專利名稱：微流分配裝置、其制備方法及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微量試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，準(zhǔn)確地說(shuō)屬于微流分配領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大部分生物化學(xué)反應(yīng)和基于細(xì)胞的化學(xué)化驗(yàn)，尤其是大規(guī)模的篩選試驗(yàn)和單細(xì)胞層次上 的生命科學(xué)研究，都是在體積在納升到微升的液相中進(jìn)行的。小體積反應(yīng)不僅減少了單個(gè)反 應(yīng)的成本，而且為反應(yīng)的有效進(jìn)行提高了試劑濃度，同時(shí)大大減少了試劑的浪費(fèi)。這些試驗(yàn) 通常都是非常艱巨的，需要進(jìn)行大量的移液操作來(lái)轉(zhuǎn)移液體樣品?，F(xiàn)在，微升級(jí)別的精確的 小體積液體樣品分配器已經(jīng)商品化了，但是，如何進(jìn)一步拓展到納升級(jí)別，則依然是大批量 反應(yīng)所面對(duì)的主要挑戰(zhàn)之一。另外一方面， 一些其他的方法，如非接觸式噴印和超聲噴霧液 等已被應(yīng)用到液體轉(zhuǎn)移領(lǐng)域，但是這些技術(shù)通常只能進(jìn)行皮升級(jí)別的移液操作，而且設(shè)備造 價(jià)昂貴，難以高度并行集成以適應(yīng)大批量的操作。
微流技術(shù)由于具有準(zhǔn)確的液體操作潛能而成為了納升級(jí)別的反應(yīng)的理想平臺(tái)。能進(jìn)行準(zhǔn) 確的亞微升液體操作的大批量、小型化的反應(yīng)陣列己經(jīng)成為了新藥研制、基因探測(cè)、蛋白質(zhì) 結(jié)晶、反應(yīng)條件篩選和細(xì)胞相關(guān)的研究等領(lǐng)域的強(qiáng)大工具。現(xiàn)在已有一些可替代傳統(tǒng)方法的 微流移液方法，如具有多層軟平板印刷制備的氣動(dòng)閥的高度集成的芯片、用來(lái)進(jìn)行參數(shù)篩選 的時(shí)序液滴微流芯片等。
雖然這些技術(shù)顯著減小了反應(yīng)體積、增大了反應(yīng)規(guī)模，但是它們一般只能在封閉的反應(yīng) 空間如聚二甲基硅氧垸(PDMS)微室或液塞中工作，同吋，它們依然存在設(shè)備造價(jià)昂貴、 操作方法復(fù)雜等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種適于大批量試驗(yàn)、可在開(kāi)放空間中 使用、造價(jià)低廉、使用方便的納升微流分配裝置，本發(fā)明還提供一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的制備該微 流分配裝置的方法，并提供數(shù)種該裝置在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。
在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)"芯片"指的是片狀或者板狀的物體，具有一定的厚度；可以是單層 結(jié)構(gòu)，也可以是多層結(jié)構(gòu)；其形狀可以是任何形狀，優(yōu)選為具有至少一條直邊的形狀，進(jìn)一 步優(yōu)選為梯形、正方形、長(zhǎng)方形；其材料可以是任何材料，優(yōu)選為玻璃、陶瓷、砝、金屬、 聚合物，進(jìn)一步優(yōu)選為可塑性聚合物，例如可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、丙烯腈-丁二烯 -苯乙烯共聚物、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、環(huán)狀聚烯烴共聚合物(Cyclic Olefin Copolymers; COC)、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚砜、尼龍、苯乙烯-丙烯酸共聚物或者以上 任意兩種以上的混合物。
術(shù)語(yǔ)"微流通道"是指設(shè)置在微流分配芯片內(nèi)部的液體樣品流經(jīng)的通道，液體樣品可以 借助毛細(xì)力或者同時(shí)借助毛細(xì)力和外力沿著微流通道流動(dòng)，所述外力可以是泵力、離心力、 真空或其他類似的可以拉動(dòng)或推動(dòng)液體樣品沿著微流通道流動(dòng)的力。
術(shù)語(yǔ)"一條微流通道"的含義如下當(dāng)微流通道是兩條或者多于兩條并列的微流通道時(shí)， 同一微流通道在微流分配芯片上的兩個(gè)開(kāi)口之間的微流通道為"一條微流通道"；當(dāng)微流通道 是至少一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少一次分叉而形成的微流通道樹(shù)時(shí)，任意兩個(gè)相鄰的分 叉點(diǎn)之間的微流通道或者任意一個(gè)開(kāi)口與其相鄰的分叉點(diǎn)之間的微流通道為"一條微流通 道"。
