[发明专利]一种基于三维水力聚焦的微混合装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三维水力聚焦的微混合装置，能将样品溶液在三维角度聚焦成微米束，实现溶液的快速混合，广泛用于生物大分子的动力学研究领域。

背景技术

微流控芯片实验室又称微流控芯片(microfluidics)或芯片实验室(lab-on-a-chip)，指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。这种分析系统尺寸微小，可以集成进样、预处理、混合、反应、检测等操作单元，从而让分析时间大幅缩短，检测分辨率/灵敏度显著提高，同时消耗及成本也大幅降低。现阶段，微流控芯片已经涉及到的领域包括疾病诊断、药物筛选、环境检测、食品安全、司法鉴定、体育竞技以及反恐、航天等事关人类生存质量的方方面面。

快速而有效的混合是化学或生物化学分析的前提。生化反应，如RNA或蛋白质的折叠过程通常发生在亚毫秒级别，若研究此类反应必须在微秒级时间内启动它们。微混合器作为微流控芯片中一个重要组成部分，由于其能使溶液实现快速混合且所耗样品在纳升级，因此已经成为研究快速生化反应的一个有效工具。

由于微通道中雷诺数一般较低(＜2300)，难于引起湍流，溶液的混合一般都基于扩散。根据扩散理论，扩散时间T＝L²/D，其中L为通道的宽度，D为溶液的扩散系数。为达到1μs的混合时间，则样品带需被夹挤成30nm。为实现溶液的快速混合，Brody等人(Brody，J.P.and Yager，P.(1996)Biotechnology at low Reynolds numbers，Biophys.J.，71，3430-3441)最早设计出基于水力聚焦的微装置，使样品带溶液聚焦成～0.1μm，混合时间为～10μs。其后又有大量科研学者将水力聚焦混合器装置进行改进，使得混合时间缩短至～1μs(Yao，S.and Bakajin，O.(2007)Improvements in Mixing Time and Mixing Uniformity in Devices Designed for Studies ofProtein Folding Kinetics.Anal.Chem.79，5753-5759)。该基于水力聚焦的微流控芯片是目前已报道的混合器中混合时间最短的微装置，但其样品带只是从二维角度(XY平面)进行挤压聚焦，在Z轴方向仍然没有实现聚焦，即实现的是二维水力聚焦(2D hydrodynamic focusing)。二维水力聚焦的不足之处在于，样品带的流速在Z轴方向并不均一，靠近通道壁的流速接近为零，远小于Z轴中间面的流速，这种情况非常不利于对样品进行真实的分析(如分析蛋白质等大分子在折叠过程中其折叠态随时间的变化)。为解决二维水力聚焦所存在的问题，有人提出三维水力聚焦(3D hydrodynamic focusing)的概念。Pabit等人在2002年较早设计了一种三维水力聚焦装置(Pabit，S.and Hagen，S.(2002)Laminar-Flow Fluid Mixer for Fast Fluorescence Kinetics Studies，Biophys.J.，83，2872-2878)，即将直径大小不同的两毛管对接实现三维聚焦，但这种对接操作困难，且由于对样品带的侧向夹流有限难以将样品带聚焦成纳米级条带。Gambin等人在2010年报道了一种用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料加工的三维水力聚焦微芯片(Gambin，Y.and Simonnet，C.(2010)Ultrafast microfluidic mixer with three-dimensional flow focusing for studies of biochemical kinetics，Lab Chip，10，598-609)，其混合时间为～10μs。但是该装置通道结构复杂，仅入口数量就有五个之多，给进样过程带来诸多麻烦，且会影响到实验过程中聚焦样品带的稳定性。

发明内容

本发明的目的是克服现有三维水力聚焦微装置结构复杂，加工难度大且实验操作过程繁琐的缺点，提供一种结构简单，加工简易，三维聚焦效果好的微混合装置。

本发明的另一目的是提供上述微混合装置的加工方法。

一种三维聚焦微混合装置，包括键合为一体的基片和盖片，基片和盖片上内表面加工有相同的微通道结构，所述微通道结构包括相连通的四通道，其中第一和第三通道作为边路入口通道，第二通道作为中间入口通道，第四通道作为出口通道，中间入口通道与出口通道在同一直线上，两边路入口通道关于中间入口通道对称，中间入口通道的高度低于另外三个通道。