專利名稱:無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片及反應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種微流控技術(shù)領(lǐng)域的芯片及控制方法,具體地說,涉及的是一種無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片及反應(yīng)控制方法。
背景技術(shù):
隨著生物醫(yī)學(xué)及化學(xué)的不斷發(fā)展,目前很多研究都集中在分子水平上。近年來,微流控技術(shù)的出現(xiàn)使得生化分析出現(xiàn)了新的方向。微流控技術(shù)是指在微米級尺度(主要指寬度及高度)管道內(nèi)操控及分析流體的技術(shù)。和常規(guī)的方法相比較,微流控技術(shù)可以有效的減少試劑消耗,縮短反應(yīng)時間,使自動化程度更高,實現(xiàn)高通量,大規(guī)模的檢測,從而降低成本,檢測結(jié)果也更加可靠。因此在疾病檢測、環(huán)境監(jiān)控、化學(xué)合成、基因測序等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。而在梯度微流體芯片的研究中,雖然目前國內(nèi)外仍處于起步研究階段,但是其高通量檢測的可能性、對珍貴試劑消耗量的減少等優(yōu)點尤其引人注目,受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的高度重視。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn),2001年Dertinger等在2001年第6期《分析化學(xué)》(Analytical Chemistry )上第1240頁到1246頁發(fā)表的文章"在微流體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成不同復(fù)雜梯度的方法"(Generation of gradients havingcomplex shapes using microfluidic networks) 提出禾il用微流體的層流及混合技術(shù)形成樣品的不同的線性離散濃度梯度,這種芯片設(shè)計采用一種金字塔型的結(jié)構(gòu),制作采用聚合物塑料PDMS(聚二甲基硅氧烷),成本低廉,加工周期短,通過對芯片的精確設(shè)計可以使得一次進樣后,在芯片出口的梯度場形成區(qū)內(nèi)形成藥物的線性濃度梯度分布,這種微流控芯片引起了人們的極大關(guān)注。近年來通過改變設(shè)計,這種金字塔型微流控梯度芯片也可被用來在芯片上產(chǎn)生對數(shù)、線性或拋物線形狀的濃度分布。
目前微流體梯度芯片研究較熱,但大部分的研究是在藥物濃度梯度場的形成上,如對數(shù)濃度場的形成、理論研究等。如果事先能將與藥物反應(yīng)的靶分子固定在芯片的梯度場形成區(qū)內(nèi),藥物分子進入到芯片內(nèi),不僅能在芯片末端的梯度場形成區(qū)內(nèi)形成梯度,而且同時就和固定在此區(qū)內(nèi)的靶分子進行反應(yīng),這樣將多種功能都集中在單片微流控芯片內(nèi),就可以直接在片觀察不同的藥物濃度梯度與耙分子的相互作用, 一個片上的一次實驗就相當(dāng)于傳統(tǒng)的多個試驗,將會更節(jié)約時間,更方便操作,也更有意義,真正發(fā)揮微流體梯度芯片在生物化學(xué)分析上的應(yīng)用優(yōu)勢。但這樣必須將靶分子精確固定在梯度芯片的末端梯度場形成區(qū)內(nèi),而不能固定在芯片內(nèi)別的區(qū)域,這就涉及到在微流控芯片內(nèi)生物大分子的定位固定,就目前而言,這也是整個微流體技術(shù)的難點。
為了解決上述問題,Hsin-Chih Yeh等在2006年第21期第e411頁的《核酸研究》(Nucleic Acids Res)發(fā)表的文章"微流控平臺上研究SP1-DNA相互反應(yīng),,(A microfluidic-FCS platform for investigation on the dissociationof Spl-DNA complex by doxorubicin )提出了對金字塔型微流控梯度芯片的一種改進型設(shè)計,其主體結(jié)構(gòu)層仍然是金字塔型的梯度芯片,但是在這個設(shè)計中,芯片整體的設(shè)計為三層,分為底層的基片、金字塔型梯度芯片的管道結(jié)構(gòu)層以及基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料的控制層,由于P函S材料具有很小的楊氏模量,因此可以通過外加氣源控制這一層特定位置的形變,該層的形變可以導(dǎo)致金字塔型結(jié)構(gòu)的管道結(jié)構(gòu)層也發(fā)生形變,從而控制管道的開放和閉合。