一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法，该器件包含：设置在衬底上的沟道系统；及，用于密封该沟道系统的盖板；其中，该沟道系统包含：扩散沟道，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；上述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；上述的出口沟道包含若干对应上述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。本发明专利技术提供的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件具有设计新颖、控制简单、自动化程度高、输出精度高、对溶液内其他物质浓度没有影响等特点，极大地拓展了微流控技术及现场快速检测技术等的集成化程度与应用范围。

Microfluidic device capable of automatically regulating solution ion concentration, preparation and use method thereof

The invention discloses a method for automatically regulating ion concentration of microfluidic devices, its preparation and use method, the device includes: setting the channel system on the substrate; and a cover for sealing the channel system; which contains the channel system: diffusion channel, and, respectively in the entrance channel and the outlet channel at both ends of the entrance channel; the intersection contains several diffusion channel at one end of the entrance; the export channel contains a number corresponding to the entrance of the export, the export in the intersection of the other end diffusion channel. The present invention provides microfluidic devices, automatic regulation of ion concentration has the advantages of novel design, simple control, high degree of automation, high output accuracy, on the solution concentration of other substances did not affect other characteristics, greatly expand the rapid detection of the degree of integration and application technology of microfluidic technology and field.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微流控
，涉及基于液体层流结构的微流控技术及离子物质在液体内部的扩散过程，具体涉及一种基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件、其制备及使用方法。
技术介绍
芯片实验室可简单定义为能够完成生物化学处理的各个过程、能自动完成传统实验室功能的微小化、集成化微电子机械系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等优点，在生物、化学等许多领域具有非常好的前景。作为芯片实验室的动力部分，微流控技术具有驱动方式简单、驱动力强、自动化程度高、试剂消耗少等许多优点，但存在功能单一、集成度低、依赖外部设备等不足。溶液中的各类离子的浓度在生物、化学等诸多领域极为重要，直接关系到液体导电率、渗透压、对电信号的响应程度等关键参数。而现有的调控液体中离子浓度的过程往往仍是在片外手工进行，通过片上稀释或混合等方式会在调节离子浓度的同时改变其原有其他溶质的浓度，这极大地限制了便携设备及芯片实验室等的集成化发展及其在实用领域的推广。因此在微流控芯片中实现对溶液离子浓度调控功能的集成有着极其重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够精准调控液体内部离子的浓度而不会影响溶液内原有其他溶质浓度，同时又能够与现有微流控技术相兼容的集成化数字微流控芯片，进而在改进现有微流控功能器件的基础上扩大数字微流控技术的应用范围。为达到上述目的，本专利技术提供了一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，该器件包含：设置在衬底上的沟道系统；及用于密封该沟道系统的盖板；其中，该沟道系统包含：扩散沟道，及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；所述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；所述的出口沟道包含若干对应所述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。优选地，所述的入口沟道由呈角度设置的第一入口沟道及第二入口沟道构成，该第一入口沟道作为缓冲液入口，第二入口沟道作为待调控溶液入口；所述的出口沟道由呈角度设置的第一出口沟道及第二出口沟道构成，该第一出口沟道作为缓冲液出口，该第二出口沟道作为待调控溶液出口。缓冲液与待调控溶液分别自入口沟道流入扩散沟道，在扩散沟道中形成层流结构(层流结构内的两股液体平行流动且不互溶。通过调节流入液体的流速、沟道尺寸等，使得流入的两股液体形成层流结构)，待在扩散沟道内完成预定离子扩散再分布后，分别由各自出口沟道流出。优选地，所述的角度均小于90°。所述入口沟道、出口沟道及扩散沟道的形状、尺寸以及其相对位置并不严格限定，以实现其功能为设计准则，但缓冲液入口沟道和待调控溶液入口沟道所成角度应保证液体可以形成二相的层流结构，扩散沟道的形状和尺寸应保证二相的层流结构在其内部的稳定。