微流道单元模块、流体浓度梯度发生器及流阻测量器的制作方法

专利名称：微流道单元模块、流体浓度梯度发生器及流阻测量器的制作方法
技术领域：
本发明涉及由微流道单元构成的芯片及其应用领域，特别涉及微流道单元模 块、流体浓度梯度发生器及流阻测量器。
背景技术：
微流控作为操纵微量流体的强大的工具，在化学、生物学、医学中得到了越来越广 泛的应用。微流控的特点是通过将流体流经的管道制备成微米的尺寸，从而可以把整个 流体流经的路径局限在一个小型芯片上，这就是微流控芯片技术。在微流控中，流体因 为尺寸变小，流动的状态呈层流的特点，可以用较精确的物理方程来描述。另外，尺寸 的变小也带来流体的比表面积的增大。大的比表面积有利于增加流体进行生物、化学反 应的效率，提高灵敏度。最后，小的尺寸有利于将整个微流控装置小型化，并能实现高 通量、多通道的同步反应。
浓度梯度在生物学中有着非常重要的意义，它与细胞的迁移、神经元轴突的定向生 长、胚胎的发育等生理过程密切相关。在生物体中， 一些功能性的信号分子如生长因子、 激素分子在不同器官、组织内的含量是不同的，甚至在同一器官中，含量也随着时间发 生变化。这是因为生命的新陈代谢、信号传导等是复杂的生理过程，再加上物理、化学 作用，实际产生的功能分子的浓度梯度都是非线性的。因此，如果要在体外模拟生命体 内的浓度梯度，需要有这样的装置能够产生所需要的浓度梯度。
用微流控芯片来制备浓度梯度的装置在国际上已经有不少例子。在文献[T. M. Keenan and A. Folch, Lab Chip5 2008, 8， 34-57]上面有系统的综述。在微流控技术出现之 前，早期的装置利用的是在凝胶或溶液中放置一个扩散源，通过功能分子的扩散来形成 浓度梯度。这种装置虽然结构简单，容易实现，但是难以形成稳定的梯度，不仅形成的 梯度难以量化，而且不能长期保持。对这种类型装置的优化只能产生单一的梯度，延长 浓度梯度维持的时间。用微流控的方法，则可以大大提高产生复杂浓度梯度的能力。从"T"型的通过两股流体合并后，在界面进行分子的扩散来产生梯度[专利US0042712A1], 到金字塔状的通过初始的不同浓度的两股溶液在一个微流控网络中反复的分离、混合， 最后形成精确、稳定的浓度梯度[专利US7314070B2， US0129336Al等]，微流控充分显 示了其在操纵流体方面的强大的能力。目前，利用微流控产生浓度梯度的原理有很多， 除了上面提到的利用分子的扩散和流体的分离混合之外，还有实时调控进样口处样品的 流量、在流体网络中设计不同流路的长度来调控流体的混合比例。这些装置有的产生的 浓度梯度比较简单，有的虽然复杂但是只能产生单一的梯度，很难产生既复杂又可以实 时变化的梯度。除此之外，上述提到的微流控芯片都是集成化的。在集成化的过程中， 将所要产生的梯度对应的微流控网络结构固定在芯片上面，从而导致产生的梯度种类有 限，每一种梯度都要重新设计新的结构。并且， 一旦流体网络结构中的某个部分发生损 坏，整个装置就无法继续使用，需要重新制备芯片。这个无疑将延长实验的时间和提高 实验的成本。
集成化的方法除了影响浓度梯度的任意性和实时性之外，对实时监测微流网络中的 压强带来了一定的困难。监测微流网络中的压强，就可以得到网络中流阻的信息，从而 可以在小的尺度上调控流体的流向以及流量。这个在产生浓度梯度、调节流体的剪切力 有很重要的作用。目前关于压强的监测可以用集成化的方法制备利用压电材料的压强传 感器，但会遇到复杂的微加工技术，以及材料的相容性问题[专利US 6986649 B2]。而 利用气体体积的变化来指示压强的方法在专利US 6575026 Bl, US 6843121B1已有描述。 该方法简单易行，但由于在加工时考虑的是集成化的制备，因而只能测量固定位置的压 强。

发明内容
本发明的目的为了克服上述微流道芯片的缺点，提供的微流道模块化及其构建微流 控的流体网络；提供含有不同微流道单元的微流道单元模块，并将它们组装成能够产生 线性浓度梯度的流体浓度梯度发生器和实时监测微流网络中的流阻的流阻测量器。模块 结构简单，可以规模化制备，产生的浓度梯度可以满足模拟复杂的人体内环境，具有很 大的应用价值。
本发明的技术方案如下
本发明提供的微流道单元模块，由一表面具有微型凹槽单元的元件和一平面基底组成；所述元件的具有微型凹槽单元的表面与所述平面基底粘合成一体构成微流道单元模 块；
所述微流道单元模块为流体分流模块A，该流体分流模块A的微流道单元由n条线 性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过渡流道与该n条线性输入流道相连通的 n+l条线性输出流道组成，所述n为大于或等于1的正整数，所述线性输入流道、线性 输出流道和线性过渡流道的横截面面积相等；或者