術(shù)語(yǔ)"分叉"指的是一條微流通道分為兩條或多于兩條微流通道；"二分叉"指的是一條 微流通道分為兩條微流通道。
術(shù)語(yǔ)"親水"和"疏水"除非另外說(shuō)明，指的是相對(duì)的概念。例如，"微井芯片的微井內(nèi) 表面涂覆有親水材料，而微井芯片微井開(kāi)口那一側(cè)的外表面涂覆有疏水材料"，指的是微井芯 片微井開(kāi)口那一側(cè)的外表面涂覆有比微井內(nèi)表面涂覆的材料更加疏水的材料。
本發(fā)明是通過(guò)如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。 一種微流分配裝置，包括一個(gè)微流分配芯片，所 述微流分配芯片具有至少一個(gè)微流層；所述至少一個(gè)微流層中具有至少兩條并列的微流通道 或者至少一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少一次分叉而形成的微流通道樹(shù)；所述至少兩條并列 的微流通道中，其中每一條微流通道在微流分配芯片上都具有兩個(gè)開(kāi)口，其中的一個(gè)開(kāi)口為 微流入口，另外一個(gè)開(kāi)口為微流出口；所述微流通道樹(shù)中，根微流通道在微流分配芯片上的 開(kāi)口為微流入口，而其他由分叉形成的微流通道在微流分配芯片上的開(kāi)口為微流出口；所述 微流通道橫截面積為lwm2~lmm2，且除了入口、出口與外界相通外，其他部分都在微流分 配芯片的內(nèi)部。至少兩條并列的微流通道中，各條微流通道可以分配相同的液體樣品，也可 以分配不相同的液體樣品；可以通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)微流通道中的液體樣品施加的外力大小和微流通 道的橫截面積大小來(lái)調(diào)整微流通道中液體樣品的流量。至少一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少 一次分叉而形成的微流通道樹(shù)中，由于一個(gè)微流通道樹(shù)只有一個(gè)微流入口，因此同一個(gè)微流 通道樹(shù)的微流通道中的液體樣品是相同的，同樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)微流通道中的液體樣品施加 的外力大小和微流通道的橫截面積大小來(lái)調(diào)整微流通道中液體樣品的流量；而不同的微流通 道樹(shù)中的液體樣品可以相同，也可以不相同；兩個(gè)以上的微流通道樹(shù)可以并置在同一個(gè)微流層中，也可以分布在不同的微流層中；當(dāng)兩個(gè)以上的微流通道樹(shù)分布在不同的微流層中的時(shí) 候，它們可以彼此錯(cuò)開(kāi)，也可以相互疊加在一起。
微流分配裝置還可以包括一個(gè)與微流分配芯片配合使用的供微流分配芯片在其上分配液 體樣品的微流承載芯片。只要是可以接受來(lái)自微流分配芯片的液體樣品的芯片都可以作為微 流承載芯片，其形狀、材料都沒(méi)有要求，例如可以是玻璃片、硅片、金屬片、塑料片等。優(yōu) 選地，可以在微流承載芯片上設(shè)置微井，微井的大小可以根據(jù)需要設(shè)置，例如可以是幾納升 到幾微升；微井的排列方式與微流分配芯片上的微流通道出口的排列方式相適應(yīng)，例如，如 果微流分配芯片上的微流通道出口是等間距地排列在微流分配芯片的側(cè)壁上，則微井也以相 同的等間距、成行地排列在微流承載芯片上。進(jìn)一步優(yōu)選地，可以在微井內(nèi)表面和微井開(kāi)口 那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆親水性能不同的材料，這樣做的好處是有利于液體樣品的 分配并且可以防止不同微井之間的液體樣品相互污染。例如，如果所分配的液體樣品是水性 的，則在微井內(nèi)表面涂覆親水材料，而微井開(kāi)口那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆疏水材料， 當(dāng)從微流通道出口流出的液體樣品接觸到微井內(nèi)表面的時(shí)候，由于表面張力的作用，液滴會(huì) 被限制在微井內(nèi)而不會(huì)被帶到微流承載芯片外表面或者其他的微井里。反之，如果所分配的 液體樣品是油性的，則在微井內(nèi)表面涂覆疏水材料，而微井開(kāi)口那一側(cè)的微流承載芯片外表 面涂覆親水材料，這樣能達(dá)到同樣的效果。
微流分配芯片中并列的微流通道的數(shù)目可以根據(jù)需要設(shè)置，例如可以是10條。優(yōu)選地， 所述并列的微流通道可以平行、等間距地排列在微流分配芯片上；進(jìn)一步優(yōu)選地，微流通道 出口所在的側(cè)壁平面與微流分配芯片所在的平面的夾角為一銳角，例如可以是10° 80° ， 這樣，從微流通道中出來(lái)的液體樣品會(huì)在重力和表面張力的作用下集中到所述銳角的尖端， 有利于將液體樣品分配到準(zhǔn)確的位置。
