一种3D微流控芯片模型、3D微流控芯片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种3D微流控芯片模型、3D微流控芯片及其制备方法和应用。

背景技术

土壤自然体是一个包含固、液、气三相的多组分开放物质系统，土壤环境是土壤组分、植物根系、土壤生物和土壤溶液等各种微界面的集合体；其中，土壤固相和土壤溶液交界处形成的微界面是土壤中最活跃的点位之一。土壤生物地球化学界面过程是土壤中在生物参与下的物理和化学反应，包括氧化和还原、溶解和沉淀、吸附和解吸、转化和矿化、细菌生化反应及生物扰动等，因此，土壤生物地球化学界面被认为是土壤—微生物相互作用热点区域。

传统的土壤处理方式和研究方法往往是针对均一化的处理土壤样品，虽然揭示了土壤总体情况，却忽略了关键元素与微生物的微观高度异质性，在土壤生物地球化学界面上，关键元素与微生物接触距离的远近形成微生物作用的暗区与热点区域，而这些热点区域被目前均一化、均质化的研究所忽略了。微流控芯片技术，作为一种微加工和微操作手段，被广泛应用于微尺度环境和生物相互作用研究中，目前，微流体技术已应用于多种研究领域，包括化学合成、DNA分析、蛋白质组学、单细胞分析、组织工程、高通量筛选、环境分析和医学诊断。然而，微流控技术在土壤微生态学中应用还处在初级阶段，相关土壤微观过程的研究少见报道，构建用于研究土壤生物地球化学界面过程的微流控芯片具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D微流控芯片模型、3D微流控芯片及其制备方法和应用。采用本发明提供的3D微流控芯片模型能够成功构建3D微流控芯片，可以用于观察土壤生物地球化学界面动态变化，能够实现多个不同样品的同时培养，能在短时间尺度和有限体积的分析物上进行元素含量、酶活性定性或定量检测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种3D微流控芯片模型，包括模具2和位于模具2底部的底座1；

所述底座1包括底板1-1和侧壁1-2；所述模具2包括本体2-1和设置于本体2-1下表面的若干凸起2-2；所述凸起2-2的高度大于等于所述侧壁1-2的高度。

优选地，所述3D微流控芯片模型还包括固定板3，所述固定板3上设置有底座固定孔3-1和模具固定孔3-2；

所述侧壁1-2上设置有底座固定柱1-3，所述底座1与固定板3通过底座固定柱1-3和底座固定孔3-1可拆卸连接；

所述本体2-1的上表面设置有模具固定柱2-3，所述模具2与固定板3通过模具固定柱2-3和模具固定孔3-2可拆卸连接。

本发明提供了一种3D微流控芯片，包括基片4和芯片主体5，所述基片4位于芯片主体5的底部；所述芯片主体5由聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂注入上述技术方案所述的3D微流控芯片模型中得到。

优选地，所述基片4的材质为玻璃或硅片。

优选地，所述芯片主体5中分布有若干腔体5-1，所述腔体5-1的高度等于所述侧壁1-2的高度；所述腔体5-1的形状与所述凸起2-2的形状一致。

本发明还提供了上述技术方案所述3D微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂混合后注入3D微流控芯片模型中，固化后，得到芯片主体5；

将所述芯片主体5和基片4分别进行氧等离子体处理，贴合后，得到所述3D微流控芯片。

优选地，所述聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的质量比为13:1。

优选地，所述固化的温度为55℃，所述固化的时间为4h。

优选地，所述氧等离子体处理的电压为420V，腔体氧气流速为800mL/min。

本发明还提供了上述技术方案所述3D微流控芯片或上述技术方案所述制备方法制备得到的3D微流控芯片在检测土壤生物地球化学界面动态变化中的应用。

本发明提供了一种3D微流控芯片模型，包括模具2和位于模具2底部的底座1；所述底座1包括底板1-1和侧壁1-2；所述模具2包括本体2-1和设置于本体2-1下表面的若干凸起2-2；所述凸起2-2的高度大于等于所述侧壁1-2的高度。在本发明中，所述底座用于盛装制备芯片主体的原料，通过模具中若干凸起的设置，使芯片主体中存在多个独立的腔体，用于培养土壤样品。采用本发明提供的3D微流控芯片模型能够成功构建3D微流控芯片，可以用于观察土壤生物地球化学界面动态变化，能够实现多个不同样品的同时培养，能在短时间尺度和有限体积的分析物上进行元素含量、酶活性定性或定量检测。

