一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法

文档序号:9245869阅读:1279来源:国知局
一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微流体芯片及其生物、医学、制药工程等应用领域,尤其涉及一种基于微流控技术的浓度梯度产生装置及其设计方法。
【背景技术】
[0002]在细胞生物学研宄中,药物或者生物因子对细胞的行为具有重要的影响。为了对这些行为进行体外研宄,常需要在细胞所处的环境中建立一定的浓度梯度,为此需要一个浓度梯度产生装置。微流控系统被广泛应用于细胞的各种体外研宄,且尺度微小,流动稳定且分子扩散速度慢,适合于保持稳定的浓度梯度。因此,基于微流控技术的浓度梯度发生器引起了有关彳丁业的广泛关注。
[0003]对流型微流控浓度梯度发生器是最常见的浓度梯度发生器类型,其基于流体的多次分离与混合,可以实现单调或者非单调的浓度梯度建立。在传统的对流型浓度梯度器中,每一级所包含的通道数量随着级数而按线性的方式增长,混合通道数量很多,而且要提高出口浓度梯度的分辨率就意味着设备的复杂性大大提高。此外,为了在一条混合通道中实现完全的混合,混合通道一般都很长或者需要单独的微混合器。实现稍复杂的浓度梯度则常常需要设置多个入口。这些都是对流型浓度梯度发生器常见的缺点。