所述微流道单元模块为流体分流模块B，该流体分流模块B的微流道单元由相汇连通 于线性微流道端口的m条横截面面积相等的线性微流道组成，该m条线性微流道呈散射 状排布；该m条线性微流道相汇连通端口为流体流道入口，该m条线性微流道的另一端 为流体流道出口，所述m为大于或等于1的正整数；或者
所述微流道单元模块为流体汇合模块，该流体汇合模块的微流道单元由n+l条线性 输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过渡流道与该n+l条线性输入流道相连通的n 条线性输出流道组成，所述n为大于或等于1的正整数，所述线性输入流道、线性输出 流道和线性过渡流道的横截面面积相等；或者
所述微流道单元模块为流体变阻模块，该流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排 布的横截面面积相等的线性微流道组成，该线性微流道上一个流体流道入口和0—Y个流 道出口，所述Y为大于或等于1的正整数；或者
所述微流道单元模块为流体收集模块，所述流体收集模块的微流道单元由s条中间 段是平行排布的线性微流道和两端部段分别向外侧倾斜的线性微流道成，所述线性微流
道的横截面面积相等，所述S为大于或等于1的正整数；或者
所述流体收集模块的微流道单元由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面面积 相等的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性
输入流道横截面面积，所述t为大于或等于1的正整数；或者
所述微流道单元模块为流体调速模块，该流体调速模块的微流道单元的线性微流道 为流道横截面积呈线性变化的线性微流道。
本发明提供的流体浓度梯度发生器为流体线性浓度梯度发生器；该流体浓度梯度发 生器由一原液驱动泵、 一稀释液驱动泵、Xl个流体分流模块和一个流体收集模块组成， XI为大于或等于1的正整数；
所述第一个流体分流模块的二条线性输入流道入口分别与所述原液驱动泵和稀释液驱动泵相连通；
所述第一个流体分流模块的三条线性输出流道出口分别与第二个流体分流模块的三 条线性输出流道入口相连通；以此类推，所述第Xl个流体分流模块的n条线性输出流道 出口分别与n+l条线性微流道入口相连通；所述第X个流体分流模块的n+l条线性微流 道出口分别与所述流体收集模块的线性微流道入口相连通；
所述流体收集模块的微流道单元由s条中间段是平行排布的线性微流道和两端部 段分别向外侧倾斜的线性微流道成，所述线性微流道的横截面面积相等； .或者
所述流体收集模块的微流道单元由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面面积 的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性输入 流道横截面面积。
本发明提供的流体浓度梯度发生器为流体任意浓度梯度发生器，该流体浓度梯度发 生器由一原溶液驱动泵、 一稀释液驱动泵、2个流体分流模块B、 X2个流体变阻模块、 X2个流体汇合模块和一个流体收集模块组成，X2为大于或等于2的正整数；
所述流体分流模块B的微流道单元由相汇连通于线性微流道端口的m条横截面面积相 等的线性微流道组成，该m条线性微流道呈散射状排布；该m条线性微流道相汇连通端口 为流体流道入口 ，该m条线性微流道的另一端为流体流道出口 ；
所述流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排布的横截面面积相等的线性微流道组 成，该线性微流道上有一个流体流道入口和一个流体流道出口 ；
所述流体汇合模块的微流道单元由2条输入流道和通过与之垂向放置的一条过渡流
道与该2条输入流道相连通的1条输出流道组成；所述输入流道、线性输出流道和过渡
流道的横截面面积相等；
所述的流体收集模块的微流道单元为s条中间段是平行排布的线性微流道和两端部
段分别向外侧倾斜的线性微流道组成，所述线性微流道的横截面面积相等；
或者
所述的流体收集模块的微流道单元为由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面 面积的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性
输入流道横截面面积；
9所述的两个流体分流模块B分别为原溶液分流模块和稀释液分流模块，该原溶液分 流模块的流体流道入口与原溶液驱动泵相连通，稀释液分流模块的流体流道入口与稀释 液驱动泵相连通；
所述原溶液分流模块和稀释液分流模块分别有一个流体流道出口分别与所述流体收 集模块的线性输入流道相连通；