微流分配芯片中的微流通道樹(shù)是這樣形成的由最初的一條與微流入口相連的微流通道 (稱之為"根微流通道")分叉而形成兩條以上的新的微流通道，而每一條新的微流通道又可 以分叉形成各自新的微流通道，所有這些微流通道一起組成一個(gè)微流通道樹(shù)。優(yōu)選地，微流 通道樹(shù)的分叉為二分叉，由一條微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成兩條新的微流通道，上述三條微 流通道一起形成字母Y形或者字母T形，新的微流通道又可以二分叉。進(jìn)一步優(yōu)選地，微流 通道樹(shù)以根微流通道為軸左右對(duì)稱，分叉形成的新的微流通道通過(guò)一個(gè)弧形部分轉(zhuǎn)到與根微 流通道平行的方向上，除上述弧形部分外，微流通道的其他部分都是直線形。更進(jìn)一步優(yōu)選 地，所有微流通道的橫截面積相同，微流出口等間距地排列在微流分配芯片的同一個(gè)側(cè)壁上， 所述側(cè)壁所在的平面與微流分配芯片所在的平面的夾角為一銳角，例如可以是10° ~80° 。 通過(guò)上述手段可以使得在相同時(shí)間內(nèi)從各個(gè)微流通道出口分配出來(lái)的液體樣品體積接近相同。
微流分配芯片中除了設(shè)置至少一個(gè)微流層之外，還可以進(jìn)一步設(shè)置至少一個(gè)微流控制層， 微流控制層具有微流控制通道，微流控制通道在與微流通道對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有可以控制微流通 道開(kāi)或閉的閥門。所述閥門可以是集成彈性液壓闊門，此時(shí)微流分配芯片的材料應(yīng)為柔性材 料。這樣就可以根據(jù)需要同過(guò)微流控制通道控制微流通道的打開(kāi)或閉合了 。
微流分配芯片與微流承載芯片一起使用的時(shí)候，最好通過(guò)由計(jì)算機(jī)控制的三位平臺(tái)進(jìn)行， 這樣可以保證液體樣品的分配快速而精確。
微流分配芯片可以通過(guò)如下簡(jiǎn)單而廉價(jià)的方法制備。
(1) 準(zhǔn)備一塊具有微流通道圖案的鏤空的遮光板；
(2) 在一塊基板上均勻地涂覆一層光刻膠，烘烤使其固化；
(3) 在遮光板的遮擋下，使用紫外光對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光；
(4) 用顯影劑對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影，得到具有微流通道圖案的模板；
(5) 在模板上涂覆一層未固化的可塑性聚合物，對(duì)其進(jìn)行固化后將其從模板上揭下，在 微流通道的合適位置打孔以形成微流入口 ；
(6) 在基片上涂覆一層未硬化的可塑性聚合物并對(duì)其固化，將其與步驟(5)中得到的聚合 物層的具有微流通道的那一面粘結(jié)在一起，將粘結(jié)在一起的聚合物層進(jìn)一步固化；
(7) 從基片上取下已固化的聚合物層，沿著微流通道的終端切除掉多余的聚合物以形成 微流出口。
上述基板可以是任何材料制成的具有光滑表面的平板，例如可以是金屬片、硅片、玻璃 片、陶瓷片、塑料片等；光刻膠沒(méi)有特別的限制，可塑性聚合物也沒(méi)有特別的限制，例如可 以是聚二甲基硅氧垸(PDMS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯 (PVC)、聚偏二氟乙烯、聚苯乙烯、聚砜、尼龍、苯乙烯-丙烯酸共聚物或者以上任意兩種 以上的混合物。
本發(fā)明的微流分配裝置可以在微流體、微分析、藥物篩選、細(xì)胞檢測(cè)、組合化學(xué)反應(yīng)等 多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。
本發(fā)明技術(shù)方案總結(jié)如下
1. 一種微流分配裝置，包括一個(gè)微流分配芯片，其特征在于所述微流分配芯片具有至少 一個(gè)微流層所述至少一個(gè)微流層中具有至少兩條并列的微流通道或者至少一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少一次分叉而形成的微流通道樹(shù)；所述至少兩條并列的微流通道中，其中每一 條微流通道在微流分配芯片上都具有兩個(gè)開(kāi)口，其中的一個(gè)開(kāi)口為微流入口，另外一個(gè)開(kāi)口 為微流出口所述微流通道樹(shù)中，根微流通道在微流分配芯片上的開(kāi)口為微流入口，而其他 由分叉形成的微流通道在微流分配芯片上的開(kāi)口為微流出口；所述微流通道橫截面積為1U m2~lmm2，且除了入口、出口與外界相通外，其他部分都在微流分配芯片的內(nèi)部。
2. 根據(jù)第1項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于該微流分配裝置還包括一個(gè)與微流分配 芯片配合使用的可以接受微流分配芯片分配出來(lái)的液體樣品的微流承載芯片。
3. 根據(jù)第2項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于所述微流承載芯片上設(shè)置有至少兩個(gè)可 以用來(lái)容納微流分配芯片分配出來(lái)的液體樣品的微井，微井的排列方式與微流分配芯片上的 微流通道出口的排列方式相適應(yīng)。