通過這種三層結(jié)構(gòu)設(shè)計的閥門,就可以控制靶分子在梯度場特定位置的固定以及藥物梯度場與靶分子的相互反應(yīng)。雖然Hsin-Chih Yeh的設(shè)計可以有效的結(jié)合梯度場形成及其與靶分子反應(yīng),但是這類芯片采用了外加閥門對芯片內(nèi)的反應(yīng)的生物分子進行操控或固定,需要多層結(jié)構(gòu),增加了加工的難度。而閥門的開啟和關(guān)閉都需要一個額外的氣源對其進行操作,增加了控制的難度。因此迫切需要研究一種新型的方法,既能在微流控梯度芯片形成的梯度場內(nèi)進行實時的生化反應(yīng),同時芯片又易于加工和操作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片及反應(yīng)控制方法,使其能在單個芯片內(nèi)集成藥物濃度梯度場的形成及其與靶分子反應(yīng)等多功能。該芯片無需閥門對其進行控制,因此不需要上述文獻介紹的對外接氣源進行操控,而且由于結(jié)構(gòu)不涉及到多層工藝,相比上述有闊門的芯片設(shè)計,加工難度也較低。
5本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,包括金字塔型微流控梯度芯片,所述金字塔型微流控梯度芯片上出口末端前的濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)設(shè)有軟磁性微柱陣列,用于產(chǎn)生高梯度磁場來固定標記有磁性粒子的靶分子。
所述金字塔型微流控梯度芯片為雙層結(jié)構(gòu),即基片及其上層的管道結(jié)構(gòu)。其中基片在其與管道結(jié)構(gòu)中濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)相對應(yīng)的位置上設(shè)有軟磁性微柱陣列。這樣形成的微流控梯度芯片在其末端的濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)就分布有軟磁性的微柱陣列。藥物及藥物緩沖液經(jīng)進樣口導(dǎo)入芯片內(nèi),經(jīng)過各個分流結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu),不斷地分流混合,最后在芯片的末端形成梯度場并流過軟磁性微柱陣列。
所述軟磁性微柱陣列,是由具有一定高度的帶有軟磁性的微柱按一定的距離組合排列而成,這些磁性微柱陣列可以在外磁場的作用下產(chǎn)生精確的磁場分布,這樣就可以達到精確操控磁性粒子在微流控芯片內(nèi)分布的目的,進而操控標記有磁性粒子的靶分子在芯片內(nèi)的定位及反應(yīng)。
本發(fā)明所涉及的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,包括如下步驟
第一步,在金字塔型微流控梯度芯片出口的末端濃度梯度場形成區(qū)的管道內(nèi)制作軟磁性微柱陣列;
第二步,由靶分子進樣口通入帶有磁性粒子的耙分子,當(dāng)其流經(jīng)濃度梯度場形成區(qū)的時候,施加永磁鉄(或外加電磁場)磁化在此區(qū)內(nèi)的軟磁性微柱陣列,該結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生高梯度磁場,吸附住標記有磁性粒子的靶分子,完成靶分子在金字塔型梯度芯片的濃度梯度場內(nèi)的精確定位固定。
第三歩,進行梯度實時反應(yīng)的時候,藥物及藥物緩沖液仍由傳統(tǒng)的金字塔型梯度芯片的進樣口分別進入芯片內(nèi),經(jīng)過不斷分流及混合,最后在芯片的末端形成梯度場并流過軟磁性微柱陣列,就可與固定在此處的靶分子進行反應(yīng)。這樣就可以在形成濃度梯度的同時就實施在線實時反應(yīng),同時完成藥物梯度場的形成及其與靶分子的反應(yīng)等多功能。
第四步,反應(yīng)完畢,撤掉外磁場,由于軟磁性陣列的軟磁性以及磁性粒子的順磁性,兩者都不會有磁滯,因此不再相互作用,通入磁性粒子緩沖液(如磷酸緩沖液)就可以將標記有磁性粒子的靶分子-反應(yīng)物的復(fù)合物沖走,芯片可以再次利用。磁性粒子上標記藥物分子如抗體、DNA等是目前生物學(xué)上常用的方法,有很多商售及研究單位的產(chǎn)品。且納米磁性粒子還具有比表面積大、順磁性等優(yōu)點。根據(jù)靜磁學(xué)理論,磁場中磁性粒子受到的磁場力Fmag的表達式為