所述稀释液分流模块的其余r-l个流体流道出口与r-l个汇合模块的流体输入流道入 口相连，所述稀释液分流模块的该r-l个流体流道出口中的任意一个流体流道出口仅与一 个汇合模块的流体输入流道入口相连通；
原溶液分流模块的其余r-l个流体流道出口先与r-l个流体变阻模块的流体流道入口 相连通，该r-l个流体变阻模块的流体流道出口再与r-l个汇合模块的流体输入流道入口 相连通，所述原溶液分流模块的该r-l个流体流道出口中的任意一个流体流道出口仅与一 个汇合模块的流体输入流道入口相连通；
r-l个汇合模块的流体输出流道分别与流体收集模块的输入流道相连通。
本发明提供的流阻测量器由一个原溶液驱动泵、 一个分流模块、 一个汇合模块，两 个流体变阻模块和一个待测微流管道组成；
所述分流模块的微流道单元由1条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过 渡流道与该1条线性输入流道相连通的2条线性输出流道组成；所述线性输入流道和线 性输出流道的横截面面积相等；
所述汇合模块的微流道单元由2条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过 渡流道与该2条线性输入流道相连通的1条线性输出流道组成；所述线性输入流道和线 性输出流道的横截面面积相等；
所述流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排布的横截面面积相等的线性微流道组 成，该线性微流道仅有l个流道入口；
所述待测微流管道由一条具有一个流体流道入口和一个流体流道出口的线性流体流
道；
所述的分流模块的流体输入流道与原溶液驱动泵相连通，该分流模块的2条流体输
出流道分别与一个流体变阻模块的流道入口和待测微流管道的流体流道入口相连通；
所述汇合模块的2条流体输入流道分别与待测微流管道的流体流道出口和另一个流 体变阻模块的流道入口相连通；待测微流管道的流体流道入口处的流体压强等于与分流模块相连的流体变阻模块内 的流体压强；
待测微流管道的流体流道出口处的流体压强等于与汇合模块相连的流体变阻模块内 的流体压强；
两个流体变阻模块内的流体压强之间的差值为待测微流管道内的流体压强降低值； 待测微流管道内的流体压强降低值与原溶液驱动泵设定的流体输出流量的比值为流 体的流阻值。
本发明的微流道单元模块的制备是利用软刻蚀技术完成的；首先，用L-Edit软件设 计所述的图案，并通过胶片打印机打印出来；然后对所述的图案进行光刻加工；由于所 述的图案面积小，可以同时做在3寸面积的硅片上；光刻胶使用的是MicroChem公司的 SU-8厚型负胶。在经过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影之后，所述的图案就由硅片上的 光刻胶携带；将加工好的带有光刻胶的硅片倒上聚二甲基硅氧烷
(poly(dimethylsiloxane) ， PDMS)进行复制模塑；接着在80度的烘箱烘烤1小时，PDMS 就形成了固体；这种固体是弹性的，可以从硅片上面揭下；揭下PDMS，图案就转移到了 PDMS上面，这时候的图案是凹陷在PDMS之中；最后，将PDMS和经过清洗的载玻片进 行表面等离子氧化处理，处理之后两者就可以非常牢固的粘合到一起，而凹陷在PDMS 中的图案也就在PDMS和玻片之间形成了微流控管道。 本发明的特点在于
1, 设计了一些功能性的微流道单元模块，这些模块可以执行分流、汇合、收集、
调控流阻、调速等功能； 2， 应用模块化的方法构建微流控系统；模块化微流系统的优点是可以大大减少
浓度梯度装置的制备时间，降低对微加工设备的依赖，并能随时替换模块化 系统中损坏的模块，保持系统的稳定性。
3， 使用其中一些模块构建了产生浓度梯度的装置产生的浓度梯度具有任意性和
实时性，这是集成化装置所无法实现的。
4、 构建的测量微流网络中流阻的装置可以非常方便的测量实际流阻。


图1-1至图1-10为不同功能的微流道单元模块的示意图； 图2为流体变阻模块的结构示意图3为一种用于产生线性浓度梯度的流体浓度梯度发生器的结构示意图； 图4-l至图4-4为产生的线性浓度梯度的荧光强度图5为用于产生任意以及实时变化的流体线性浓度梯度发生器的结构示意图6-l至图6-4为产生的一个复杂浓度梯度的荧光强度图7为实时变化的浓度梯度的荧光强度图8-l至图8-4为用另一种方法实现实时变化的浓度梯度的荧光强度图9为用于实时测量微流网络中的压强以及流阻的流体任意浓度梯度发生器的结构图。 图10为微流道单元模块的综合示意图(同图1-1至图1-10)。
具体实施例方式
本发明的微流道单元模块可以分为流体分流模块A和流体分流模块B;所述的流体