4. 根據(jù)第3項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流通道樹(shù)的分叉為二分叉，由一條微 流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成兩條新的微流通道，上述三條微流通道一起形成字母Y形或者字母 T形，新的微流通道又可以二分叉。
5. 根據(jù)第3或第4項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流通道樹(shù)以根微流通道為軸左 右對(duì)稱，分叉形成的新的微流通道通過(guò)一個(gè)弧形部分轉(zhuǎn)到與根微流通道平行的方向上，除上 述弧形部分外，微流通道的其他部分都是直線形。
6. 根據(jù)第5項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微井內(nèi)表面涂覆有親水材料，而微井開(kāi) 口那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆有疏水材料；或者微井內(nèi)表面涂覆有疏水材料，而微井 開(kāi)口那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆有親水材料。
7. 根據(jù)第6項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流出口等間距地排列在微流分配芯片 的同一個(gè)側(cè)壁上。
8. 根據(jù)第7項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于所述側(cè)壁所在的平面與微流分配芯片所 在的平面的夾角為10° ~80° 。
9. 根據(jù)第8項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于所有微流通道的橫截面積相同。
10. 根據(jù)第1-4、 6-9中的任意一項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流分配芯片由柔 性材料構(gòu)成。
11. 根據(jù)第IO項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流分配芯片還包括至少一個(gè)微流控 制層，微流控制層具有微流控制通道，微流控制通道在與微流通道對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有可以控制 微流通道開(kāi)或閉的閥門。
12. 根據(jù)第11項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于所述閥門為集成彈性液壓閥門。13. 根據(jù)第l-12項(xiàng)所述的微流分配芯片的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟
(8) 準(zhǔn)備一塊具有微流通道圖案的鏤空的遮光板；
(9) 在一塊基板上均勻地涂覆一層光刻膠，烘烤使其固化；
(10) 在遮光板的遮擋下，使用紫外光對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光；
(11) 用顯影劑對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影，得到具有微流通道圖案的模板；
(12) 在模板上涂覆一層未固化的可塑性聚合物，對(duì)其進(jìn)行固化后將其從模板上揭下，在 微流通道的合適位置打孔以形成微流入口 ；
(13) 在基片上涂覆一層未硬化的可塑性聚合物并對(duì)其固化，將其與步驟(5)中得到的聚合 物層的具有微流通道的那一面粘結(jié)在一起，將粘結(jié)在一起的聚合物層進(jìn)一步固化；
從基片上取下已固化的聚合物層，沿著微流通道的終端切除掉多余的聚合物以形成
14. 根據(jù)第1-12項(xiàng)所述的微流分配芯片在微流體、微分析、藥物篩選、細(xì)胞檢測(cè)、組合 化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖1具有多條并列微流通道的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖2具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖3另一種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖4第三種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖5第四種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖6具有兩組微流通道樹(shù)的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖7具有一個(gè)微流層和一個(gè)微流控制層的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖8具有微井陣列的微流承載芯片結(jié)構(gòu)示意圖
