[发明专利]一种体声波驱动的浓度梯度实时可调的微流体发生器

说明书

本发明是一种体声波驱动的浓度梯度实时可调的微流体发生器。该发生器基于PDMS的气体渗透性，通过改变PDMS墙两端的气压差可以使气液界面通道产生的气液界面远离或者靠近主通道。通过改变声波激励的气液界面的位置可以使主通道溶液的浓度梯度实时可调。浓度梯度发生器由玻璃基板，PDMS芯片和压电振子组成。当气液界面被声波激励时，其附近的溶液会产生声流现象，进而使溶液发生混合。调节使流道内溶液发生混合的气液界面数量、位置和驱动电压就可以产生实时可调的溶液浓度梯度。这种新设备易于制造，反应灵敏且具有生物相容性，具有广阔的应用前景，适用于对时间可控性有较高要求的生物化学研究。

技术领域

本发明是一种在体声波激励下通过调整气液界面的位置，进而实时调节微流道中溶液浓度梯度的发生器，属于生物和化学分析的微流控领域。

背景技术

目前，声波驱动的浓度梯度发生器主要通过切断和接通电源这一过程实时调节流道内的溶液浓度梯度。2013年，韩国科学技术院研制一种聚焦型的声表面行波驱动的主动型浓度梯度发生器，在交变电流的驱动下基底表面产生高频率声波。声波使微流道内的流体产生混沌声流现象，并驱动溶液发生混合，进而在流道内形成溶液浓度梯度。2013年，宾夕法尼亚州立大学研制出一种新型体声波驱动的主动型浓度梯度发生器，在主通道内的马蹄形结构产生气液界面，并按阶梯形排布，通过声波驱动气液界面振动使其周围溶液发生混合进而在主通道内产生浓度梯度。2015年，宾夕法尼亚州立大学又提出一种流道内尖锐结构呈对称型阶梯状排布的梯度发生器。其通过体声波激励使尖锐结构振动，尖端周围溶液由于出现声流现象使溶液发生混合进而产生浓度梯度。声波驱动的浓度梯度发生器具有结构简单，操作方便和生物兼容性好等优点，但目前研究的浓度梯度发生器都只能通过切断和接通电源使主通道溶液的浓度梯度随时间发生变化。该方式的缺点表现为：①使溶液发生混合的驱动源即气液界面或尖端结构的位置无法改变，因而无法调节流道内任意位置溶液的混合情况。②通断电源产生的随时间变化的溶液浓度梯度无法保持某一状态的浓度梯度稳定。

发明内容

本发明主要目的是克服传统声波驱动式梯度发生器的无法控制任意位置溶液混合以及无法保持某一种浓度梯度等缺点，而提出基于在体声波激励下气液界面周围溶液的声流现象，将外界气压源与梯度发生器接通，通过调节PDMS墙两端的气压差使气液界面通道中的气液界面位置得到控制，进而改变气液界面附近溶液的混合情况和主通道溶液的浓度梯度。其工作原理是：当压电振子接通电源后会产生体声波，当体声波的频率达到气液界面的谐振频率值时，气液界面发生剧烈的振荡使其周围的溶液产生涡流，从而使溶液发生混合。改变一个或几个气液界面通道中气液界面位置，进而控制气液界面参与混合的情况，就会使主通道溶液的浓度梯度发生变化。为了使某种主通道溶液的浓度梯度保持，只需令气液界面静止并保持该状态即可。

其工作机理为体声波激励气液界面通道中的气液界面振动，振动的气液界面就会使其周围溶液出现声流，从而驱动溶液发生混合。由于气液界面在主通道内呈“品”形排布，故气液界面周围溶液混合后就可产生浓度梯度。基于PDMS(polydimethylsiloxane)的气体渗透性，通过改变PDMS墙两端的气压差可以使气液界面通道产生的气液界面远离或者靠近主通道。调节使流道内溶液发生混合的气液界面数量、位置和驱动电压就可以产生实时可调的溶液浓度梯度。浓度梯度发生器可以在动态化学梯度下分析细胞的迁移、生长、趋化性、分化，还可应用于基于细胞在动态梯度环境下的活性与行为对药物进行筛选和毒性检测。

通过控制声振动气液界面的位置实时调节浓度的发生器，其组成包括PDMS芯片1、压电振子17、玻璃基底Ⅰ18；PDMS芯片1设置有进液口Ⅰ2、进液口Ⅱ13、进液通道Ⅰ3、进液通道Ⅱ12、气液界面通道Ⅰ4、气体通道Ⅰ5、气体通道端口Ⅰ6、气体通道端口Ⅱ9，气体通道Ⅱ10、气液界面通道Ⅱ11、气体通道端口Ⅲ14、气体通道Ⅲ15、气液界面通道Ⅲ16、主流道7、出液口8；

所述进液口Ⅰ2、进液口Ⅱ13、出液口8、气体通道端口Ⅰ6、气体通道端口Ⅱ9、气体通道端口Ⅲ14，贯穿于PDMS芯片1；