高通量自動定量分配和混合的微流控芯片、方法及應用技術

本發明專利技術公開了一種高通量自動定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其應用，所述微流控芯片為一種組合式微流控芯片，由一個微流控芯片主體和一個預脫氣的PDMS泵體組合而成；該芯片利用脫氣處理后的PDMS泵體對氣體的高溶解特性，在封閉微管道體系中產生負壓，形成流體驅動力，同時利用芯片微管道表面性質結合幾何設計構建毛細閥，通過負壓驅動和毛細閥的協調作用，實現微流控芯片主體中流體的自動填充、定量分配和混合。最后介紹了所述的微流控芯片用于蛋白質結晶條件的高通量篩選。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種高通量自動定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其應用， 可應用于化學、制藥和生物領域，尤其是應用于化學合成和生化反應條件的高通量篩選。
技術介紹
微流控芯片因其耗樣少、分析速度快、可控性好、易集成等優點，近年來受到越來越多的關注和追捧。特別是集成高密度、陣列化微流體單元的微流控芯片，易于實現并行化和高通量反應和篩選，在化學和生物學領域具有重要的應用價值。大多數情況下，化學和現代生物學的實驗都是在水相溶液狀態下進行的，且往往需要經過定量取樣、分配、混合、檢測等多個步驟。普通實驗室一般采用移液管、滴管、量筒等工具通過手工實現液樣定量分配和混合操作，這種方式操作繁瑣、效率低、人為誤差大，另外，基于手工模式操控的流體體積至少是微升量級。而現代化學分析檢測技術和生命科學研究一般可得樣品極其有限，隨著通量的上升和樣品量的限制，研究體系必須采用更小的體積尺度，即微流體尺度，也就是通過微流控芯片技術進行更小尺度下的實驗操作與分析。但是，如何在微米尺度下對流體樣品進行精確、有效、可靠地操控和分析是微流控芯片技術面臨的重大挑戰。目前，在微流控芯片領域最常用的微流體操控方法是通過機械式的泵和閥來驅動和控制流體，從而實現充樣、定量、分配、混合等操作。所用機械式的泵和閥大體分為集成式和分離式兩類，集成式的泵和閥通常制造工藝較復雜、成本高、長期工作的可靠性較差； 而分離式的泵和閥通常體積較大、接口復雜、消耗功率高、便攜性差。因此，傳統的微流控芯片設計和流體操控方法嚴重限制了微流控技術在實際中的廣泛應用，迫切需要發展新的微流控芯片和流體操控技術以適應現代化學和生命科學研究對快速、高通量、低成本、自動化檢測分析平臺的需求。前期本申請的專利技術人之一也曾設計制作了基于毛細作用、離心力和毛細疏水閥協同作用的自定量分配和混合微流控芯片 ，但是該芯片中的流體驅動仍然需要體積較為龐大的離心旋轉平臺等外置設備，大大限制了其便攜式應用(如野外環境監測、床邊診斷等)。因此需要發展更簡單、廉價和緊湊的微流控芯片系統，以實現微流控技術的廣泛應用。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種高通量自動定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其應用，所提供的微流控芯片具有操作簡單、使用成本低、自動化程度高、便攜性好、易于實現高通量等特點，可望應用于化學合成、制藥和生化反應條件的高通量篩選。本專利技術提供的一種高通量自動定量分配和混合的微流控芯片，其特征在于所述微流控芯片為一種組合式微流控芯片，所述的組合式微流控芯片是由一個微流控芯片主體和一個預脫氣的PDMS泵體組合而成；該芯片利用脫氣處理后PDMS泵體對氣體的高溶解特 性，在封閉微管道體系中產生負壓，形成流體驅動力，同時利用芯片表面疏水特性結合微管 道幾何設計形成芯片局部區域的毛細閥功能，通過負壓驅動和毛細閥的協調作用，實現微 流控芯片主體中流體的自動填充、定量分配和混合。具體而言，每個微管道網絡包含一個主進樣口、一條主進樣微管道、一個主通氣口 /廢液池和至少兩個分支結構單元；其中每個分支結構單元包含一個分支進樣口、一條分 支進樣微管道、一個分支通氣口、兩條定容微管道、兩條一級連接微管道、一條混合微管道、 一個微反應腔、一組二級連接微管道和一條通氣微管道；分支結構單元中的一級連接微管 道的橫截面小于定容微管道的橫截面，以實現毛細微閥功能；兩條定容微管道通過一對一 級連接微管道連接混合微管道，混合微管道另一端連接至微反應腔，且混合微管道和微反 應腔均通過二級連接微管道與通氣微管道相連，通氣微管道另一端連接至分支通氣口 ；分 支結構單元中的微反應腔體積大于兩個定容微管道體積之和。