圖9具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片制備過(guò)程示意圖
圖10微流分配裝置工作過(guò)程圖
圖11微流分配裝置工作過(guò)程示意圖
圖12微流分配裝置工作過(guò)程圖
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
下面將參照附圖1對(duì)具有多條并列的微流通道的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖l(a)為微流分配芯片的正視圖，圖l(b)為沿著I-I方向的截面視圖，ll為微流通道，12為微 流通道的入口， 13為微流通道的出口。
實(shí)施例2
下面將參照附圖2對(duì)具有一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)多次分叉而形成的微流通道樹(shù)的微 流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖2(a)為微流分配芯片的正視圖，圖2(b)為沿著I-I方向 的截面視圖，21a為根微流通道，21b為由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流通道，22 為微流通道的入口， 23為微流通道的出口。兩條由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流 通道21b與根微流通道21a —起形成字母Y形。
實(shí)施例3
下面將參照附圖3對(duì)另一種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 圖3(a)為微流分配芯片的正視圖，圖3(b)為沿著I - I方向的截面視圖，31a為根微流通道， 31b為由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流通道，32為微流通道的入口， 33為微流通 道的出口 。兩條由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流通道31b與根微流通道31a —起 形成字母T形。
實(shí)施例4
下面將參照附圖4對(duì)第三種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 圖4(a)為微流分配芯片的正視圖，圖4(b)為沿著I - I方向的截面視圖，41a為根微流通道， 41b為由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流通道，42為微流通道的入口， 43為微流通 道的出口。兩條由根微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成的新的微流通道31b與根微流通道31a —起 形成字母T形。整個(gè)微流通道樹(shù)以根微流通道41a為軸左右對(duì)稱，41b通過(guò)一個(gè)弧形部分44 轉(zhuǎn)到與根微流通道平行的方向上，除上述弧形部分44外，微流通道的其他部分都是直線形。
實(shí)施例5
下面將參照附圖5對(duì)第四種具有一組微流通道樹(shù)的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 圖5(a)為微流分配芯片的正視圖，圖5(b)為沿著I-I方向的截面視圖，圖5(c)為沿著n-II方 向的截面視圖。本實(shí)施例中的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例4中的相似，不同的是微流通道 出口所在的側(cè)壁的平面與微流分配芯片所在的平面呈一個(gè)銳角a ，從微流通道中流出的液體 樣品在表面張力和重力的作用下集中在銳角的頂端，這樣有利于將液體樣品分配到準(zhǔn)確的位 置。
實(shí)施例6
下面將參照附圖6對(duì)具有兩個(gè)微流層和兩組微流通道樹(shù)的微流分配芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖6(a)為微流分配芯片的正視圖，圖6(b)為沿著I-I方向的截面視圖，圖6(c)為沿著 II-II方向的截面視圖。上層的微流層中的微流通道用黑色實(shí)線表示，而下層的微流層中的微 流通道用灰色實(shí)線表示。兩組微流通道樹(shù)可以分配不同的液體樣品，如圖6(c)所示，操作過(guò) 程中，兩種不同的液體樣品在微流分配芯片下端匯聚并混合。
實(shí)施例7
