。最经典的微流控浓度梯度芯片设计是由哈佛大学的Whitesides教授提出的圣诞树模型，通过样本和稀释液在微通道内的层层扩散和混合，逐级地实现浓度梯度。通过控制入口流速比例可以调整所获得的浓度梯度的种类，例如线性、幂指数等浓度梯度，以满足不同种类的应用需求。但是由于在微通道内的液体混合是基于混合扩散的，根据佩克莱数的计算公式可知，组分扩散到整个微通道的宽度所需时间内流体流动的距离非常长，这就意味着浓度梯度的形成需要非常冗长的微通道网络。这无疑增加了微通道内的压力降，降低了进液速度，限制了其应用场景。

因此，为了合理的设计微流控微通道网络，今年来，采用其他多种方法(节点分析法、等效电路法、键合图法、Petri网法、神经网络法)进行微流控芯片系统设计的方案被提出。其中等效电路法在浓度梯度芯片设计中应用最为广泛，通过将微通道中的流阻等效为电路中的电阻，流量等效为电流，再基于基尔霍夫电流和电压定律，得到一系列方程组，最终求解方程组中的电阻值，从而等效得到流阻值，进而计算出所需微通道的长度。但是按照传统方法计算，所得到的混合扩散通道仍然很长，极大地增加了芯片加工的难度以及限制了其集成化程度。但是混合扩散通道的长度与浓度梯度芯片网络中的混合通道和连接通道的长度有直接关系，如果能够减小混合通道的长度，那么根据相应的公式计算出的混合扩散通道长度也将大大减少。

申请人已获授权的专利ZL201621081990.7中提出，通过在方波型微混合器的侧壁上增加半圆形凸起结构，通过该结构引起迪恩涡流，进一步引发二次流现象，能够提高低雷诺数条件下的层流混合效率。且相比于普通方波混合通道，实现相同的混合效率，其混合长度只需原来的三分之一。因此，如果将该混合通道引入等效电路微流控网络中，将大大缩短混合扩散通道的长度，简化原有的微流控通道网络。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有等效电路微流控浓度梯度芯片的通道冗长的缺点，提供一种简化有效的浓度梯度芯片。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：包括至少两个进液口以及与所述进液口相连通的第一入口通道和第二入口通道，第一入口通道和第一出口通过第一流阻通道直接连通，第二入口通道与出口通道通过第二流阻通道直接连通，第一入口通道通过第一通道与第一连接通道和第二入口通道相连，第一通道分流出第一流阻通道、第二流阻通道和第三流阻通道，且第一通道通过一第二连接通道引出第四流阻通道，第一流阻通道、第二流阻通道、第三流阻通道和第四流阻通道均通过第一连接通道两两相连，以实现四者相连通，所述第一流阻通道、第二流阻通道、和第三流阻通道和第四流阻通道均通过一混合通道与第二出口、第三出口、第四出口和第五出口依次相连，混合通道的两侧交错分布了向外凸起的椭圆以形成微混合通道。

优选地，所述微混合通道具有至少一个方波周期。

优选地，各所述混合通道两侧均设置有至少一个凸起，各个凸起呈交错分布。

优选地，所述混合通道的宽度均为50-200微米，半圆凸起半径为50-100微米，进一步提高整体混合效率。

优选地，所述混合通道的蚀刻深度为50-200微米之间，保证采用简单的蚀刻工艺实现微混合通道的蚀刻加工。

优选地，进液口为两个，分别设置在所述入口通道的两侧，且分别与第一入口通道和第二入口通道连通。

优选地，第一出口、出口通道、第二出口、第三出口、第四出口和第五出口，均与其他连接通道连通。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：由于混合通道的两侧具有半圆形凸起，产生迪恩涡流，改变液体方向，进而产生二次流扰动层流液体，促进层流之间的扩散，进一步促进混合，因此，本发明能够显著缩短浓度梯度芯片中混合扩散通道的长度，尤其是能够简化浓度梯度设计制备中的成本，降低压力降，进一步减少液体损耗的问题，且相比于传统的浓度梯度芯片，平面式结构，易于加工，适用于批量生产，网络简单易于集成。

