一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法

摘要

本发明公开了一种改进型二入口浓度梯度发生器及其设计方法。所述浓度梯度发生器通过软光刻方法进行加工，结构上包括两个入口、一个出口、一条主通道及一系列经过特殊结构设计的平行于主通道的分流板。通过分流板使流体实现多次分离与混合，从而在分流板的下游建立一定的浓度梯度。最终形成的浓度梯度由分流板的结构位置决定，而分流板出口处浓度梯度的分辨率则由分流板的级数决定，级数越多，分辨率越高。每一级所包含的分流板的数量按指数方式增加。所述浓度梯度发生器可以实现任意单调函数的浓度梯度建立，且只需要两个流体入口，结构紧凑，产生的浓度梯度稳定，可用于微生物趋化研究以及药物筛选等生物、制药及医学工程领域。

主权项

一种改进型二入口浓度梯度发生器，其特征在于，一端为两个入口通道，其与主通道连接；主通道中靠近入口的位置布置有一系列分流板；所述分流板是指平行于长度方向，用于分隔流体的长条形结构；将在长度方向上处于同一位置的分流板作为一级；第1级含有1块分流板，第2级含有2块分流板，第i级含有2^i‑1块分流板，即每一级的分流板数目按照级数进行指数式的增长；所需的分流板总级数由目标浓度梯度函数以及所需的分辨率决定；第1级的分流板将主通道隔离成两条通道，这两条通道分别与两个入口通道相连；最后一级的分流板的数目根据其所在的级数确定，且每块分流板在垂直于主通道的方向上均匀排列；第i级分流板将主通道分为2^i‐1+1个小通道，第1个和第2^i‐1+1个小通道的流体在下一级分为两股流体，一股继续沿壁面流动，另一股与相邻流体混合形成新的浓度；第2个至第2^i‐1个小通道的流体在下一级分为三股流体，其中两股分别与邻近的两股混合形成新的浓度，另一股直接进入下一级而不改变浓度；分流板在主通道宽度方向上的位置按照质量守恒定律计算，公式如下：C_n,m‑1·w₁+C_n,m·w₂＝C_n+1,2m‑2·(w₁+w₂)，其中C_n,m为第n级的第m个通道的浓度，C_n,m‑1为第n级的第m‑1个通道的浓度，C_n+1,2m‑2为第n+1级的第2m‑2个通道的浓度，w₁为第n级的第m‑1条分流板与第n+1级的第2m‑3个分流板在垂直于主通道方向上的距离，w₂为第n级的第m‑1条分流板与第n+1级的第2m‑2个分流板在垂直于主通道方向上的距离；每一级分流板的长度L根据该级任一条通道实现完全混合的原则确定，公式如下：L＝v·w_m²/D，其中w_m为该级除靠近壁面通道外最宽通道的宽度，v为入口平均流速，D为溶质的扩散系数；最后一级分流板之后为一段空的主通道，其另一侧与出口通道连接；主通道的宽度为W，高度H小于等于W/10；分流板的宽度小于等于W/20。