下面將參照附圖7對(duì)由柔性材料構(gòu)成的具有一個(gè)微流層和一個(gè)微流控制層的微流分配芯 片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖7(a)為微流分配芯片的正視圖，圖7(b)為沿著I-I方向的截面視 圖，圖7(c)為沿著II-II方向的截面視圖。上層為微流控制層，其中的微流控制通道用黑色實(shí) 線表示;下層為微流層，其中的微流通道用灰色實(shí)線表示。微流控制通道一共有四條，分別 為751、 752、 753和754，具有出口的微流通道一共四條，分別為731、 732、 733和734。微 流控制通道在微流分配芯片上只有一個(gè)開(kāi)口，另一端被封死在微流分配芯片內(nèi)部，其中通入 氣體，氣體的壓力可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。微流控制通道在與微流通道相交的某些位置設(shè)有膨大 的腔體(如圖7(a)中的黑色方框所示，此膨大的腔體即權(quán)利要求12所述的集成彈性液壓閥門)， 因此在這些部位，微流通道與微流控制通道之間的壁較薄(如圖7(b)所示)。當(dāng)微流控制通道 中的氣壓超過(guò)一個(gè)臨界值P。的時(shí)候，膨大的腔體便會(huì)發(fā)生膨脹，從而將下層對(duì)應(yīng)位置的微流 通道堵死。圖7(c)表示了 751通道中氣壓未超過(guò)Pc，而753通道中氣壓超過(guò)Pe的情況。這樣， 通過(guò)控制微流控制通道中氣壓的大小，便可以隨意控制每個(gè)微流分配通道的開(kāi)和閉。例如， 如果要將732通道打開(kāi)，同時(shí)將其他的微流分配通道關(guān)閉，則只需把752和754通道的氣壓 降低到Pc以下，同時(shí)把751和753通道的氣壓升高到Pe以上即可。 實(shí)施例8
下面將參照附圖8對(duì)具有多個(gè)微井的微流承載芯片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖8(a)為微流 承載芯片的正視圖，圖8(b)為沿著I-I方向的截面視圖。81為微井，82為微井內(nèi)表面，83 為微井承載芯片的外表面。微井在微流承載芯片上的排列應(yīng)與配套使用的微流分配芯片相適 應(yīng)，例如，如果微流分配芯片的微流分配出口是等間距地排列的，則微井也應(yīng)當(dāng)以相同的等 間距排列在微流承載芯片上。82和83涂覆有親水性能相反的材料。
實(shí)施例9
微流分配芯片的制備。下面將參照附圖9對(duì)僅包括一個(gè)微流層的微流分配芯片(如實(shí)施 例1-5中的微流分配芯片)的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。(a)準(zhǔn)備一塊3〃的硅片，對(duì)其表面進(jìn)行 清洗并烘干。(b)在硅片上旋涂上一層約100um的光刻膠SU-8;準(zhǔn)備一塊具有微流通道圖 案的鏤空的遮光板，在遮光板的遮擋下對(duì)SU-8用300 mJ/cm2中心波長(zhǎng)為365nm的紫外光進(jìn)行照射，然后將SU-8在65'C烘烤3分鐘，95'C烘烤10分鐘，用顯影劑顯影，最后將硅片在 15(TC烘烤3小時(shí)以使SU-8充分交聯(lián)，從而得到微流分配芯片的模板。(c)室溫下，將模板 在三甲基氯硅烷的蒸汽中處理5分鐘，再在其上覆蓋一層4mm未固化的PDMS，然后在80 'C烘烤1小時(shí)固化PDMS。 (d)將固化好的PDMS從模板上揭下來(lái)，在預(yù)定的位置打孔形成 微流入口。(e)將此PDMS層的具有微流通道那一面與一個(gè)已固化的PDMS薄層粘結(jié)在一起， 然后在80'C烘烤過(guò)夜對(duì)PDMS進(jìn)行充分固化。(f)在合適的位置用刀片切除掉多余的PDMS， 以形成微流出口。 實(shí)施例10
具有多個(gè)微流層、或者具有多個(gè)微流層和微流控制層的微流分配芯片制備。制備方法與 實(shí)施例9中的微流分配芯片的制備方法相似。如果不同層的通道的結(jié)構(gòu)不相同，則應(yīng)當(dāng)重復(fù) 實(shí)施例9中的(a)和(b)步驟，分別得到不同圖案的模板，再分別利用各自的模板制備具有不同 結(jié)構(gòu)的通道的PDMS層，最后把這些PDMS層粘接在一起充分固化，形成微流出口和入口后 即可。如果不同層的通道的結(jié)構(gòu)相同，則可以用同一個(gè)模板制備得到所需數(shù)量的PDMS層， 然后把這些PDMS層粘接在一起充分固化，形成微流出口和入口后即可。
實(shí)施例11
具有微井的微流承載芯片的制備。準(zhǔn)備一塊一面涂覆有鉻膜的玻璃板，在鉻膜上旋涂一 層SU-8，在具有設(shè)計(jì)好圖案的遮光板的遮擋下對(duì)SU-8用150 mJ/cm2中心波長(zhǎng)為365nm的紫 外光進(jìn)行照射，然后將SU-8在65'C烘烤3分鐘，95'C烘烤10分鐘，用顯影劑顯影，然后將 玻璃片在150'C烘烤3小時(shí)以使SU-8充分交聯(lián)。用刻蝕劑對(duì)鉻膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕過(guò)的絡(luò)膜隨 后用做刻蝕玻璃的掩模板。最后用氫氯酸和氫氟酸的混合酸(摩爾比HC1:HF:H20 = 1:1:2)對(duì) 玻璃板進(jìn)行刻蝕?？涛g完成后，玻璃板上便形成了微井，微井容量的大小可以由掩模板圖案 的尺寸以及刻蝕的時(shí)間控制。微井承載芯片的外表面用1H,1H，2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷 進(jìn)行修飾，以形成疏水的外表面。具體做法是將5微升lH,lH,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅 烷溶于2.5毫升甲苯形成溶液，取0.8毫升此溶液旋涂到一個(gè)硅片上，然后將溶液印到一個(gè)平 整的PDMS印章上，再將涂有溶液的PDMS印章平面與微井承載芯片的外表面接觸20分鐘， 微井承載芯片的外表面即涂覆上了一層疏水的lH,lH，2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅垸，接觸角 為95° 。
