[发明专利]一种利用层流和趋化作用分离细菌的微流控芯片装置

说明书

技术领域

本发明属于生物微流控芯片领域，具体涉及一种利用层流和趋化作用分离细菌的微流控芯片装置。

背景技术

细菌分离是指从细菌和细胞的混合物、或是多种细菌混合物中分离出感兴趣细菌的过程，它在食品工业、水质检测、生物工程、制药工业和临床医学上都有十分重要的意义。

传统的细菌分离是在琼脂培养基中进行的，培养条件苛刻、费时，且分离培养过程易受杂菌的污染，故基于这种方法的细菌分离培养常不能获得理想结果。近年来，微流控技术的发展使得细菌的快速分离成为可能。利用细菌在层流中的泳动和翻滚特性，人们建立了多种分离细菌的微流控芯片，然而这些细菌分离芯片的分离效率仍然偏低。因此，建立一种快速、高效的细菌分离方法显得尤为重要。

有运动能力的细菌，其膜表面存在各种具有专一性的化学受体，细菌可以通过它们感受周围化学诱导物浓度的变化，并通过胞内的信号传递系统将感应到的化学信息转变成细胞内的信号，进而由这种信号控制细菌鞭毛的运动方向，产生相对应的趋化性运动，趋利避害。遇到化学吸引剂时，细菌向高浓度吸引剂的方向直线泳动。反之，遇到驱斥剂时，细菌立即产生翻滚运动并沿驱斥剂浓度梯度递减的方向泳动。当吸引剂或驱斥剂的浓度信号随时间发生变化时，细菌的运动还呈现出随信号强度和频率依赖的特性。细菌的这种化学趋向性行为使得应用微流控技术进行快速、高效的细菌分离成为可能。

基于此，本发明提出一种基于流体力学原理精确调控诱导物浓度梯度环境的微流控芯片装置，利用细菌在层流中的趋化性行为将细菌进行快速、高效的分离。

发明内容

本发明的设计目的在于提供一种快速、高效分离细菌的微流控芯片装置，设计中利用微流控技术对化学诱导试剂(吸引剂和驱斥剂)浓度的时间梯度和空间梯度进行定量控制，结合细菌在层流中的泳动、翻滚以及趋化特性，实现微尺寸下的细菌分离操作。

本发明中，该装置包括分离细菌的微流控芯片和诱导试剂浓度控制系统两部分(图1)。其中，微流控芯片是一种集成了诱导试剂入口、细菌入口、细菌分离通道、细菌收集出口和废液出口的近似“X”型的PDMS-玻璃芯片(图2)。

本发明的技术方案如下：

一种利用层流和趋化作用分离细菌的微流控芯片装置，该微流控芯片装置包括：诱导试剂A入口，细菌入口，诱导试剂B入口，诱导试剂A注入通道，细菌注入通道，诱导试剂B注入通道，细菌分离通道，细菌输出通道，废液输出通道，细菌收集出口和废液出口。其中，细菌分离通道是一条横截面为矩形扁平通道，其高度H远小于宽度W和长度L并且尺寸在微米或毫米量级，入口与诱导试剂A注入通道、细菌注入通道和诱导试剂B注入通道相通，出口与细菌输出通道和废液输出通道相通。

诱导试剂入口、细菌入口、诱导试剂注入通道、细菌注入通道、细菌分离通道、细菌输出通道、废液输出通道、细菌收集出口和废液出口组成近似“X”型的PDMS-玻璃芯片(图2)。

本发明中(图2)，将诱导试剂A注入通道和诱导试剂B注入通道的宽度设计保持一致；另外，细菌注入通道宽度小于诱导试剂注入通道宽度，使得细菌能与诱导试剂充分的接触，从而提高分离的准确率。几何尺寸在微米和毫米量级的细菌分离通道中流体运动速度缓慢，呈现出层流特性，忽略流体在y轴方向的运动和变化，根据泊肃叶定律可得溶液在X型微通道内的流速为：