其中V為磁性粒子的體積,^"為磁性粒子的磁化系數(shù),^是真空磁導(dǎo)率,
V為哈密頓算子,即磁場力的大小與外磁場強度和梯度有關(guān),懸浮在微通道中的磁性粒子有向磁場梯度最大的區(qū)域移動的趨勢。
如直接施加外加磁場控制磁性粒子在微通道內(nèi)分布,磁性粒子容易形成聚集,堵塞管道,且不容易精確控制位置。而通過在微流控通道中制備不同形狀的軟磁性微元件,可以在外加磁場(永磁鉄或電磁場)的誘導(dǎo)下產(chǎn)生非均均的高梯度磁場,將這些磁性粒子固定在微柱周圍,從而增加磁性粒子的捕獲效率。由于磁性粒子主要是往磁場梯度最大的地方運動,因此這種吸附主要是在微柱的周圍,其磁場力也隨磁性粒子與微柱的距離的增加而急劇減小,因此通過微
柱的排列可以達到較大的吸附面積,又不堵塞管道的效果。
和背景技術(shù)文獻中介紹所不同的是,在本發(fā)明中,是將標記有磁性粒子的耙分子預(yù)先固定在芯片末端的濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)。而磁性粒子在該區(qū)域的精確定位及固定,則是通過微加工技術(shù)制作在此區(qū)域內(nèi)的軟磁性微柱陣列來實現(xiàn)。由于可以通過簡單的控制外磁場來操控磁珠在芯片內(nèi)的吸附及釋放,因此本發(fā)明完全避免了閥門的使用,使得芯片的操控及加工都變得簡單。
本發(fā)明設(shè)計的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,整個反應(yīng)無需闔門控制,僅需施加外磁場,因此易于操作,且由于芯片可以重復(fù)利用,大大降低了成本,可以應(yīng)用在制藥、生物大分子反應(yīng)機理等多方面。
圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本發(fā)明實施例的平面圖3為本發(fā)明實施例中涉及的軟磁性微柱陣列操作示意圖;其中A為未加磁性粒子的示意圖,面B為吸附磁珠后的示意圖。圖中1為基片,2為軟磁性微柱陣列,3為管道結(jié)構(gòu),4、 5為進樣口, 6為液體混合區(qū),7為分叉口, 8為磁性粒子樣品進入梯度芯片的進入點,9-16為把個出口儲液池,17為磁性粒子的進樣口, 18-25為出口前形成濃度梯度場的管道,26為外加永磁鉄,27為軟磁性微柱陣列中的單個微柱,28為吸附住的磁性粒子。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖卜2所示,本實施例涉及的無閥微流控梯度反應(yīng)芯片,其基本特征是在傳統(tǒng)的金字塔型微流控梯度芯片上進行改進設(shè)計,在出口的末端濃度梯度場形成區(qū)的管道內(nèi),增加軟磁性微柱陣列2。本實施例能通過進樣口4、 5的進樣在末端形成8個線性的藥物濃度梯度,并能同時進行藥物和靶分子反應(yīng)。其結(jié)構(gòu)包括樣品進樣口4、 5,混合器6,分流點7,磁性粒子進樣口17,軟磁性微柱陣列2,8個出口9-16,及其前端的樣品管道18-25等。
如圖1所示,金字塔型微流控梯度芯片的結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu),由基片l及其上層的管道結(jié)構(gòu)3構(gòu)成。其中基片1在其與管道結(jié)構(gòu)3中位置18相對應(yīng)的位置上電鍍有軟磁性的微柱陣列;而上層的管道結(jié)構(gòu)3含有管道的主體結(jié)構(gòu),兩部分結(jié)合形成如附圖2所示結(jié)構(gòu)。這樣形成的微流控梯度芯片在其末端出口處的管道18-25內(nèi)就分布有軟磁性的微柱陣列2。
如圖3所示,標記有磁性粒子28的靶分子的首先進入芯片內(nèi),并流經(jīng)位于管道內(nèi)的軟磁性微柱陣列2,由于此結(jié)構(gòu)在外加磁場的時候能在其周圍產(chǎn)生高梯度磁場,因此可以吸附標記有磁性粒子的靶分子。進行梯度反應(yīng)的時侯,藥物及藥物緩沖液分別由進樣口4和進樣口5處進入到芯片內(nèi),在梯度場形成區(qū)內(nèi)形成藥物的濃度梯度,并和固定在此區(qū)域內(nèi)的標記有磁性粒子的靶分子進行在線實時反應(yīng)。同時由于軟磁性微柱陣列2軟磁性,在撤掉外磁場后,不會吸附磁性粒子,這樣反應(yīng)的磁性粒子可以被沖走,芯片可以重復(fù)利用。