實(shí)施例12
下面將參照附圖10和11對(duì)微流分配裝置的工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。微流分配芯片和具 有微井陣列的微流承載芯片分別按照實(shí)施例9和11的方法制備。具有微井陣列的微流承載芯片的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖8,微流分配芯片的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。微流通道的橫截面尺寸為100u mX100!im，微井的容積約為120納升。由于在微流分配裝置的工作過(guò)程中，微流分配芯片 與微流承載芯片的相對(duì)位置對(duì)于操作精度至關(guān)重要，使用了一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的三維移動(dòng)平 臺(tái)來(lái)控制芯片的移動(dòng)。微流通道中的液體樣品在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮 空氣壓強(qiáng)的大小方便地調(diào)節(jié)微流分配的速度。圖10(a)是分配微流之前的狀態(tài)；圖10(b)是微 流分配過(guò)程中的狀態(tài)，從中可以清楚地看到微流通道出口處掛著液體樣品的小液滴；圖10(c) 是分配了液體樣品的微流承載芯片，分配方式為隔行分配；圖10(d)為圖10(c)中虛線框部分 的放大圖；圖10(e)為分配了熒光素溶液的微流承載芯片的熒光顯微照片。使用本實(shí)施例中的 微流分配裝置可以準(zhǔn)確地分配幾納升到幾百納升的液體樣品，當(dāng)一次分配115納升的液體樣 品的時(shí)候，不同通道之間的誤差小于6%。
圖11詳細(xì)展示了微流分配裝置的工作過(guò)程,分配的液體樣品為硫氰化鉀水溶液。圖ll(a): 在三維平臺(tái)的控制下，微流分配芯片的微流出口向微井移動(dòng)；圖ll(b):在脈沖壓力的驅(qū)動(dòng)下 生成一個(gè)液滴；圖11(C):液滴不斷增大，接觸并浸潤(rùn)到微井親水的內(nèi)表面；圖ll(d):微流 分配芯片繼續(xù)前移，液滴便留在了微井里。由這個(gè)過(guò)程可以看到，相鄰的微井里的液體樣品 不會(huì)相互污染。 實(shí)施例13
微流分配裝置的工作過(guò)程。本實(shí)施例的微流分配裝置中的微流分配芯片結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖 7。圖12清楚地展示了該微流分配裝置的工作過(guò)程。圖12(a):具有8個(gè)分配通道的微流分配 芯片的外觀圖；圖12(b):右起第1個(gè)微流通道被打開(kāi)，而其他的微流通道被關(guān)閉；圖12(C): 右起第3個(gè)微流通道被打開(kāi)，而其他的微流通道被關(guān)閉；圖12(d)-(f):用微流分配芯片在不 同的位置分配液體樣品形成的圖形字母"N"、鋸齒狀和"PKU"。
權(quán)利要求
1. 一種微流分配裝置，包括一個(gè)微流分配芯片，其特征在于所述微流分配芯片具有至少一個(gè)微流層；所述至少一個(gè)微流層中具有至少兩條并列的微流通道或者至少一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少一次分叉而形成的微流通道樹(shù)；所述至少兩條并列的微流通道中，其中每一條微流通道在微流分配芯片上都具有兩個(gè)開(kāi)口，其中的一個(gè)開(kāi)口為微流入口，另外一個(gè)開(kāi)口為微流出口；所述微流通道樹(shù)中，根微流通道在微流分配芯片上的開(kāi)口為微流入口，而其他由分叉形成的微流通道在微流分配芯片上的開(kāi)口為微流出口；所述微流通道橫截面積為1μm2～1mm2，且除了入口、出口與外界相通外，其他部分都在微流分配芯片的內(nèi)部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流分配裝置，其特征在于該微流分配裝置還包括一個(gè)與微流 分配芯片配合使用的可以接受微流分配芯片分配出來(lái)的液體樣品的微流承載芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流分配裝置，其特征在于所述微流承載芯片上設(shè)置有至少兩 個(gè)可以用來(lái)容納微流分配芯片分配出來(lái)的液體樣品的微井，微井的排列方式與微流分配芯片 