【发明内容】

[0004]鉴于以上技术问题,本发明提供了一种结构紧凑的二入口浓度梯度发生器及其设计。其目的是实现任意单调函数浓度梯度的建立,并简化结构,提高精度,为相应的细胞体外研宄提供技术上的支撑。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种改进型二入口浓度梯度发生器,一端为两个入口通道,其与主通道连接;主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板;所述分流板是指平行于长度方向,用于分隔流体的长条形结构;将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级;第I级含有I块分流板,第2级含有2块分流板,第i级含有2H块分流板,即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长;所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定;第I级的分流板将主通道隔离成两条通道,这两条通道分别与两个入口通道相连;最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定,且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列;第i级分流板将主通道分为个小通道,第I个和第个小通道的流体在下一级分为两股流体,一股继续沿壁面流动,另一股与相邻流体混合形成新的浓度;第2个至第21 1个小通道的流体在下一级分为三股流体,其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度,另一股直接进入下一级而不改变浓度。
[0006]分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算,公式如下:Cnjlll-!.W^Cn m.W2= C n+1,2m_2.(WjW2),其中cn,m为第η级的第m个通道的浓度,C 为第η级的第m-1个通道的浓度,Cn+12ni_2为第η+1级的第2m_2个通道的浓度,w i为第η级的第m-Ι条分流板与第n+1级的第2m-3个分流板在垂直于主通道方向上的距离,W2为第η级的第m-1条分流板与第n+1级的第2m-2个分流板在垂直于主通道方向上的距离;每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定,公式如下:L = V.wm2/D,其中wmS该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度,V为入口平均流速,D为溶质的扩散系数;最后一级分流板之后为一段空的主通道,其另一侧与出口通道连接;主通道的宽度为W,高度H小于等于W/10 ;分流板的宽度小于等于W/20。
[0007]对于给定的目标浓度梯度函数,所述二入口浓度梯度发生器的设计方法如下:
[0008](I)将目标浓度梯度函数归一化处理,即得到定义域与值域都为[0,I]的目标浓度梯度函数f(x);
[0009](2)确定分辨率α,根据分辨率α大于等于最后一级分流板处相邻通道的最大浓度差的原则,确定分流板的总级数N。公式如下:a ^max{f((j+l)/2N-1)-f(j/2N-1)}, j为最后一级的通道序号,j = I?2Μ+1,得到最后一级的分流板数目为2H块;确定最后一级分流板处每条通道的归一化浓度CN,j= f ((j-l)/2 ^1);
[0010](3)确定主通道的宽度W和高度H,并根据最后一级分流板在宽度方向上均匀布置的原则,计算出最后一级的每个分流板在宽度方向上距离主通道壁面的距离为kW/(2^+1),其中k为最后一级的分流板的序号,k = I?2n_S
[0011](4)根据质量守恒定律 Cn^1 ^!+Cnjm.'= cn+1;2m_2.(WjW2)以及 Cn,π= ClrtX计算倒数第二级每一块分流板在宽度方向上的位置,依次类推,直至计算得到第I级的分流板的位置;
[0012](5)确定实验中所需的主通道流体流量Q,计算出通道中的平均流速V = Q/WH ;根据公式L = v *wm2/D计算得到每一级分流板的长度L,从而根据给定的目标浓度梯度函数,完成所需的二入口浓度梯度发生器的设计。
[0013]本发明的有益效果在于:
[0014](I)相比于传统的对流型浓度梯度发生器,本发明改进了两级间流体的传递方式,从而使得在相同的分辨率下所需的级数显著减少。换言之,在相同的级数或相同的混合通道数量下,最终产生的浓度梯度的分辨率得到了显著的提高,从而使得设备的结构得到简化。
[0015](2)相较于类似结构的对流型浓度梯度发生器,本发明改进了分流板出口处的浓度梯度对目标浓度梯度的逼近方式,使最后一级分流板在宽度方向上均匀分布,有利于整个流场流动的平衡,从而使得产生的浓度梯度的准确度提高。
[0016](3)本发明所述的设备及其设计方法可适用于任意的单调浓度梯度的产生,通用性广。多个所述结构的组合还可形成非单调的浓度梯度。
[0017](4)设备仅需要单独控制的两个入口通道,对外接仪器设备的要求较低。
【附图说明】
[0018]图1 二入口浓度梯度发生器结构的平面图;
[0019]图2相邻两级间流体的传递方式示意图;
[0020]图3所述浓度梯度发生器中所建立的指数浓度梯度的实验结果。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0022]如图1所示,本发明一种改进型二入口浓度梯度发生器,一端为两个入口通道,其与主通道连接;主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板,该区域为浓度梯度建立区,目标浓度梯度由分流板区域出口处得到的分段函数逼近获得;所述分流板是指如图1中所示的平行于长度方向,用于分隔流体的长条形结构;将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级;第I级含有I块分流板,第2级含有2块分流板,第i级含有2H块分流板,即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长;所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定;第I级的分流板将主通道隔离成两条通道,这两条通道分别与两个入口通道相连;最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定,且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列;第i级分流板将主通道分为个小通道,第I个和第2卜Wl个小通道的流体在下一级分为两股流体,一股继续沿壁面流动,另一股与相邻流体混合形成新的浓度;第2个至第211个小通道的流体在下一级分为三股流体,其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度,另一股直接进入下一级而不改变浓度。
[0023]如图2所示,分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算,公式如下.W^Cn m.W2= C n+1,2m_2.(WfW2),其中 Cn,m为第 η 级的第 m 个通道的浓度,C n,m_$第η级的第m-1个通道的浓度,Cn+12ni_2为第n+1级的第2m_2个通道的浓度,w i为第η级的第m-Ι条分流板与第n+1级的第2m-3个分流板在垂直于主通道方向上的距离,W2为第η级的第m-Ι条分流板与第n+1级的第2m-2个分流板在垂直于主通道方向上的距离;每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定,公式如下:L = V ^m2ZU其中WmS该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度,V为入口平均流速,D为溶质的扩散系数;最后一级分流板之后为一段空的主通道,其另一侧与出口通道连接;主通道的宽度为W,高度H小于等于W/10 ;分流板的宽度小于等于W/20。
[0024]所述二入口浓度梯度发生器的制造方法为:先根据图纸结构光刻出模具,再用PDMS制作含有所述结构的基片,然后用等离子处理使其与盖片键合,最后在出入口通道处通过打孔与其他设备连接。
[0025]对于给定的目标浓度梯度函数,所述二入口浓度梯度发生器的设计方法如下:
[0026](I)将目标浓度梯度函数归一化处理,即得到定义域与值域都为[0,I]的目标浓度梯度函数f(x);
[0027](2)根据需要确定分辨率α,根据分辨率α大于等于最后一级分流板处相邻通道的最大浓度差的原则,确定分流板的总级数N。公式如下:a ^max{f((j+l)/2N-1)-f(j/2H)},j为最后一级的通道序号,j = I?2Μ+1,得到最后一级的分流板数目为2H块;确定最后一级分流板处每条通道的归一化浓度CN」_= f ((j-1)/2 ^1);
[0028](3)根据需要及加工精度确定主通道的宽度W和高度H,并根据最后一级分流板在宽度方向上均匀布置的原则,计算出最后一级的每个分流板在宽度方向上距离主通道壁面的距离为kW/QH+l),其中k为最后一级的分流板的序号,k = I?2N_i;
[0029](4)根据质量守恒定律 Cn^1 ^!+Cnjm.'= Cn+1;2m_2.(WjW2)以及 Cn,π= C1^2nri计算倒数第二级每一块分流板在宽度方向上的位置,依次
当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1