分流模块A的微流道单元由n条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过渡流道 与该n条线性输入流道相连通的n+l条线性输出流道组成，所述n为大于或等于1的正 整数，所述线性输入流道、线性输出流道和线性过渡流道的横截面面积相等；该模块能 将n股流体分流成n+l股流体(图1-1-图l-5所示的结构)；
所述流体分流模块B的微流道单元由相汇连通于线性微流道端口的m条横截面面积 相等的线性微流道组成，该m条线性微流道呈散射状排布；该m条线性微流道相汇连通 端口为流体流道入口，该m条线性微流道的另一端为流体流道出口。该模块的功能是将 一股流体直接分流成m股流体(图l-6所示的结构)；
所述的流体汇合模块的微流道单元由n+l条线性输入流道和通过与之垂向放置的一 条线性过渡流道与该n+l条线性输入流道相连通的n条线性输出流道组成，所述n为大 于或等于1的正整数，所述线性输入流道、线性输出流道和线性过渡流道的横截面面积 相等(实际上是图1-1至图l-5所示模块的线性输入流道改为线性输出流道，线性输出流 道改为线性输入流道所示的模块)；该模块的功能是将n+l股流体汇合成n股流体；
所述流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排布的横截面面积相等的线性微流道组 成，该线性微流道上一个流体流道入口，和O—Y个流道出口，该模块的作用是通过改变微流管道的长度来改变该模块的流阻，进而用来调控流体在微流网络中的流动行为(图 l-7所示的模块):
所述流体收集模块有两种， 一种是该流体收集模块的微流道单元由S条中间段是 平行排布的线性微流道和两端部段分别向外侧倾斜的线性微流道成，所述线性微流道的 横截面面积相等(图l-8所示的模块)；另一种是该流体收集模块的微流道单元由相汇 连通于一条线性输出流道的t条横截面面积相等的线性输入流道组成，该一条线性输出 流道的横截面面积大于或等于任意一条线性输入流道横截面面积(图l-9所示的模块)；
所述流体调速模块的微流道单元为横截面积呈线性变化的线性微流道(图1-IO所示 的模块)。
本发明的微流道单元模块类似于电路中的一些基本元件，可以对流体在网络中的流动 进行调控。所述的微流道单元模块可以进行组合来设计流体的流动行为，从而可以实现 特定的功能，如产生特定的浓度梯度，以及测量流体的阻力等。
所述的组合是通过含有小尺寸管道的器件如聚乙烯(PE)塑料管来实现的。通过柔 软的、内径小的PE管，可以方便的将各个模块连接起来。
所述的组合包括
1、 一种可以用来产生线性浓度梯度的微流控网络系统(如图3所示) 所述的系统用驱动泵、分流模块、收集模块和连接装置组成； 该系统可以产生任意斜率的线性梯度。
2、 一种可以用来产生任意、实时浓度梯度的微流控网络系统(如图5所示)。 所述的系统用驱动泵、分流模块、流体变阻模块、收集模块和连接装置组成。
该系统可以产生实时的、任意的浓度梯度。
3、 一种可以用来测量微流体流阻的微流控网络系统(如图9所示)。
所述的系统用驱动泵、分流模块、流体变阻模块、待测流阻和连接装置组成。 该系统可以方便的用于测量微流控网络中的流阻。
所述的组合l的产生线性浓度梯度的原理如下请参照图3:
当两股具有相同流量的液体(一个是原溶液， 一个是稀释液)进入有两个入口、三个
出口的分流模块A时，由于分流模块A有对称的结构，两股流体变成三股流量相同的流体 从分流模块流出，然后再进入有三个入口、四个出口的分流模块的分流模块，变成4股流量相同的流体，依次类推。。。在分流的过程中，在每个分流模块中，除了最左边的一支 和最右边的一支与原来的液体成分一致之外，其他中间的流体都是两股流体配比的结果， 因此有不同的浓度。当具有不同浓度的流体从最后一个分流模块流出，进入收集模块时， 即在收集模块中形成了浓度梯度。由于设计的分流模块具有对称的结构，因而形成的是 线性的浓度梯度。这种梯度的形成原理虽然在专利US7314070B2， US0129336A1， CN 101165161 A等中有介绍，但是上述的都采用的是集成化的系统，而非本发明中提到的模 块化的结构。应用模块化的方法，不但能产生与上述集成化的系统一样的浓度梯度，而 且可以事先设计所需的分流模块为模版，进行大量的翻模。这样就可以大大减少浓度梯 度装置的制备时间，降低对微加工设备的依赖，并能随时替换模块化系统中损坏的模块， 保持浓度梯度的稳定供应。
所述的组合2的产生任意、实时浓度梯度的原理如下
将两股流体(原溶液和稀释液)分别引入的分流模块B。分流模块有m个出口，根 据实际需要堵住不需要使用.的出口，如可以使用其中X+1个出口。两个分流模块B分别 将一条流体分成X+1道支流。原溶液分流模块的X+1道支流中的一道与收集模块直接相 连，稀释液分流模块的X+1道支流中的一道与收集模块直接相连。
稀释液分流模块的X+l道支流中的其余X道与X个汇合模块的入口相连，X中的任 意一道支流仅和一个汇合器的入口相连；