上的微流通道出口的排列方式相適應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微流分配裝置，其特征在于微流通道樹(shù)的分叉為二分叉，由一 條微流通道經(jīng)過(guò)二分叉而形成兩條新的微流通道，上述三條微流通道一起形成字母Y形或者 字母T形，新的微流通道又可以二分叉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的微流分配裝置，其特征在于微流通道樹(shù)以根微流通道為軸 左右對(duì)稱，分叉形成的新的微流通道通過(guò)一個(gè)弧形部分轉(zhuǎn)到與根微流通道平行的方向上，除 上述弧形部分外，微流通道的其他部分都是直線形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流分配裝置，其特征在于微井內(nèi)表面涂覆有親水材料，而微 井開(kāi)口那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆有疏水材料；或者微井內(nèi)表面涂覆有疏水材料，而 微井開(kāi)口那一側(cè)的微流承載芯片外表面涂覆有親水材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微流分配裝置，其特征在于微流出口等間距地排列在微流分配 芯片的同一個(gè)側(cè)壁上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微流分配裝置，其特征在于所述側(cè)壁所在的平面與微流分配芯 片所在的平面的夾角為10° ~80° 。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的微流分配裝置，其特征在于所有微流通道的橫截面積相同。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-9的任意一項(xiàng)所述的微流分配裝置，其特征在于微流分配芯片由柔性 材料構(gòu)成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的微流分配裝置，其特征在于微流分配芯片還包括至少一個(gè)微流控制層，微流控制層具有微流控制通道，微流控制通道在與微流通道對(duì)應(yīng)的位置設(shè)有可以 控制微流通道開(kāi)或閉的閥門。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的微流分配裝置，其特征在于所述閥門為集成彈性液壓闊門。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l-12所述的微流分配芯片的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1) 準(zhǔn)備一塊具有微流通道圖案的鏤空的遮光板；(2) 在一塊基板上均勻地涂覆一層光刻膠，烘烤使其固化；(3) 在遮光板的遮擋下，使用紫外光對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光；(4) 用顯影劑對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影，得到具有微流通道圖案的模板；(5) 在模板上涂覆一層未固化的可塑性聚合物，對(duì)其進(jìn)行固化后將其從模板上揭下，在 微流通道的合適位置打孔以形成微流入口；(6) 在基片上涂覆一層未硬化的可塑性聚合物并對(duì)其固化，將其與步驟(5)中得到的聚合 物層的具有微流通道的那一面粘結(jié)在一起，將粘結(jié)在一起的聚合物層進(jìn)一步固化；(7) 從基片上取下己固化的聚合物層，沿著微流通道的終端切除掉多余的聚合物以形成 微流出口。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l-12所述的微流分配芯片在微流體、微分析、藥物篩選、細(xì)胞檢測(cè)、 組合化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流分配裝置、其制備方法及用途，屬于微量試驗(yàn)設(shè)備領(lǐng)域，準(zhǔn)確地說(shuō)屬于微流分配領(lǐng)域。本發(fā)明的微流分配裝置包括一個(gè)微流分配芯片，該芯片具有至少一個(gè)微流層；每個(gè)微流層中具有至少兩條并列的微流通道或者一組由一條根微流通道經(jīng)過(guò)至少一次分叉而形成的微流通道樹(shù)；所述微流通道橫截面積為1μm²～1mm²，且除了入口、出口與外界相通外，其他部分都在微流分配芯片的內(nèi)部。本發(fā)明的微流分配裝置廉價(jià)且易于制造，能夠準(zhǔn)確地分配納升級(jí)別的液體樣品，在微流體、微分析、藥物篩選、細(xì)胞檢測(cè)、組合化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101533005SQ20091008187
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者瑩 周, 席建忠, 王建斌, 黃巖誼 申請(qǐng)人:北京大學(xué)