浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片及其设计方法。其包括浓度梯度分级模块和菌液输送检测模块。所述的浓度梯度分级模块包括依次排列n级混合流道组，n为自然数。混合流道内均设置有多块挡板。各挡板沿着混合流道的长度方向在混合流道两侧壁上交替排列。本发明专利技术将传统圣诞树结构浓度梯度芯片的蛇形流道修改为带有交错设置的挡板的直线型流道，可在流道宽度和高度不变的情况下减小流道所占用的面积，并降低加工难度，从而减小微流控芯片的尺寸，并降低加工成本。此外，本发明专利技术将浓度梯度药物生成和细菌检测于一体化，可以更加方便快捷的研究多浓度药物对细菌的影响。

【技术实现步骤摘要】
浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片及其设计方法
本专利技术属于生物医学抗菌药物
，具体涉及一种内嵌挡板式树状浓度梯度及细菌检测一体化的微流控芯片。
技术介绍
当今社会由于抗生素的普及，人们使用抗生素药物也越来越多，与此同时也产生了许多耐药菌，也就是常说的“超级细菌”，而抗菌药物的滥用正是这种耐药菌产生的主要因素。而这些耐药菌的出现导致了控制疾病的难度不断上升，迫使我们去寻找新的药物。所以合理的使用抗生素尤为重要，而对于抗生素的用法用量就是其中一个关键问题。这就需要精准的使用抗生素浓度梯度对细菌进行试验，从而找到合适的用量。但在目前尚不存在长时间检测药物且能够微量控制抑制剂浓度梯度并与细菌检测一体化的仪器。微流控制芯片(Microdropletchip)，又被称为微型生化反应实验室，被广泛应用于生物、化学等领域中。传统的细菌检测方法不仅操作繁琐、试剂药品用量较大，而且耗时长，而用微流控芯片技术则可以在微观的角度进行药物的配比和对细菌的测量，既可以减少药物的用量来降低成本，也可以更加快速的得到结果。在细菌的测量时，经常需要药物的不同浓度梯度，目前已经有很多种基于微流控芯片的浓度梯度生成器，如Y/T形结构浓度梯度生成器、“圣诞树”结构的浓度梯度生成器、级联型浓度梯度生成器等等。“圣诞树”结构的浓度梯度生成器是最为经典的结构之一，因为其结构设计简单、梯度生成快速、梯度稳定等优点被广泛应用。由于细菌的检测一般会在细菌生长曲线中的对数期，此时的细菌生长速度快，为保证在测得细菌浓度后能更快速稳定的加入梯度浓度的药物，需要更加快速稳定地生成梯度浓度的药物。目前大多数“圣诞树”结构的浓度梯度微流控芯片中为了使药物充分混合，一般是通过蛇形管道来促进药物的混合，并且为了更好的混合，有设计将蛇形管道的弯折处改为圆弧形，有的增加为多层的蛇形管道，这就大大增加了模型的复杂度和梯度的生成时间。当生成较多浓度梯度的时候，即所需层数越多时尤为明显。再者由于弯折流道相较于混合流道来说占用面积更大，所以需要的微流控芯片结构更大，成本也就越高。同时曲折流道相较于混合流道的长度更长，而由于药物的粘性会在壁面上残留药物，更长的流道就会导致有更多药物的残留。因此就需要减小流道的长度并改善流道的混合结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种内嵌挡板式树状浓度梯度及细菌检测一体化的微流控芯片及其设计方法。本专利技术浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，包括浓度梯度分级模块和菌液输送检测模块。所述的浓度梯度分级模块包括依次排列n级混合流道组，n为自然数。各混合流道均为直型流道。混合流道内均设置有多块挡板。各挡板沿着混合流道的长度方向在混合流道两侧壁上交替排列。所述的菌液输送检测模块包括细菌培养室和菌液输入管道。细菌培养室共有n+2个。n+2个细菌培养室的菌液输入口均与菌液输入管道连通，药物输入口与浓度梯度分级模块上对应的出液口连通。细菌培养室包括腔室主体和检测电极组。检测电极组设置在腔室主体上；且检测电极组与腔室主体的内腔接触。作为优选，所述的腔室主体设置有相互靠近且互不连通的三条电极安置槽。检测电极组包括叉指三电极。检测电极组贴附在电极安置槽上，或嵌入到电极安置槽中。所述的细菌培养室还包括盖板。盖板固定覆盖在腔室主体开设有腔室主体的侧面上。盖板上设置有三个焊盘；三个焊盘与叉指三电极分别电连接。三个焊盘上均设置有金属插针。作为优选，所述挡板的长度为混合流道宽度的30％～70％。所述挡板的截面呈矩形或梯形。作为优选，一条混合流道中的挡板数量为4块。作为优选，所述挡板的长度为混合流道的宽度的50％。所述挡板的宽度为混合流道宽度的30％～70％。作为优选，所述挡板截面为等腰梯形；该等腰梯形的上底边长度等于混合流道的宽度的50％，下底边长度等于混合流道的宽度。挡板的下底与混合流道的侧壁接触。作为优选，第一级混合流道组设置有三条混合流道；后续每一级混合流道组较前一级混合流道均增加一条混合流道。