所述的沟道系统及上(或下)盖板的材料并不固定，理论上可使用任何能够加工出相应沟道结构的材料，常用的包括但不限于PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、硅、玻璃中的任意一种或任意两种以上的组合。本专利技术还提供了一种根据上述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的制备方法，该方法包含：步骤1，在衬底上制备包含入口沟道、出口沟道和扩散沟道的沟道系统；步骤2，密封沟道系统：采用盖板与沟道系统粘合密封；步骤3，使入口沟道和出口沟道分别与外部压力控制设备相连，通过该外部压力控制设备控制通过入口沟道进入的扩散沟道的若干路溶液为层流结构，依靠溶液内待调控离子在浓度梯度作用下的扩散现象实现离子再分布。本专利技术还提供了一种上述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的使用方法，该方法包含：步骤1，使若干路包含不同浓度的待调控离子的溶液(待调控溶液及缓冲液)分别自入口沟道进入扩散沟道；步骤2，通过连接入口沟道的外部压力控制设备控制进入扩散沟道的若干路溶液形成层流，在扩散沟道中，待调控离子在浓度梯度作用下扩散，实现离子浓度再分布；步骤3，完成待调控离子的浓度再分布后，通过连接出口沟道的外部压力控制设备使若干路溶液分别自与入口对应的出口流出。所述的待调控溶液是指能用于微流控系统驱动的液体，其成分并不限定，可以是单一的生物样品，也可以是多成分组成。所述的缓冲液是指能用于微流控系统驱动的液体，其成分并不限定，可以是以待调控离子成分为溶质的去离子水盐溶液，也可以是与待调控溶液各组分浓度相同而仅待调控离子浓度不同的溶液。所述的盖板与沟道系统的粘合是指通过表面吸附、等离子体处理等方式使二者粘附在一起，从而定义完整的沟道形状并防止其中的液体漏出。上述的器件可通过阵列化排布提高其流量及集成度，可通过分别改变阵列内各组件的参数同时获得多种不同浓度的调控后溶液。所述的阵列化是指多个上述器件单元通过一定方式排布形成阵列，进而可以同时处理多路液体，以提高总通量。层流与湍流相对应，是指流体的层状流动，其流线与管壁相互平行。在粘性力远远大于惯性力，或雷诺数(Reynoldnumber)小于3000时，层流就会出现。当几相不同颜色的流体从不同的入口进入同一个微通道时，即使它们互溶，也会形成层次分明的多相平行流动。利用层流的这种几何规律性，可以实现材料、化学环境和细胞在微通道中的有序排布。另外，在层流情况下，湍流基本消失，分子扩散将成为微尺度下传质的主要途径。由于扩散速率与分子自身的特性有关，利用分子在微通道中的不同扩散距离可以将不同的分子进行分离。也因为如此，层流下的液体混合过程相对缓慢。本专利技术中，层流结构的形成与沟道尺寸、液体的粘度系数、流速等相关，经验上可认为雷诺数小于3000即可形成层流。一般的，沟道宽度在百微米、液体流速在每秒几微升至百微升量级都是可以的。本专利技术以液体的层流结构为基础，利用溶质离子在液体内部的扩散原理，提出了一种基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的新型微流控器件，通过对液体流速、沟道尺度、缓冲液离子浓度等参数的调整，可以将待调控溶液的离子浓度调控至任意值并从出口沟道流出。本专利技术提供的基于层流结构的自动调控溶液离子浓度的新型微流控器件具有如下优势：1)本专利技术提供的离子浓度调控器件能够将溶液中任意离子调控至任意浓度，其过程精确可控；2)本专利技术的离子浓度调控的过程并不会改变溶液内其他物质的浓度；不同物质在液体内部的扩散速度不同，如，常用生物类溶质的扩散速度比NaCl等小100倍以上，因此，当NaCl等离子物质扩散完成时，其他生物溶质还没有开始扩散，所以不会影响其他溶质的浓度；3)整个器件结构仅包含入口沟道、出口沟道及扩散沟道，精简了器件结构，简化了制作工艺；4)液体的输运及调控过程完全自动化，速度快，通量高，有利于对大量液体样品的快速处理；5)可较容易地制备阵列式大通量结构，可通过分别调节结构及操作参数同时获得多种浓度的溶液。附图说明图1是本专利技术的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的结构示意图(俯视图)。图2是本专利技术的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件的结构示意图(纵向剖面图)。具体实施方式以下结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本专利技术，并不是对本专利技术保护范围的限制。本专利技术提供的基于层流结构能自动调控溶液离子浓度的微流控器件是通过液体的层流结构和溶质离子在层流结构内部的扩散行为来实现的，因此可以有多种配置方式，可以配置于各种微流芯片中。如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，该器件包含：设置在衬底上的沟道系统；及用于密封该沟道系统的盖板（500）；其中，该沟道系统包含：扩散沟道（300），及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；所述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；所述的出口沟道包含若干对应所述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。

【技术特征摘要】
1.一种能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，该器件包含：设置在衬底上的沟道系统；及用于密封该沟道系统的盖板（500）；其中，该沟道系统包含：扩散沟道（300），及，分别设置在其两端的入口沟道和出口沟道；所述的入口沟道包含若干在扩散沟道的一端交汇的入口；所述的出口沟道包含若干对应所述入口的出口，该出口在扩散沟道的另一端交汇。2.如权利要求1所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的入口沟道由呈角度设置的第一入口沟道（101）及第二入口沟道（102）构成，该第一入口沟道（101）作为缓冲液入口，第二入口沟道（102）作为待调控溶液入口；所述的出口沟道由呈角度设置的第一出口沟道（201）及第二出口沟道（202）构成，该第一出口沟道（201）作为缓冲液出口，该第二出口沟道（202）作为待调控溶液出口。3.如权利要求2所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的角度均小于90°。4.如权利要求1所述的能自动调控溶液离子浓度的微流控器件，其特征在于，所述的沟道系统的材料选择PDMS、硅、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，周嘉，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31