[发明专利]微流控微生物培养芯片

说明书

技术领域

本发明属于微流控领域，特别是涉及一种能够在特定或多种溶解氧浓度条件下进行微生物培养的微流控芯片。

背景技术

对于液体中培养的微生物来说，溶解氧是一个很重要的环境因素。不同的微生物及其不同生长阶段对氧的需求是不同的。溶解氧一方面会通过影响与呼吸链有关的能量代谢，从而影响微生物生长，另一方面也会通过影响酶活性或直接参与物质代谢，进行影响微生物代谢活性。因此研究溶解氧浓度对微生物的影响，采用合适的溶解氧控制方法，对于促进溶液中微生物生长，提高微生物产品的生产效率而言是十分必要的。

传统微生物培养通常是在发酵罐或摇瓶中进行的。采取的溶解氧浓度控制方式主要是向控制溶液中空气通入量或是对溶液进行一定转速的搅拌、振荡，以确保溶液中的溶解氧浓度。然而，在芯片上进行微生物悬浮培养时，很难通过上述的传统方法来控制微量溶液中的溶解氧浓度，传统直接通气的方法加速液体挥发，使微量的培养液迅速挥干，而搅拌和振荡的方法也由于芯片中液体体积微小，黏性力较大而无法用于溶解氧浓度控制。因此需要开发能够适用于微生物芯片化培养的溶氧浓度控制结构。

已有文献报道了一些能够用于溶解氧控制的微流控细胞培养芯片结构，如在文献1(Joe F.Lo Elly Sinkala,David T.Eddington.Oxygen gradients for open well cellular cultures via microfluidic substrates.Lab on a Chip,2010,10,2394–2401)中描述了一种产生溶解氧浓度梯度的细胞培养微流控芯片，该芯片上层有一个用于细胞培养的圆柱形静置培养腔，中间是层透气膜，下层是气体管道网络。气体管道网络产生氧气浓度梯度有两种方式，一种是设置两条横向平行的主管道，两管道之间设置多条纵向平行管道，这些管道不与主管道交叉，向两条主管道中分别通入氮气和氧气，气体就会通过扩散进入纵向平行管道，并形成氧浓度梯度；另一种氧气产生方式是将氮气和氧气同时通入金字塔形分支网络沟道进行混合，在数个出口处即形成氧气浓度梯度。含有不同氧浓度的气体通过透气膜扩散到上层的培养腔中，从而改变同一培养腔不同区域中的溶解氧浓度。该芯片适用于研究多种溶解氧浓度对于细胞培养的影响。然而，该芯片的培养腔仍然较大，难以在芯片上进一步提高培养腔的数量。另外，芯片是用于细胞静置状态的培养，不适合用于微生物悬浮培养环境。

另外在文献2(Raymond H.W.Lam,Min-Cheol Kim,Todd Thorsen.Culturing aerobic and anaerobic bacteria and mammalian cells with a microfluidic differential oxygenator.Analytical chemistry,2009,81,5918–5924)中描述了一种能够产生溶解氧浓度梯度的细胞培养芯片，其中的氧气浓度梯度是将氮气和氧气同时充入金字塔形分支管道网络，经过多次混合后在出口处产生氧气浓度梯度。不同氧含量的气体通过扩散透过膜进入到下层不同的细胞培养管道中形成不同的溶解氧条件。在该芯片中，气体管道与细胞培养管道是平行的，细胞在培养管道中贴壁后再注入气体，产生不同的氧浓度进行静置培养。然而由于气体管道和培养管道是平行叠置的，增加了芯片上下层之间对准封装的难度，特别是存在大量培养管道时，精确对准更加困难。气体管道和培养管道间水平距离变动的不确定性还会改变气体扩散距离，从而影响管道中溶解氧含量。另外该芯片仍然是基于细胞静置培养模式，不适合用于悬浮培养微生物。

有鉴于此，有必要提供一种新型的微流控芯片，能够在特定或多种溶解氧浓度条件下进行微生物培养。

发明内容

本发明的目的提供一种微流控微生物培养芯片，能够在特定或多种溶解氧浓度条件下进行微生物培养。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微流控微生物培养芯片，包括：

液流层，所述液流层中分布有一个以上的培养单元；

气动控制层，所述气动控制层中分布有供气管道，所述供气管道与所述培养单元交叉，所述供气管道中通入的气体压力不足以使得交叉处的培养单元关闭；

弹性透气膜，形成于所述液流层和气动控制层之间，所述供气管道中的气体在交叉处通过弹性透气膜进入培养单元中的溶液。

作为本发明的进一步改进，所述弹性透气膜构成所述供气管道的一个侧壁。

作为本发明的进一步改进，所述弹性透气膜构成所述培养单元的一个侧壁。