原溶液分流模块的X+l道支流中的其余X道先与X个流体变阻模块的入口，从X 个流体变阻模块流出的X道支流再与X个汇合模块的入口相连，X中的任意一道支流仅 和一个汇合器的另一个入口相连；
X个汇合模块起将原溶液和稀释液混合的作用。每个汇合模块只接受来自稀释液分 流模块的一条支流和来自原溶液稀释模块的一条支流。X个汇合模块将2X道支流两两混 合后，从各自的出口流出，得到X道带有不同浓度的溶液，每道溶液的浓度的大小取决 于该溶液所在的汇合模块的混合比，即从模块的两个入口流入的原溶液支流和稀释液支 流的流量的大小之比。原溶液支流的流量的大小是通过与原溶液分流模块相连的流体变 阻模块来调节的。将X道不同浓度的溶液接入到收集模块之中，与直接来自稀释液分流 模块和原溶液稀释模块的2道支流一起，在收集模块中形成了所需的浓度梯度。因此， 通过设定好X个流体变阻模块的流阻值的大小，就可以得到所需的不同的浓度的溶液，也就得到了所需的浓度梯度。并且，当实时调节X个流体变阻模块中的n个模块的流阻 值时，就可以实时的改变收集模块中的浓度梯度。N是小于等于x的正整数。
流体变阻模块流阻值大小的确定是通过计算得到的。如果没有流体变阻模块，那么从
每个汇合模块流出来的液体具有相同浓度。流体变阻模块流阻值的大小的计算是根据流 体网络与电路类比得到的。在电路中，电流在各个支路的分配是受各支路上的电阻大小 决定的；同样，各流体支路上面的流阻也决定着该支路上面流量的大小(方程l)，而流 体变阻模块正是起可变流阻的作用，用来调节所在支路上面的流体的流量。流体变阻模 块变阻的原理基于方程2。根据方程2可知，在保证微流管道横截面积不变的情况下，流 阻的大小与管道的长度L成正比，在本发明中，设计的模块假定最短的两个接口距离为l 个单位，然后设计的接口间的距离为最短距离的整数倍，因此就得到了接口距离的定量 化。从而就可以通过设定管道的长度来设定或改变变阻模块的流阻值。
<formula>formula see original document page 15</formula>
这里P为流体的压强，Q为流量，R为流阻，m为流体的黏度，h, w， L分别为微流 管道的高度，宽度和长度。
当流体变阻模块的流阻值大小确定之后，则从分流模块流出的液体在不同的汇合模块 上面有不同的流量，从而经过汇合模块之后就产生不同浓度的流体(浓度是根据原溶液 和稀释液的流量的比例而决定的)。因此，就可以在收集模块上面得到不同浓度的流体， 即一种浓度梯度。反过来，已知某种浓度梯度，就可以推算出流体变阻模块的大小，因 为流体变阻模块的大小和浓度梯度是相互决定的。这样，就可以根据所需的任意的浓度 梯度来计算流体变阻模块的大小，并将其连接在流体网络之中。这就完成了产生任意浓 度梯度微流控装置的构建。
所述的组合3的测量微流体流阻的微流控网络系统的原理如下 根据专利US 6575026 Bl ， US 6843121B1以及文献[N. Srivastavaa and M. A. Bums Lab Chip, 2007, 7, 633-637]的通过气体体积的变化测量压强的原理，本发明提出了一种模 块化的测量微流网络中的压强的方法。 一种流阻测量器，其特征在于，由驱动泵、 一个分流模块A、 一个汇合模块，两个流体变阻模块和待测的微流管道组成分流模块l直接 与驱动泵相连通，将从驱动泵流出的溶液分出两股液体。 一股液体流入待测的微流管道 的入口，并从待测的微流管道的出口流出；所测量的流阻值即从待测的微流管道入口到 出口之间管道的流阻的大小。另一股流体接到流体变阻模块的入口。由于这里使用的流 体变阻只有一个接口，因此流体只会流到流体变阻模块的蜿蜒管道的某一处而停止，蜿 蜒管道其余的部分是被封闭的空气。由于空气与流体在流体停止的部位接触，因此空气 的压强与流体的压强相等。而空气的压强的大小可以根据其体积，也就是被封闭在蜿蜒 管道中的管道的体积计算得到。
从待测管道流出的流体流入汇合模块的一个入口，与汇合模块另一个入口相连的是 另一个流体变阻模块。流体变阻模块与上面所述的一样，只有一个接口。
根据本发明的流阻测量网络，待测微流管道的入口处的压强和与分流模块相连的流体 变阻模块的压强相等；待测微流管道的出口处的压强和与汇合模块相连的流体变阻模块 的压强相等。两个流体变祖模块的所测的压强的差值即待测微流管道的压强值。这里忽 略了连接管道的流阻。事实上，如果使用的连接管道相对于微流管道横截面积很大，其 流阻则可以近似忽略。
通过计算得到的微流管道的压强，以及驱动泵设定的流量，两者相除就可以得到所需 的流阻值。值得注意的是，这里的流阻值是类比于电路中的电阻的计算方式定义的，是 相对于某种液体在一定的条件下(如温度)而固定的，不同的液体有不同的流阻值。利 用该方法，可以测量具有复杂结构的管道的流阻，如内壁上有粗糙结构的管道。这样的 管道不能应用方程2来计算出流阻。