各混合流道组内的混合流道的输入端均通过连接流道连通。任意两条相邻的混合流道之间的连接流道处均设置有该级混合流道组的输入口。使得故第i级混合流道组具有i+1个输入口和i+2个输出口；i＝1,2,...,n。前一级混合流道组内的各输出口与后一级混合流道组的各输入口分别连接；第一级混合流道组的两个输入口作为微流控芯片的两个进液口；最后一级混合流道组的n+2个输出口作为微流控芯片的六个出液口。作为优选，混合流道组的任意一个输入口均位于该输入口对应的两条混合流道的正中位置。该浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片的使用方法如下：步骤一、通过菌液输入管道向各细菌培养室输送菌液。步骤二、将各细菌培养室与菌液输入管道连通处均封闭。步骤三、向浓度梯度分级模块的两个进液口分别输入细菌抑制剂、稀释溶剂。细菌抑制剂和稀释溶剂依次通过n级混合流道组，从浓度梯度分级模块的n+2个出液口分别输出浓度为浓度均匀变化的n+2种梯度细菌抑制剂。n+2种梯度细菌抑制剂分别输入到n+2个细菌培养室中。步骤四、将浓度梯度分级模块的两个进液口封闭。之后，使得腔室主体与检测电极组接触。检测电极组输出信号到电化学检测仪器，从而获取各细菌培养室中菌液的生长增殖情况。该浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片的设计方法，具体步骤如下：步骤一、设定目标溶液输入的流速v和微流控芯片内的各混合流道长度、宽度、间距以及混合流道中挡板的数量初始值、单块挡板的宽度、长度初始值。步骤二、对模型进行仿真。2-1.计算输入的目标溶液的雷诺数其中，ρ为目标溶液的初始密度；η为目标溶液的初始粘度；a为挡板的宽度；b为挡板的长度。2-2.在仿真软件中进行微流控芯片的建模。步骤三、参数优化。3-1.浓度误差显示：对步骤二中建立的微流控芯片模型进行仿真，在两个进液口分别通入目标溶液和稀释溶剂，并提取n+2个出液口的浓度值。3-2.误差校正：分别计算出n+2个出液口输出的溶液浓度与对应的期望值之间的百分误差，若百分误差小于或等于误差阈值，则进入步骤3-3；若任意一个出液口输出的溶液浓度的百分误差大于误差阈值，则增大挡板长度或增加挡板的个数。并重新执行步骤二和步骤3-1。所有出液口2输出的溶液浓度的百分误差均小于或等于误差阈值，则以挡板的长度和个数作为最终的参数。作为优选，步骤三中还计算混样时间，过程如下：根据仿真软件生成的动画得到药物完全混合所需要的动画帧数，再将动画帧数乘以时间步长，得到混样时间。作为优选，步骤三中，根据仿真得到的浓度云图中各出液后的颜色及不同时间的颜色变化情况来确实是否完全混合。作为优选，步骤3-3中的误差阈值为5％。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术将传统圣诞树结构浓度梯度芯片的蛇形流道修改为带有交错设置的挡板的直线型流道，可在流道宽度和高度不变的情况下减小流道所占用的面积，并降低加工难度，从而减小微流控芯片的尺寸，并降低加工成本。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，包括浓度梯度分级模块；所述的浓度梯度分级模块包括依次排列n级混合流道组，n为自然数；其特征在于：还包括菌液输送检测模块；各混合流道均为直型流道；混合流道内均设置有多块挡板；各挡板沿着混合流道的长度方向在混合流道两侧壁上交替排列；所述的菌液输送检测模块包括细菌培养室(7)和菌液输入管道(8)；细菌培养室(7)共有n+2个；n+2个细菌培养室(7)的菌液输入口(7-1)均与菌液输入管道(8)连通，药物输入口(7-2)与浓度梯度分级模块上对应的出液口(2)连通；细菌培养室(7)包括腔室主体(7-3)和检测电极组(7-4)；检测电极组(7-4)设置在腔室主体(7-3)上；且检测电极组(7-4)与腔室主体(7-3)的内腔接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，包括浓度梯度分级模块；所述的浓度梯度分级模块包括依次排列n级混合流道组，n为自然数；其特征在于：还包括菌液输送检测模块；各混合流道均为直型流道；混合流道内均设置有多块挡板；各挡板沿着混合流道的长度方向在混合流道两侧壁上交替排列；所述的菌液输送检测模块包括细菌培养室(7)和菌液输入管道(8)；细菌培养室(7)共有n+2个；n+2个细菌培养室(7)的菌液输入口(7-1)均与菌液输入管道(8)连通，药物输入口(7-2)与浓度梯度分级模块上对应的出液口(2)连通；细菌培养室(7)包括腔室主体(7-3)和检测电极组(7-4)；检测电极组(7-4)设置在腔室主体(7-3)上；且检测电极组(7-4)与腔室主体(7-3)的内腔接触。


