[发明专利]一种实时精准控制观测点动态生化因子浓度的微流控芯片

说明书

一种实时精准控制观测点动态生化因子浓度的微流控芯片，该微流控芯片包括：改进的“圣诞树”状空间线性浓度梯度生成装置和Y型微流控装置两部分。“圣诞树”状空间线性浓度梯度生成装置是在传统“圣诞树”状空间单调浓度梯度生成装置的基础上，根据传统单调浓度数据与理想线性浓度数据间的对应关系计算得到，最终形成通道宽度与浓度数据呈类线性阶梯状分布；Y型微流控装置的上端入口与浓度梯度生成装置出口连通，以在主通道上层形成空间线性的浓度梯度，利用层流特性，通过控制下端入口的流量来调整Y型主通道内上层溶液与下层溶液的分界线位置。本发明可用于观察、检测不同动态浓度生化因子刺激下细胞生物学效应及其机制的实验研究。

技术领域

本发明属于细胞生物学实验装置领域，是基于流体力学和微流控芯片技术的用于观察、检测动态浓度生化因子刺激下细胞生物学效应的实验装置，具体为通过控制流量波形实时精准控制微通道观测点处生化刺激因子浓度的微流控芯片。

背景技术

细胞微环境和细胞的相互作用在近年来成为细胞生物学领域的研究热点之一。观察、检测细胞在动态浓度的生化因子刺激下所产生的一系列变化是研究细胞微环境和细胞相互作用的常用手段之一。微流控芯片以其独有的优势成为模拟细胞动态微环境的理想实验平台，在细胞生物学研究领域中具有广泛的应用。现有的研究多数是通过调节微通道入口的动态生化因子浓度，经过微通道流场传输后达到控制、改变观测点处动态浓度的目标；然而，生化因子浓度波形在微流通道传输过程中不仅会发生衰减、滤波以及非线性幅频调制现象，而且会产生波形延迟，造成入口输入波形在观测点处动态浓度波形的失真和滞后，无法实现观测点动态浓度波形的实时、精准控制。因此，需要一种能够实时、精准控制观测点处生化因子动态浓度波形的微流控芯片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过流量法实时、精准地控制微流通道观测点处动态浓度波形的微流控芯片。通过流量法，单纯的控制不同入口的流量即可实时、精准地控制不同感兴趣观测点处的浓度，且浓度变化与Y型微流控装置下端入口与上端入口的流量比间具有线性关系。

本发明的技术方案如下：

一种通过流量法实时、准确地控制观测点生化因子动态浓度波形的微流控芯片，其在结构上可以分成两部分，一是对传统“圣诞树”状空间浓度梯度生成器改进的装置A，二是Y型微流控装置B，如图1所示。其中，改进的“圣诞树”状空间浓度梯度生成装置的出口1-3与Y型通道的入口2-1连接，Y型通道的入口2-2通入无溶质的缓冲液(即浓度为零)，这样便可在Y型主通道2-3内形成上下两层、空间上浓度存在梯度分布，即，上层为具有空间近似线性浓度梯度的溶液，下层是缓冲液，浓度恒为零。

本发明中，改进的“圣诞树”状浓度梯度生成装置是在传统“圣诞树”结构的基础上进行改良设计的，旨在空间上形成线性的浓度梯度。传统“圣诞树”状单调浓度梯度生成装置，以七级九分叉的结构为例(图2)，其在空间上形成单调浓度梯度的原理如下：设入口1-1注入含有溶质(如生化刺激物、荧光素等)的溶液，假定初始浓度φ₀₁为1；入口1-2注入不含溶质的溶剂(如PBS缓冲液等)，则初始浓度φ₀₂为0。根据物质守恒和浓度扩散原理，在“圣诞树”的第一级各分支处的浓度值为：

这样，第二级各分支处浓度大小为：

以此类推，第三级各分支处浓度分别为φ₃₁＝1、φ₃₅＝0；……，第七级各分支处的浓度分别为φ₇₁＝1、φ₇₉＝0，即为最终形成的空间上单调的浓度梯度。