本发明中组合1和组合2产生的浓度梯度可以应用于不同生物、化学反应的条件的筛 选，也可以模仿生物环境中的复杂的梯度来用于细胞、细菌、病毒的浓度梯度响应，神 经元轴突的定向生长，浓度梯度对胚胎发育的影响等的研究；应用调速模块，可以研究 细胞、细菌、病毒在不同流速剌激下的响应，可以和浓度梯度刺激的响应结合起来；组 合3设计的流阻实时监测装置可以方便的测量难以通过理论计算来获得的流阻值，从而可 以更好的调控流体在微流控管道的流动行为。
实施例l:流体变阻模块的设计
16如图2所示，设计的管道的形状为蜿蜒型的管道。管道的宽度为100微米，高度为28 微米。在管道的末端，转弯处，以及接近末端的管道之上都有和外界连接的接口的标记。 根据公式(2)，在管道的高度、宽度相等的情况下，其流阻与管道的长度成正比。在图2 中，ho到hl的距离为2毫米，设为单位长度，即ho到hl之间的流阻值的大小为l。 h3到ho 的距离为6毫米，因此其流阻值为3。同理可得，ho到h5， ho到h7， he到h2， he到h4， he 到h6的流阻分别为5， 7， 2， 4， 6。而蜿蜒管道的中部任意两个相邻的接口 (如a和b)的 距离恒为14毫米，因此其流阻为7。这样，选择管道中的任意两个接口，就可以得到流阻 值R-7^+m， n为0， 1， 2， 3的正整数，m为l, 2， 3， 4， 5， 6。将流体变阻模块接入微 流网络中，就可以通过任意调节其流阻的大小来调节其所在微流网络的流体的流量的大 小。
实施例2:线性浓度梯度的发生
选用图l中的流体分流模块(图l-2至图l-5所示的模块)、收集模块(图l-8 或图l-9所示的模块)和驱动泵；
如图3所示，其结构为第一个流体分流模块的二条线性输入流道入口分
别与所述原液驱动泵和稀释液驱动泵相连通；该第一个流体分流模块的三条线性输出流 道出口分别与第二个流体分流模块的三条线性输出流道入口相连通；以此类推，第四个 流体分流模块的5条线性输出流道出口分别与4条线性微流道入口相连通；该第4个流体分 流模块的5条线性微流道出口分别与图l-8或图l-9所示的流体收集模块的线性微流道入口 相连通；
将需要产生浓度梯度的12mg/L的荧光素钠作为原溶液和去离子水作为稀 释液分别吸到注射器中，将注射器放置在驱动泵中，并将两者的流速都设成lml/h。
将不同结构的分流模块按照图3的结构连接起来，最后出来的管道有5条。根 据实际需要可以再设计具有更多接口的模块。
最后分出来的管道根据实际需要选择不同的收集模块。
打开驱动泵的开关，驱动流体在构建好的微流网络中流动。当输出的浓度达 到稳定的状态时，就可以得到所需要的线性浓度梯度。
浓度梯度的观察使用的是倒置荧光显微镜(Leica， DFC350 FX)，激发波长为480nm; 实验结果如图4-l至图4-4所示。可以看出，使用该装置可以得到线形很好的浓度梯度，而且梯度可以稳定存在。要得到更详细的浓度梯度，只要接入更多的分流模块即可。 实施例3
任意浓度梯度的发生
选用图l中的分流模块(图l-6所示的模块)、流体变阻模块(图l-7所示的模块)和收 集模块(图l-8或图l-9所示的模块)以及驱动泵。
1，按照图5中的连接方法把上述的模块连接起来。值得说明的是，由于制图 的限制，图5中只给出了2个变阻模块(实际上可以根据需要设计为多个)、2个汇合模块 的情况(实际上可以根据需要设计为多个)，因而只能产生4种浓度不同的溶液；如果给 出的实例使用7个变阻模块和7个汇合模块，变阻模块和图5中所示一样，均接在右边的分 流模块之下。
2，将需要产生浓度梯度的12mg/L的荧光素钠作为原溶液和去离子水作为稀 释液分别吸到注射器中，将注射器放置在驱动泵中，将原溶液的流量设定为4ml/h，稀释 液设定为6ml/h。假设2mm长，100微米宽，.28微米高的微流管道为一个单位的流阻，调 节各个变阻模块的流阻，使得它们的流阻分别为27,8,2, 13,38,66,84个单位流阻。
3，打开驱动泵，就可以得到如图6所示的浓度梯度。梯度的左半边为线性递 增，右半边为指数衰减的曲线。图6a和图b使用的是不同的收集模块。这种具有复杂浓度 梯度的发生装置是其它已有的专利所无法实现的。
实施例4
可实时变化的任意浓度梯度的发生l
1，直接调节实施例3中的流体变阻模块.的大小，就可以得到如图7所示的浓度梯度的 变化。
2，相邻的荧光图片间隔2分钟。经过18分钟之后，输出的浓度梯度的形貌己经发生了 明显的变化。(如图7所示)由原来的左半边为线性递增，右半边为指数衰减的曲 线变成左半边为抛物线递增，右半边为线形递减的曲线。这种可输出实时变化的 浓度梯度的装置是其它已有的专利所无法实现的。
实施例5200810172391.X
可实时变化的任意浓度梯度的发生2
