[发明专利]一种微混合和微反应装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微混合和微反应装置，能实现亚微秒水平的超快混合，为溶液的超快微混合提供了一种途径，广泛应用于超快微反应动力学研究领域。

背景技术

微流控芯片(Microfluidic chip)又称芯片实验室(Lab-on-a-chip)或微全分析系统(Micro-Total Analysis System，μTAS)，通过微加工技术将化学中所涉及的样品预处理、反应、分离、检测，生命科学中所涉及的细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成在一块几平方厘米大小的芯片上，利用微通道网络灵活的操控整个实验系统，从而实现传统化学或生物实验室的各项功能。自从20世纪90年代初Manz等人(Manz，A.，Graber，N.and Widmer，H.M.(1990)Miniaturized Total Chemical-Analysis Systems-a Novel Concept for Chemical Sensing.Sensor.Actuat.B-Chem.，1，244-248)首次提出了μTAS的概念以来，由于具有分析速度快、试剂消耗少、微型化、集成化和自动化的优点，微流控芯片已广泛应用于分析化学、合成化学、药物筛选、临床诊断、生物技术、环境检测等等领域。

快速混合在生化反应中至关重要，各种生化反应都必须通过反应物的混合而启动，因此微混合器是微流控芯片的一个重要组成部分。根据混合所需能量的输入方式不同，微混合器可分为两类：主动式微混合器和被动式微混合器。前者通过外来作用力产生的扰动，改善传质促进混合。该法加工技术难度大、时间分辨率不高。后者不借助如何其它外力、单纯利用几何形状或流体特性来促进混合效果，提高时间分辨率。

由于被动式混合器具有简单而有效的优势，已被广泛的应用于化学及生化分析。例如：Yao等人(Yao，S.and Bakajin，O.(2007)Improvements in Mixing Time and Mixing Uniformity in Devices Designed for Studies of Protein Folding Kinetics.Anal.Chem.79，5753-5759)通过对水力聚焦微混合器进行优化后，该微混合器的混合时间达到了2～4μs，是目前文献报道混合时间最小的微混合器，但该微混合器利用深反应离子刻蚀的方法进行加工，微通道的尺寸也非常小(＜2μm)，使得加工难度大、加工设备要求高。由于现有微混合器主要用扩散现象来实现混合，因此时间分辨率都非常有限，无法追踪亚微秒水平的超快动力学过程，并且加工难度大、加工设备昂贵和成本高。

发明内容

针对现有微混合器混合机制单一、时间分辨率有限、加工难度大、加工设备昂贵和成本高的缺陷，本发明提供了一种微混合和微反应装置，通过“交叉微流束”混合方式实现被动微混合和微反应，具有结构简单、加工简易、成本低廉，混合时间短，时间分辨率可达0.6微秒的优势，可广泛应用于超快微反应动力学研究领域。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种微混合和微反应装置，包括微流控芯片和夹持该微流控芯片的芯片夹，其中，所述微流控芯片由刻有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层与玻璃片键合而成。

微通道结构由两条入口通道和一条出口通道相连组成，其结构特征如下：两溶液入口通道成小于180度夹角，溶液出口通道位于该角角平分线上，两溶液入口通道关于溶液出口通道对称；三个通道分别由蓄液池、宽通道与窄通道组成；三个通道的窄通道与混合腔相连，使得三个通道贯通；溶液分别由两入口通道的蓄液池先经宽通道，再过窄通道，流入混合腔汇合，再从混合腔流入出口通道的窄通道，过宽通道，最后流入出口通道蓄液池。混合腔外壁与入口通道外壁相切，宽通道与窄通道相比，前者宽度大于后者，高度一致，二者自然过渡。

芯片夹由垫板与盖板两部分组成。上层为盖板，板材需透光，不易变形，中央钻有穿透的小孔，孔一侧与针管连通；下层为垫板，板材不易变形，垫板中部挖空，便于显微成像；盖板与垫板通过四螺栓连接。

将微流控芯片置于芯片夹的底片与盖片之间，垫好O型圈，盖片小孔与芯片通道溶液进出口对齐，拧紧螺栓，即可制成基于“交叉微流束”混合方法的超快微混合和微反应装置。

本发明还公开了一种用于上述混合和微反应装置中的微流控芯片的制作工艺，具体包括如下步骤：

(1)制作具有上述微通道结构的芯片掩模；

(2)基片清洗并作匀胶处理；