本发明还提供了一种3D微流控芯片，包括基片4和芯片主体5，所述基片4位于芯片主体5的底部；所述芯片主体5由聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂注入上述技术方案所述的3D微流控芯片模型中得到。在本发明中，所述基片用于封闭芯片主体中若干腔体的底部，防止样品的流失；聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂混合形成固态后，稳定性较好，不会对试验结果产生干扰，能够保证检测结果的准确度；而且采用本发明提供的3D微流控芯片能够在使用较少量样品的情况下，即获得准确的定量或定性检测结果，操作简便，适用于模拟土壤环境，观察土壤生物地球化学界面动态变化。

本发明提供的3D微流控芯片的制备方法简便，易操作，适宜规模化推广应用。

附图说明

图1为3D微流控芯片模型的结构示意图；

图2为3D微流控芯片模型的底座1的结构示意图；

图3为3D微流控芯片模型的模具2的结构示意图；

图4为3D微流控芯片模型的固定板3的结构示意图；

图5为3D微流控芯片的示意图；

图6为模拟土壤淹水条件下，不同含铁量土壤微界面不同元素原子量变化示意图；

图7为模拟土壤淹水条件下，两种缺磷量土壤微界面酶活性变化示意图；

其中，1为底座，1-1为底板，1-2为侧壁，1-3为底座固定柱，2为模具，2-1为模具的本体，2-2为模具的凸起，2-3为模具固定柱，3为固定板，3-1为底座固定孔，3-2为模具固定孔，4为基片，5为芯片主体，5-1为芯片主体的腔体。

具体实施方式

本发明提供了一种3D微流控芯片模型，包括模具2和位于模具2底部的底座1；

所述底座1包括底板1-1和侧壁1-2；所述模具2包括本体2-1和设置于本体2-1下表面的若干凸起2-2；所述凸起2-2的高度大于等于所述侧壁1-2的高度。

本发明提供的3D微流控芯片模型包括模具2，所述模具2包括本体2-1和设置于本体2-1下表面的若干凸起2-2；所述凸起2-2的高度大于等于所述侧壁1-2的高度。本发明对所述模具2的具体尺寸没有特殊的要求，以得到符合要求的芯片主体5为宜。在本发明的具体实施例中，所述本体2-1优选为长方体，所述本体2-1的长优选为40mm，宽优选为20mm，高优选为3mm；所述若干凸起2-2优选为圆柱形、方形、星形或菱形，当所述凸起2-2为圆柱形时，凸起2-2的直径优选为2mm，高优选为5mm。本发明对所述凸起2-2的个数和凸起2-2的间距没有特殊的限定，以满足主体芯片的要求为宜，在本发明的具体实施例中，所述凸起2-2的个数优选为8个或12个，所述凸起2-2的间距优选为5mm。在本发明中，所述模具2的材质优选为耐高温和不易变形的树脂，更优选为尼龙透明树脂。

作为本发明的一个实施例，所述本体2-1的上表面设置有模具固定柱2-3，所述模具2与固定板3通过模具固定柱2-3和模具固定孔3-2可拆卸连接。在本发明的具体实施例中，所述模具固定柱2-3的直径优选为3mm，高优选为3mm；所述模具固定柱2-3的个数优选为2个，设置于本体2-1顶部的对角线上。在本发明中，将所述模具固定柱2-3插入固定板3中模具固定孔3-2中，加固3D微流控芯片模型。

本发明提供的3D微流控芯片模型包括位于模具2底部的底座1，所述底座1包括底板1-1和侧壁1-2。本发明对所述底座的具体尺寸没有特殊的要求，以得到符合要求的芯片主体5为宜。在本发明的具体实施例中，所述底板1-1优选为长方体，所述底板1-1的长和宽优选为120mm，高优选为2mm；所述侧壁1-2的高优选为3mm，壁厚优选为5mm。在本发明中，所述底座1的材质优选为耐高温和不易变形的树脂，更优选为尼龙透明树脂。

作为本发明的一个实施例，所述侧壁1-2上设置有底座固定柱1-3，所述底座1与固定板3通过底座固定柱1-3和底座固定孔3-1可拆卸连接。在本发明的具体实施例中，所述底座固定柱1-3的直径优选为3mm，高优选为8mm；所述底座固定柱1-3的个数优选为2个，设置于一条侧壁1-2的两端。在本发明中，将所述底座固定柱1-3插入固定板3的底座固定孔3-1中，加固3D微流控芯片模型。