1，待实施例4中输出的浓度梯度稳定之后，得到如图8a所示的梯度。 2，改变不同浓度的流体(共有9条)从各个汇合模块流出后，在流体收集模块的位置。 将第1-9条管道的在流体收集模块上面的顺序变成[5 4 3 2 1 9 8 7 6](如图8)，就可 以得到如图8b所示的另一个浓度梯度。通过这样的操作，可以直接实现浓度梯度 的输出的变化，虽然这里的变化是基于原有的浓度梯度(图8a)，但其实现的速度 要明显快于实施例4所示的方法。
实施例6
实时测量微流网络中的压强以及流阻
1， 选用图l.中的分流/汇合模块(图l-l所示的模块)、流体变阻模块(图l-7所示 的模块)以及待测流阻和驱动泵并将它们连接成一个微流网络。
2， 流体变阻模块只开放一个出口 (如图9中的b点)，其余的堵住。这样就构成了 一个通过空气在变阻模块管道内的体积来反映流体压强的系统。 3， 打开驱动泵，如图9所示，当使用的连接管道的横截面积(如半径为400微米 的管道)比微流管道要明显大时，其所分担的流体的压强的降低值可以忽略。 因此b点和c点具有相同的压强，d点和e点具有相同的压强，c点和d点间的 压强就等同于两个流体变阻模块中空气的压强之差。f点可以接入其他微流网 络，也可以直接与大气相通。
4， 根据驱动泵所设定的流体的流量和上述方程l，就可以计算出c， d间的流阻值。
权利要求
1、一种微流道单元模块，由一表面具有微型凹槽单元的元件和一平面基底组成；所述元件的具有微型凹槽单元的表面与所述平面基底粘合成一体构成微流道单元模块；所述微流道单元模块为流体分流模块A，该流体分流模块A的微流道单元由n条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过渡流道与该n条线性输入流道相连通的n+1条线性输出流道组成，所述n为大于或等于1的正整数，所述线性输入流道、线性输出流道和线性过渡流道的横截面面积相等；或者所述微流道单元模块为流体分流模块B，该流体分流模块B的微流道单元由相汇连通于线性微流道端口的m条横截面面积相等的线性微流道组成，该m条线性微流道呈散射状排布；该m条线性微流道相汇连通端口为流体流道入口，该m条线性微流道的另一端为流体流道出口，所述m为大于或等于1的正整数；或者所述微流道单元模块为流体汇合模块，该流体汇合模块的微流道单元由n+1条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过渡流道与该n+1条线性输入流道相连通的n条线性输出流道组成，所述n为大于或等于1的正整数，所述线性输入流道、线性输出流道和线性过渡流道的横截面面积相等；或者所述微流道单元模块为流体变阻模块，该流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排布的横截面面积相等的线性微流道组成，该线性微流道上一个流体流道入口和0-Y个流道出口，所述Y为大于或等于1的正整数；或者所述微流道单元模块为流体收集模块，所述流体收集模块的微流道单元由s条中间段是平行排布的线性微流道和两端部段分别向外侧倾斜的线性微流道成，所述线性微流道的横截面面积相等，所述s为大于或等于1的正整数；或者所述流体收集模块的微流道单元由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面面积相等的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性输入流道横截面面积，所述t为大于或等于1的正整数；或者所述微流道单元模块为流体调速模块，该流体调速模块的微流道单元的线性微流道为流道横截面积呈线性变化的线性微流道。
2、 一种流体浓度梯度发生器，该流体浓度梯度发生器为流体线性浓度梯度发生器； 其特征在于，该流体浓度梯度发生器由一原液驱动泵、 一稀释液驱动泵、XI个流体分流模块和一个流体收集模块组成，XI为大于或等于1的正整数；所述第一个流体分流模块的二条线性输入流道入口分别与所述原液驱动泵和稀释液 驱动泵相连通；所述第一个流体分流模块的三条线性输出流道出口分别与第二个流体分流模块的三 条线性输出流道入口相连通；以此类推，所述第Xl个流体分流模块的n条线性输出流道 出口分别与n+l条线性微流道入口相连通；所述第X个流体分流模块的n+l条线性微流 道出口分别与所述流体收集模块的线性微流道入口相连通；所述流体收集模块的微流道单元由s条中间段是平行排布的线性微流道和两端部 段分别向外侧倾斜的线性微流道成，所述线性微流道的横截面面积相等；或者所述流体收集模块的微流道单元由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面面积 的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性输入 流道横截面面积。