所述軟磁性微柱陣列2,可通過微加工技術(shù),如甩膠、光刻、電鍍等工藝制備的的具有軟磁性(如坡莫合金)的微結(jié)構(gòu)陣列,微結(jié)構(gòu)可為圓柱或立方體等,其長寬高均在微米級,并按一定的間隔排列。
所述的磁性粒子28,具有磁性,可在磁場下反應(yīng),尺寸為納米或微米,表面可固定藥物分子。可由市售購買,如Introgen公司(美國)所售的Dynal Myone
8磁珠。
所述的軟磁性微柱陣列2,其磁化是通過外置永磁鐵或電磁鐵的方式施加。 上述實施例涉及的無閥微流控梯度反應(yīng)芯片,其制備可通過如下步驟實現(xiàn)
1、 玻璃基底電鑄鎳鐵微柱陣列的制作
利用電鍍工藝進行坡莫合金微柱陣列。為便于后續(xù)的光學(xué)檢測,本實施例 中基片l采用玻璃。具體工藝過程玻璃圓片清洗后分別濺射Ti/Cu電鑄種子層。
在基片上旋涂正性光刻膠,獲得厚度為25um的膠層。顯影后的模板在鎳鐵電鑄 液中獲得高度大于20ym的坡莫合金微柱陣列。本例中微柱2結(jié)構(gòu)為圓柱,直徑 50um,間隔也為50um,電鑄后的基片除去種子層,烘干備用。
2、 制備PDMS微流控通道 (1)光刻膠模板的制備
首先采用SU-8-3050型負性光刻膠(美國Micro Chem公司),在單面拋光的 硅片或者有氧化鈦襯底的玻璃片上甩膠,獲得厚度為50um的光刻膠。前烘后曝 光,后烘后條顯影,顯影后用異丙醇清洗,氮氣吹干,即獲得所需的光刻膠模板。 光刻膠模板在澆鑄前用氟硅烷(SiHF3)處理表面,以避免固化的PDMS模具脫模 時損傷光刻膠模板。
(2)PDMS微管道的制作
本實例采用聚二甲基硅氧烷(P函S,美國道康寧公司,牌號Sygard 184) 做為芯片的主體材料。PDMS是一種高分子硅橡膠材料,具有較低的楊氏模量及 較好的封裝特性,價格便宜,生物相容性好,光透性高。是目前微流體研究中 常用的材料。將PDMS (道康寧sylgard 184)預(yù)聚體與固化劑按照10: l的質(zhì)量 比混合,真空脫氣后,澆注在光刻膠模板上。固化后將其從模板上揭下,在進 樣口及出樣口打孔,即可得到所需的PDMS片。
3、 封裝鍵合
利用PDMS材料易于封裝的特性,用等離子處理機處理制作的PDMS微管道3與 帶有微鎳鐵柱的玻璃基片l表面,然后進行貼合封裝。
如圖2-3,本實施例涉及一種無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,按照以 下歩驟進行操作
1)制作軟磁性微柱陣列。
9在金字塔型微流控梯度芯片出口的末端濃度梯度場形成區(qū)的管道內(nèi)通過電 鍍技術(shù)制作軟磁性微柱陣列;
2) 吸附磁性粒子。
在實際操作中,如圖2所示,標記有藥物分子的磁性粒子28首先從磁性粒子 進樣口17進入芯片內(nèi),均勻的分成8個管道,在分叉口8處,由于流體往出口處 9-16處的流阻小于往進樣口4和進樣口5,而在流體中,液體的流動會類似與電 路,往流阻小的地方流動,因此磁性粒子溶液會從出口9-16這8個管道流出,當(dāng) 流經(jīng)芯片末端固定有軟磁性微柱陣列2的時候,如圖2、 3所示,外加磁場26對每 個管道內(nèi)的軟磁性微柱陣列進行磁化,微柱周圍會產(chǎn)生高梯度磁場,這種磁場 會吸附流過的磁性粒子28,未被吸附的磁珠及其他溶液則流出芯片。
3) 反應(yīng)。
當(dāng)磁性粒子標記的藥物分子吸附在末端以后,就可以通過梯度芯片進樣, 如圖2所示,藥物及藥物緩沖液分別由進樣口4和進樣口5處進入到芯片內(nèi),在混 合區(qū)6進行混合并不斷分流,在末端的18-25處形成濃度梯度。由于在分叉口8處, 溶液往進樣口17(磁性粒子進樣口)流出的流阻大于從出口處9-16處流出的流 阻,因此溶液會從出口9-16處流出。當(dāng)流經(jīng)出口處前端管道18-25的時候,可以 和固定在管道內(nèi)的磁性粒子28上標記的藥物分子進行反應(yīng),實行在線實時反應(yīng)。
4) 沖洗并更換磁性粒子。
反應(yīng)完畢,撤掉外磁場26,從進樣口17通入磁性粒子緩沖液,由于軟磁性 結(jié)構(gòu)2喪失磁性,不能吸附磁性粒子28,因此隨著緩沖液,磁性粒子28會從出口 9-16處沖離出芯片。重復(fù)上述l歩驟,重新吸附磁性粒子,便可進行下一次的反 應(yīng)。
所述的磁性粒子28,可由市售購買,如Introgen公司(美國)所售的Dynal Myone磁珠。
所述的性粒子緩沖液是指用于稀釋磁性粒子的緩沖液,按所用各類磁性粒子 生產(chǎn)商的說明配置,如稀釋Introgen公司的Dynal Myone磁珠使用磷酸緩沖液。
所述的藥物,是包括化學(xué)類小分子或生物大分子如抗體、核酸等。所述藥物 緩沖液是指可用于稀釋藥物分子的溶液,如水、磷酸緩沖液等。