2.根据权利要求1所述的一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，其特征在于：所述挡板的长度为混合流道宽度的30％～70％；所述挡板的截面呈矩形或梯形。


3.根据权利要求1所述的一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，其特征在于：所述挡板的长度为混合流道的宽度的50％；所述挡板的宽度为混合流道宽度的30％～70％。


4.根据权利要求1所述的一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，其特征在于：所述挡板截面为等腰梯形；该等腰梯形的上底边长度等于混合流道的宽度的50％，下底边长度等于混合流道的宽度；挡板的下底与混合流道的侧壁接触。


5.根据权利要求1所述的一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，其特征在于：第一级混合流道组设置有三条混合流道；后续每一级混合流道组较前一级混合流道均增加一条混合流道；各混合流道组内的混合流道的输入端均通过连接流道连通；任意两条相邻的混合流道之间的连接流道处均设置有该级混合流道组的输入口；使得故第i级混合流道组具有i+1个输入口和i+2个输出口；i＝1,2,...,n；前一级混合流道组内的各输出口与后一级混合流道组的各输入口分别连接；第一级混合流道组的两个输入口作为微流控芯片的两个进液口；最后一级混合流道组的n+2个输出口作为微流控芯片的n+2个出液口。


6.根据权利要求1所述的一种浓度梯度与细菌检测一体化的微流控芯片，其特征在于：所述的腔室主体(7-3)设置有相互靠近且互不连通的三条电极安置槽；检测电极组(7-4)包括叉指三电极；检测电极组(7-4)贴附在电极安置槽上，或嵌入到电极安置槽中；所述的细菌培养室(7)还包括盖板(7-5)；盖板(7-5)固定覆盖在腔室主体(7-3)开设有腔室主体...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐莹，孙乐圣，刘哲，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33