作为本发明的一个实施例，所述3D微流控芯片模型还包括固定板3，所述固定板3设置于所述模具2的上方。本发明对所述固定板3的具体尺寸没有特殊的限定，以能够固定底座1和模具2为宜。在本发明的具体实施例中，所述固定板3优选为长方体，所述固定板3的长优选为120mm，宽优选为96mm，高优选为3mm。

作为本发明的一个实施例，所述固定板3上设置有底座固定孔3-1和模具固定孔3-2。在本发明中，所述底座固定孔3-1在固定板3中的位置、个数和尺寸由底座固定柱1-3的位置、个数和尺寸决定；所述模具固定孔3-2的位置、个数和尺寸由模具固定柱2-3的位置、个数和尺寸决定。作为本发明的一个实施例，所述底座固定孔3-1和模具固定孔3-2的直径优选为3.5mm。本发明采用固定板3将模具2和底座1牢固的固定在一起，有利于得到尺寸精确、规整的芯片主体5。在本发明中，所述固定板3的材质优选为耐高温和不易变形的树脂，更优选为尼龙透明树脂。

在本发明中，所述底座1、模具2和固定板3是相互独立的部件，在后续制备芯片主体5时，将底座1、模具2和固定板3按照从下到上的位置组装。作为本发明的一个实施例，所述底座1中可放置多个模具2，然后将底座固定柱1-3插入底座固定孔3-1中，将模具固定柱2-3插入模具固定孔3-2中，借助固定板3将底座1和多个模具2固定在一起。

本发明提供了一种3D微流控芯片，包括基片4和芯片主体5，所述基片4位于芯片主体5的底部；所述芯片主体5由聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂注入上述技术方案所述的3D微流控芯片模型中得到。

本发明提供的3D微流控芯片包括基片4，用于封闭芯片主体5中若干腔体5-1的底部，防止样品的流失。本发明对所述基片4的形状以及具体尺寸没有特殊的限定，能够封闭芯片主体5中若干腔体5-1的底部为宜。在本发明中，所述基片4的材质优选为玻璃或硅片。

本发明提供的3D微流控芯片包括设置于所述基片4上表面的芯片主体5，所述芯片主体5由聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂注入上述技术方案所述的3D微流控芯片模型中得到。所述芯片主体5中分布有若干腔体5-1，所述腔体5-1的高度等于所述底座1侧壁1-2的高度；所述腔体5-1的形状与所述凸起2-2的形状一致。

在本发明中，所述3D微流控芯片优选具有不同的透明度。

本发明还提供了上述技术方案所述3D微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂混合后注入3D微流控芯片模型中，固化后，得到芯片主体5；

将所述芯片主体5和基片4分别进行氧等离子体处理，贴合后，得到所述3D微流控芯片。

本发明将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂混合后注入上述技术方案所述的3D微流控芯片模型中，固化后，得到芯片主体5。在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂优选为液态，本发明对所述固化剂的具体种类没有特殊的限定，采用本领域常规的液态固化剂即可。在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的质量比优选为13:1。

在本发明中，所述混合优选在搅拌条件下进行，本发明对所述搅拌的具体参数没有特殊的限定，以物料混合均匀且无气泡存在为宜。

得到聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的混合物后，本发明将所述混合物倒入3D微流控芯片模型的底座1内，固化后，得到芯片主体5。在本发明中，所述固化的温度优选为55℃，所述固化的时间优选为4h。本发明通过严格控制聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的质量比、固化温度以及固化时间，能够得到软硬适宜的芯片主体，而且得到的芯片主体十分稳定，不易损坏和分解，能够保证试验结果的准确性。

得到芯片主体5后，本发明将所述芯片主体5和基片4分别进行氧等离子体处理，贴合后，得到所述3D微流控芯片。在本发明中，所述氧等离子体处理的电压优选为420V，腔体氧气流速优选为800mL/min。本发明对所述贴合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域所熟知的贴合方式即可。本发明通过氧等离子体处理，对芯片主体5和基片4的表面进行亲水化改性，将两者不可逆地键合在一起，提高了3D微流控芯片的稳定性。