權(quán)利要求
1、一種無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,其特征在于,包括金字塔型微流控梯度芯片,所述金字塔型微流控梯度芯片上出口末端前的濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)設(shè)有軟磁性微柱陣列。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,其特征是,所述 金字塔型微流控梯度芯片為基片及其上層的管道結(jié)構(gòu)的雙層結(jié)構(gòu),其中基片在其 與管道結(jié)構(gòu)中濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)相對應(yīng)的位置上設(shè)有軟磁性微柱陣列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,其特征是, 所述軟磁性微柱陣列,由帶有軟磁性的微柱按設(shè)定的距離組合排列而成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片,其特征是, 所述軟磁性微柱陣列,其長寬高均在微米級。
5、 一種無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,其特征在于,包括如下步驟 第一步,在金字塔型微流控梯度芯片出口的末端濃度梯度場形成區(qū)的管道內(nèi)制作軟磁性微柱陣列;第二步,由靶分子進樣口通入帶有磁性粒子的靶分子,當(dāng)其流經(jīng)濃度梯度場 形成區(qū)的時候,施加永磁鉄或外加電磁場磁化在此區(qū)內(nèi)的軟磁性微柱陣列,該結(jié) 構(gòu)將產(chǎn)生高梯度磁場,吸附住標記有磁性粒子的靶分子,完成靶分子在金字塔型 梯度芯片的濃度梯度場內(nèi)的定位固定;第三步,進行梯度實時反應(yīng)時,藥物及藥物緩沖液由金字塔型梯度芯片的進 樣口分別進入芯片內(nèi),經(jīng)過分流及混合,最后在芯片的末端形成梯度場并流過軟 磁性微柱陣列,與固定在此處的靶分子進行反應(yīng),在形成濃度梯度的同時在線實 時反應(yīng);第四歩,反應(yīng)完畢,撤掉外磁場,通入磁性粒子緩沖液將標記有磁性粒子的 耙分子-反應(yīng)物的復(fù)合物沖走,芯片可再次利用。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,其特征是, 所述軟磁性微柱陣列通過微加工技術(shù)制備,具有軟磁性的微結(jié)構(gòu)陣列,微結(jié)構(gòu)為 圓柱或立方體,其L〈寬高均在微米級,并按間隔排列。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,其特征是,所述的磁性粒子,尺寸為納米或微米,表面可固定藥物分子。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)控制方法,其特征是, 所述藥物及藥物緩沖液,其中藥物包括化學(xué)類小分子或生物大分子藥物,藥物緩 沖液是指用于稀釋藥物分子的溶液,而磁性粒子緩沖液是指用于稀釋磁性粒子的 緩沖液,按所用各類磁性粒子生產(chǎn)商的說明配置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微流控技術(shù)領(lǐng)域的無閥式微流控梯度實時反應(yīng)芯片及反應(yīng)控制方法。本發(fā)明在需要與藥物反應(yīng)的靶分子上標記磁性粒子,而在傳統(tǒng)的金字塔型微流控梯度芯片出口末端前的濃度梯度場形成區(qū)內(nèi)設(shè)置軟磁性微柱陣列,通過此結(jié)構(gòu)在外磁場下產(chǎn)生的高梯度磁場,在梯度場反應(yīng)之前預(yù)先吸附標記有磁性粒子的藥物分子,從而完成藥物分子在金字塔型梯度芯片出口前端管道內(nèi)的固定。進行梯度實時反應(yīng)的時候,而藥物經(jīng)過不斷分流及混合,最后在芯片的末端形成梯度場并流過這些軟磁性微柱陣列,就可同時與固定在此處的藥物分子進行反應(yīng)。此芯片設(shè)計將可用于對生物大分子反應(yīng)作用機理的研究、藥物篩選等多方面。
文檔編號G01N31/00GK101498704SQ20091004704
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者軍 朱, 鵬 汪, 肖麗君, 翔 陳, 迪 陳 申請人:上海交通大學(xué)