附图说明

图1为本发明简化等效电路浓度梯度芯片的平面示意图；

图2为本发明简化等效电路浓度梯度芯片的三维结构示意图；

图3为未简化等效电路浓度梯度芯片在不同进液速度下的出口浓度分布；

图4为本发明简化等效电路浓度梯度芯片在不同进液速度下的出口浓度分布；

图5为等效电路浓度梯度芯片设计的等效电路图；

图6为未简化等效电路浓度梯度芯片在优化条件下的浓度分布云图；

图7为简化等效电路浓度梯度芯片在优化条件下的浓度分布云图；

图8为本发明简化等效电路浓度梯度芯片的进液压力降分布云图(单位为pascal)。

附图标记说明：第一入口通道1，第二入口通道2，混合通道3，第一连接通道4，第一出口5，第二出口6，第三出口7，第四出口8，第五出口9，出口通道10，第一流阻通道11，第三流阻通道12，第四流阻通道13，第五流阻通道14，第二流阻通道15，第一通道16，第二连接通道17，第六流阻通道18。

具体实施方式

实施例一：

简化等效电路浓度梯度形成微通道网络的设计(以两倍数浓度梯度为例)

首先采用等效电路法实现传统方式设计的两倍数浓度梯度芯片，以验证方法的有效性，如图5所示，根据等效电路法设计的原理，芯片具有两个入口，分别为样本和稀释液入口(样本入口流量命名为Q

按照基尔霍夫电流定律(KCL)：

入口处节点满足：

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

由于是两倍型稀释，则C

Q

Q

Q

Q

按照基尔霍夫电压定律(KVL)：

1.R

2.R

3.R

4.R

5.R

6.R

7.R

8.R

Q

由上式可知，即稀释液和样本入口流量的比例约为2。由大量数值模拟可知，混合通道的长度通常设为12mm，连接通道的长度设为4mm，且设R

实施例二：简化前后浓度梯度形成的对比及稳定性最优条件分析

为了验证所设计的简化前后的等效电路微流控网络的有效性，本实施例以两倍稀释为目标，测试了其产生两倍浓度梯度的效果。如图4所示，在六个出口产生的浓度比例依次为0,0.0625,0.125,0.25,0.5,1。微流控网络采用实施例1设计未经简化后的微流控网络。根据实施例所得到的的结果，稀释液和样本入口流量的比例约为2，因此，图3选定了多组的两倍流量的比例(120-60,60-30,30-15,15-7.5μl/min)，通过计算流体力学仿真结果可知，当稀释液和样本入口流量分别为60-30μl/min时，所得到的浓度输出结果与目标浓度最为接近(仿真得到的浓度分布云图如图6所示)。因此，从本实施例可知，实施例1所设计的芯片符合等效电路的设计原理，验证了方法的有效性。

随后，采用简化的微流控网络进行同样条件下的计算流体力学仿真(图4所示)，稀释液和样本入口流量分别为60-30μl/min时，所得到的浓度输出结果与目标浓度最为接近。0,0.0625,0.125,0.25,0.5,1，所得的浓度与目标输出的两倍稀释浓度非常接近，因此，证明本方法所设计的简化芯片与设计结果一致，在简化网络的基础上能够实现同样效果的浓度分布输出(仿真得到的浓度分布云图如图7所示)。

通过对比简化前后浓度云图的分布可知(图6，图7)，在未简化的模型中的混合通道中，层流液体仍旧难以混合，层流现象明显，然而在采用简化后的混合通道后，只需原有长度的1/3就能够实现充分的液体混合，这无疑对简化通道网络具有重要意义，且能够将进液的压力降控制在合理条件下，如图8所示(单位为pascal)。