本发明还提供了上述技术方案所述3D微流控芯片或上述技术方案所述制备方法制备得到的3D微流控芯片在检测土壤生物地球化学界面动态变化中的应用。在本发明中，优选采用毛细血管将土壤样品导入3D微流控芯片的若干腔体5-1中，然后对土壤样品进行元素含量、酶活性定性或定量检测，观察土壤生物地球化学界面动态变化。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备3D微流控芯片：

运用3D打印技术得到图2所示底座1、图3所示模具2和图4所示固定板3；所述底座1、模具2和固定板3的材质均为硬度合适、耐高温、不易变形的高精度尼龙透明树脂；其中，底座1包括底板1-1、侧壁1-2和两个底座固定柱1-3，底板1-1为长方体，长和宽为120mm，高为2mm；4条侧壁1-2的高为3mm，壁厚为5mm；两个底座固定柱1-3分别设置于其中一条侧壁1-2的两端，底座固定柱1-3的直径为3mm，高为8mm；

模具2包括本体2-1、9个凸起2-2和2个模具固定柱2-3，本体2-1为长方体，长为40mm，宽为20mm，高为3mm；凸起2-2设置于本体2-1的下表面，凸起2-2为直径2mm的圆柱体，高为5mm，间距为7mm；2个模具固定柱2-3设置于本体2-1的上表面，成斜对角设置，模具固定柱2-3的直径为3mm，高为3mm；

固定板3为长方体，长为120mm，宽为96mm，高为3mm；固定板3的边缘设置有底座固定孔3-1，表面分布有模具固定孔3-2；所述底座固定孔3-1在固定板3中的位置、个数和尺寸与底座固定柱1-3的位置、个数和尺寸匹配；所述模具固定孔3-2的位置、个数和尺寸与模具固定柱2-3的位置、个数和尺寸匹配；所述底座固定孔3-1和模具固定孔3-2的直径为3.5mm；

将底座固定柱1-3插入底座固定孔3-1中，将模具固定柱2-3插入模具固定孔3-2中，借助固定板3将底座1和多个模具2组装在一起，得到如图1所示的3D微流控芯片模型；

得到3D微流控芯片模型后，将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂按照13:1的质量比混合后，注入上述3D微流控芯片模型中，在55℃条件下固化4h，得到芯片主体5；所述芯片主体5中分布有9个腔体5-1，所述腔体5-1的高度等于所述侧壁1-2的高度；所述腔体5-1的形状与所述凸起2-2的形状一致；

得到芯片主体5后，将芯片主体5和玻璃基片4分别进行氧等离子体处理，电压为420V，腔体氧气流速为800mL/min，处理结束后，将两者贴合在一起，得到图5所示3D微流控芯片。

应用例1

采用实施例1制备得到的3D微流控芯片，模拟淹水条件探讨不同含铁土壤微界面Si、C、Al、N、Fe元素变化特征；

选取亚热带地区含铁量分别为56g·kg

向上述处理后的土壤样品中插入直径1mm的石英毛细管，通过毛细管现象将已处理好的土壤样品引入石英毛细管中，然后将土壤样品分别转移至实施例1制备得到的3D微流控芯片的腔体中，每种稻田土壤导入一个独立的腔体中，使土壤吸附在基片上，实现土壤在腔室中形成均匀土壤点，在腔体内分别加入土壤有机质溶液；

应用XPS技术进行土壤微界面元素原位测定，探讨不同含铁量稻田土壤元素变化；以土壤有机质溶液作为培养溶液，分别在0d、3d、7d、14d和20d时采样，检测土壤微界面不同元素动态的变化情况，如图6所示，其中图6中的a为含铁量56g·kg

应用例2

采用实施例1制备得到的3D微流控芯片，模拟淹水条件探讨低磷土壤微界面酶活性变化特征；

选取亚热带地区速效磷含量分别为0.74mg·kg

向上述处理后的土壤样品中插入直径1mm的石英毛细管，通过毛细管现象将已处理好的土壤样品引入石英毛细管中，然后将土壤样品分别转移至实施例1制备得到的3D微流控芯片的腔体中，每种稻田土壤导入一个独立的腔体中，形成均匀土壤点，在腔体内分别加入无菌水；

利用共聚焦进行土壤微界面酶活性检测，探讨低磷稻田土壤微界面碱性磷酸酶变化；以无菌水作为培养溶液，分别在0d、5d和20d时破坏性采样，检测土壤微界面碱性磷酸酶变化，如图7所示，其中图7中的a为有效率含量0.74mg·kg

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。