所述的微流控芯片主體微管 道網絡中泵腔形成的負壓通過通氣微管道施加于定容微管道中的液體，驅動其中的液體進 入微反應腔，保證混合流體進入微反應腔后，通氣微管道通過二級連接微管道與外界大氣、 環境相同，釋放壓強，從而使得混合液體駐留在微反應腔中。所述的微反應腔通過至少一個 二級連接管道與通氣管道相連，通氣管道另一端與分支進樣管道的通氣口相連；每個分支 進樣管道通過至少一個二級連接管道與其對應通氣口相連。為了實現液體樣品在連接管道 處的暫時停留(即微閥功能)，必須使得微流控芯片主體微管道表面為疏水性，且一級連接 微管道橫截面面積小于定容管道橫截面面積，二級連接微管道橫截面面積小于一級連接管 道橫截面面積，這樣通過幾何截面的收縮改變前進液面的曲率，增大其因表面張力作用形 成的附加反向壓強，從而阻止液流的前進。芯片微管道表面的疏水性一方面可以通過采用 疏水性材料制作芯片來實現，如PDMS (聚二甲基硅烷)、C0C (環烯烴共聚物)等；另一方面也 可以通過對基于親水性材料如玻璃、硅、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)、PI (聚酰亞胺)、PA (聚 對二甲苯)等制作的芯片進行表面疏水化處理(現有技術)來實現。微流控芯片泵體由一個預脫氣的PDMS塊體構成，由于脫氣PDMS塊體對氣體具有 高溶解特性，當其貼附于微流體芯片微管道出口處，且所有進樣口均以液體樣品封閉時，則 脫氣后的PDMS塊體會吸收微流體芯片微管道中的空氣，導致封閉的微管道中氣壓降低，形 成負壓，從而產生可實現微流體芯片中的進樣和液體泵運的驅動力。為了實現每個單元流 體驅動控制的獨立性，該泵體包含一組互不相通的微腔，微腔數目與微流控芯片主體中所 含出氣口數目相等，且位置一一對應；每個微腔中包含一組微柱陣列，設計微柱陣列的目的 在于增加泵體的有效表面積，以加快氣體吸收速率和管道中負壓形成過程。另外，PDMS泵 體的貼合面面積應小于微流控芯片主體貼合面面積，以保證組裝后微流控芯片主體的各進 樣口不被PDMS泵體遮蔽，便于應用中的加樣操作。使用過程中，首先將PDMS泵體置于真空容器中進行至少40分鐘脫氣處理；然后進 行組裝，即將經脫氣處理的PDMS泵體與微流控芯片主體對準貼合，組裝過程中應保證PDMS 泵體的各泵腔與微流控芯片主體的各通氣口 一一對應；完成組裝后，在微流控芯片主體的 各進樣口滴加相應樣品溶液。由于PDMS泵體通過各通氣口吸收芯片管道空氣，使其中形成 負壓，因此滴加在各進樣口的樣品溶液在此負壓作用下自動充滿微流體芯片主進樣管道、 各分支進樣管道和各定容管道，完成芯片的進樣步驟。脫氣PDMS泵體吸收芯片微管道中空氣的過程是一個緩慢持續的過程，因此微管道中的負壓絕對值是呈對數增長的，在泵體吸 收空氣初期，管道中形成負壓較小，此時負壓僅可驅動液樣在幾何截面較大的管道中流動， 即驅動液樣進入并充滿主進樣管道、各分支進樣管道和各定容管道。當液流前進至各定容 管道與微反應腔連接處時，由于連接定容管道與微反應腔的一級連接管道橫截面較小(即 毛細微閥)，導致該處液面表面張力產生的反向附加壓強增加，大于微管道中的驅動負壓， 從而使定容管道中液流停止于毛細微閥處。而此時主進樣管道和各分支進樣管道中的液樣 由于沒有微閥的阻擋，持續向出口處流動，直至進樣口液滴全部進入微流體芯片并最終流 向出口，使主進樣管道和各分支進樣管道中的液樣被空氣所替代，從而在各定容管道留下 獨立的液柱，完成芯片的定量步驟。隨著脫氣PDMS泵體持續吸收芯片微管道中空氣，管道 中的負壓進一步增加，當負壓值超過液面在毛細微閥處本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高通量自動定量分配和混合的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片為一種組合式微流控芯片，由一個微流控芯片主體和一個預脫氣的PDMS泵體組合而成；其中，①微流控芯片主體由至少一個微管道網絡構成，每個微管道網絡包含一個主進樣管道和至少兩個分支進樣管道；②所述PDMS泵體的貼合面面積小于微流控芯片主體貼合面面積；整個泵體包含一組互不相通的微腔；微腔數目與微流控芯片主體中所含出氣口數目相等，且位置一一對應；每個微腔中包含一組微柱陣列。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李剛，廖玲英，湯騰，趙建龍，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：