一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片
本专利技术属于微流控芯片
，具体涉及一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有的有益效果：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，本专利技术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为本专利技术简化等效电路浓度梯度芯片的平面示意图；图2为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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QSample，稀释液入口流量命名为QBuffer)，六个出口(按浓度从低到高依次命名为C0-C5)，液体混合通道的流阻命名为RMixing，连接通道的流阻命名为Rconnect。已知RMixing＝x，Rconnect＝y,需要求解R0-R8的表达式，两倍数浓度梯度出口浓度C0＝0,C1＝0.0625,C2＝0.125,C3＝0.25,C4＝0.5,C5＝1,Q0＝Q1＝Q2＝Q3＝Q4＝Q5＝A。Q表示各条通道的流量，如图3所示。按照基尔霍夫电流定律(KCL)：入口处节点满足：QBuffer＝QR,0+QL,0QSample＝QR,4+Q5QBuffer+QSample＝Q0+Q1+Q2+Q3+Q4+Q5Q0＝QL,0＝QBuffer-QR,0Q1＝QL,1+QR,1Q2＝QL,2+QR,2-QR,1Q3＝QL,3+QR,3-QR,2Q4＝QL,4+QR,3-QR,3Q5＝QSample-QR,4QR,0＝QL,1+QL,2+QL,3+QL,4由于是两倍型稀释，则C0＝0,C1＝1/2C2,C2＝1/2C3,C3＝1/2C4,C4＝1/2C5,C5＝1有Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片，其特征在于：本专利技术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(1)和第二入口通道(2)，第一入口通道(1)和第一出口(5)通过第一流阻通道(11)直接连通，第二入口通道(2)与出口通道(10)通过第二流阻通道(15)直接连通，第一入口通道(1)通过第一通道(16)与第一连接通道(4)和第二入口通道(2)相连，第一通道(16)分流出第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)，且第一通道(16)通过一第二连接通道(17)引出第四流阻通道(18)，第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)和第六流阻通道(18)通过第一连接通道(4)两两相连，以实现四者相连通，所述第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)和第六流阻通道(18)均通过一混合通道(3)与第二出口(6)、第三出口(7)、第四出口(8)和第五出口(9)依次相连，混合通道(3)的两侧交错分布了向外凸起的椭圆以形成微混合通道，所述微混合通道具有至少一个方波周期。/n

【技术特征摘要】
1.一种简化通道的等效电路微流控浓度梯度芯片，其特征在于：本发明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(1)和第二入口通道(2)，第一入口通道(1)和第一出口(5)通过第一流阻通道(11)直接连通，第二入口通道(2)与出口通道(10)通过第二流阻通道(15)直接连通，第一入口通道(1)通过第一通道(16)与第一连接通道(4)和第二入口通道(2)相连，第一通道(16)分流出第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)，且第一通道(16)通过一第二连接通道(17)引出第四流阻通道(18)，第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)和第六流阻通道(18)通过第一连接通道(4)两两相连，以实现四者相连通，所述第三流阻通道(12)、第四流阻通道(13)、和第五流阻通道(14)和第六流阻通道(18)均通过一混合通道(3)与第二出口(6)、第三出口(7)、第四出口(8)和第五出口(9)依次相连，混合通道(3)的两侧交错分布了向外凸起的椭圆以形成微混合通道，所述微混合通...

【专利技术属性】
技术研发人员：石环环，周亚诺，张嘉豪，袁霖，余月华，陶林节，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36