3、 一种流体浓度梯度发生器，其特征在于，该流体浓度梯度发生器为流体任意浓度 梯度发生器，其特征在于，该流体浓度梯度发生器由一原溶液驱动泵、 一稀释液驱动泵、 2个流体分流模块B、X2个流体变阻模块、X2个流体汇合模块和一个流体收集模块组成， X2为大于或等于2的正整数；所述流体分流模块B的微流道单元由相汇连通于线性微流道端口的m条横截面面积相 等的线性微流道组成，该m条线性微流道呈散射状排布；该m条线性微流道相汇连通端口 为流体流道入口 ，该m条线性微流道的另一端为流体流道出口 ；所述流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜓状排布的横截面面积相等的线性微流道组 成，该线性微流道上有一个流体流道入口和一个流体流道出口 ；所述流体汇合模块的微流道单元由2条输入流道和通过与之垂向放置的一条过渡流道与该2条输入流道相连通的1条输出流道组成；所述输入流道、线性输出流道和过渡 流道的横截面面积相等；所述的流体收集模块的微流道单元为s条中间段是平行排布的线性微流道和两端部 段分别向外侧倾斜的线性微流道组成，所述线性微流道的横截面面积相等；或者所述的流体收集模块的微流道单元为由相汇连通于一条线性输出流道的t条横截面面积的线性输入流道组成，该一条线性输出流道的横截面面积大于或等于任意一条线性 输入流道横截面面积;所述的两个流体分流模块B分别为原溶液分流模块和稀释液分流模块，该原溶液分 流模块的流体流道入口与原溶液驱动泵相连通，稀释液分流模块的流体流道入口与稀释 液驱动泵相连通；所述原溶液分流模块和稀释液分流模块分别有一个流体流道出口分别与所述流体收 集模块的线性输入流道相连通；所述稀释液分流模块的其余r-l个流体流道出口与r-1个汇合模块的流体输入流道入 口相连，所述稀释液分流模块的该r-l个流体流道出口中的任意一个流体流道出口仅与一 个汇合模块的流体输入流道入口相连通；原溶液分流模块的其余r-l个流体流道出口先与r-l个流体变阻模块的流体流道入口 相连通，该r-l个流体变阻模块的流体流道出口再与r-l个汇合模块的流体输入流道入口 相连通，所述原溶液分流模块的该r-l个流体流道出口中的任意一个流体流道出口仅与一 个汇合模块的流体输入流道入口相连通；r-l个汇合模块的流体输出流道分别与流体收集模块的输入流道相连通。
4、 一种流阻测量器，其特征在于，由一个原溶液驱动泵、 一个分流模块、 一个汇合 模块，两个流体变阻模块和一个待测微流管道组成；所述分流模块的微流道单元由1条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过 渡流道与该1条线性输入流道相连通的2条线性输出流道组成；所述线性输入流道和线 性输出流道的横截面面积相等;所述汇合模块的微流道单元由2条线性输入流道和通过与之垂向放置的一条线性过 渡流道与该2条线性输入流道相连通的1条线性输出流道组成；所述线性输入流道和线 性输出流道的横截面面积相等；所述流体变阻模块的微流道单元由呈蜿蜒状排布的横截面面积相等的线性微流道组 成，该线性微流道仅有l个流道入口；所述待测微流管道由一条具有一个流体流道入口和一个流体流道出口的线性流体流道；所述的分流模块的流体输入流道与原溶液驱动泵相连通，该分流模块的2条流体输 出流道分别与一个流体变阻模块的流道入口和待测微流管道的流体流道入口相连通；所述汇合模块的2条流体输入流道分别与待测微流管道的流体流道出口和另一个流体变阻模块的流道入口相连通；待测微流管道的流体流道入口处的流体压强等于与分流模块相连的流体变阻模块内的流体压强；待测微流管道的流体流道出口处的流体压强等于与汇合模块相连的流体变阻模块内 的流体压强；两个流体变阻模块内的流体压强之间的差值为待测微流管道内的流体压强降低值； 待测微流管道内的流体压强降低值与原溶液驱动泵设定的流体输出流量的比值为流 体的流阻值。
全文摘要
本发明涉及功能性的微流道单元模块、流体浓度梯度发生器及流阻测量器；该微流道单元模块涉及流体分流模块、流体汇合模块、流体变阻模块、流体收集模块和流体调速模块等；可以根据需要选择合适的微流道单元模块构建成不同的微流网络系统，比如用于流体流阻测量的流阻测量器，流体操纵以及流体浓度梯度的产生的流体线性浓度梯度发生器和流体任意浓度梯度发生器等，可以大大减少浓度梯度装置的制备时间，降低对微加工设备的依赖，并能随时替换模块化系统中损坏的模块，保持系统的稳定性；可广泛应用于物理、化学以及生物领域。
文档编号G01N31/00GK101614717SQ20081017239
公开日2009年12月30日 申请日期2008年11月4日 优先权日2008年6月26日
发明者康 孙, 蒋兴宇 申请人:国家纳米科学中心