CN101486004B - 一种微流体自动定量分配装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流体自动定量分配的方法及装置，所述方法利用微米尺度下占主导地位的液体表面张力结合另一互不相溶流体的流动剪切作用，使样品液体充满并坐落于一定体积微腔中，从而实现样品液体的定量分配；实施上述方法的装置由包含至少一条微通道和一组微腔的微流控芯片构成，其中微腔位于微通道侧并与其相通，微通道中样品液体通过表面张力进入并充满微腔，然后利用另一互不相溶流体的流动剪切作用移除通道中多余样液，恰留微腔中充满样品液体，从而实现样品液滴的定量和分配。本发明提供了一种简单、快速、高通量的微流体自动定量分配方法和装置，可应用于微生化反应器和芯片实验室。

Description

一种微流体自动定量分配装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种微流体自动定量分配装置及使用方法，可应用于微生化反应器和芯片实验室。

背景技术

近年来，微流控芯片作为一种新的技术平台，在生物和化学领域受到广泛关注，因为与宏观系统相比，微流控芯片在实际应用中有许多突出的优势，如：(1)低成本：由于流体系统的微型化，检测分析和反应合成过程中所需试剂和样品的量大大减少(通常在纳升或皮升级)，能耗更低，使得运转成本降低；另一方面系统的集成化和自动化，大大减少了人工的参与，从而也降低人力成本。(2)速度快：流体系统微型化所带来的短的扩散路径和大表面体积比，产生了更高效的传热和传质交换，从而使得反应速度大大加快，缩短反应时间。(3)高通量：流体系统微型化也使得实验者在极小空间上可以同时设置几十个，甚至成百上千个反应单元，所以微流体系统具有极高的样品并行处理能力，一次可以检测和合成多个样品。(4)无污染：由于系统的集成化和自动化，减少或基本避免了分析检测过程中人工的干预，从而减少了操作中交叉污染的可能(5)高安全：由于微流控芯片平台所需试剂和样品量极少，当使用或合成高挥发和危险性样品时，可大大提高安全性和减少废液污染。除此之外，微流控芯片所具有的体积小、重量轻、便于携带等特点，也使得其应用范围可以拓展到实验室以外的许多场合，如家庭里的疾病诊断、野外的环境监测、犯罪现场的法医鉴定和战场上生化武器的侦测等。

虽然由于人们的关注，微流控芯片技术平台得到了很大发展，但是目前微流控芯片中样品的自动定量分配仍然存在较大障碍，限制了其广泛应用。现在常规的微流体自动定量分配方法，通常采用机械手实现样品的定量分配，但是由于液体的粘度和表面张力的影响，基于机械手的定量分配方法难以应用于操控亚微升级以下的样品量。还有一种常规方法，是利用电渗流定量分配样品[Zeng S，Chen CH，Mikkelsen Jr.JC，Santiago JG.Fabrication andcharacterization of electroosmotic micropumps.Sensors and Actuators B，2001，79：107-114.]，但是该方法仅适用于电解质样品，且分配过程中存在扩散损失和污染。最近，加州理工大学的Quake等人尝试利用具有较高弹性的PDMS材料制作多层微流控芯片[Hansen CL，Skordalakes E，Berger JM，Quake SR.Arobust and scalable microfluidic metering method that allows protein crystalgrowth by free interface diffusion.Proc.Natl.Acad.Sci.2002，99(26)：16531-16536.]，集成微阀和蠕动泵控制结构，实现微量样品的定量分配，但是该芯片需要繁琐的加工工艺和复杂的微阀控制系统，成本和复杂度较高。另外，芝加哥大学的Ismagilov等人利用控制T型微流体管道中两相流各相的流速[Zheng B，Gerdts CJ，Ismagilov RF.Using nanoliter plugs inmicrofluidics to facilitate and understand protein crystallization.Curr.Opin.Struct.Biol.2005，15：548-555.]，形成大量分散的微小液滴，实现样品液滴的定量分配。该系统虽然简便，且通量较高，但是，不同液相粘度的差异和固液界面张力的影响，使得液滴的大小难以精确控制，该方法定量精度不高。

因此，为了促进微流控芯片平台的广泛应用，迫切需要一种简便且精确的微流体定量分配方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种微流体自动定量分配的装置，以实现微流控芯片平台中微量样品和试剂的精确、快速、高通量定量分配。

本发明还有一个目的在于，提供一种使用微流体自动定量分配装置定量分配微流体的方法。

本发明提供的微流体自动定量分配装置，由包含至少一个流体进口、一个流体出口、一条微通道和一组微腔的微流控芯片构成；其中微腔位于微通道侧并与其相通，微腔深度大于微通道深度。微通道横截面为矩形或扇形，横截面最大宽度为20～1000微米，横截面最大高度为2～500微米；其中微通道横截面宽度大于其高度。微腔形状为圆柱形、半球形或球形中的一种；其中微腔横截面直径为20～1000微米。所述微流控芯片采用疏水性材料制作或者其微通道表面进行疏水处理。其中疏水材料为SU-8、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯、全氟聚醚中的一种；疏水处理方法为采用硅烷化试剂、Teflon AF和CYTOP中的一种涂覆微流体通道表面。

本发明还提供了一种微流体自动定量分配的方法，该方法是是利用微米尺度下占主导地位的液体表面张力，使样品液体进入并充满微腔，然后利用另一互不相溶流体的流动剪切作用移除多余样液，恰留微腔中充满样品液体，从而实现微腔对样品液体的定量和分配。

具体而言，实施样品液体定量分配时，首先在微通道中充入待定量分配的水相样品液体，或者待定量分配水相样品液体在另一互不相溶流体的携带下，以分散液滴形式进入微通道。由于表面张力作用，水相样品液体或液滴进入微通道旁侧与之相通的微腔中。然后与水相样品液体互不相溶流体不断充入微通道中，移除微通道中多余水相样品液体，微通道中与微腔中水相液体相连的多余悬挂样品液体也通过流体剪切作用切除，由于微腔中液滴表面张力作用大于其所受微通道中互不相溶流体的剪切力作用，所以液滴保留在微腔中不动，且液滴的大小正好等于微腔的体积，从而可以利用不同体积微腔的设计实现不同量水相样品液体的定量分配。

本发明与目前常规的微流体定量分配方法相比，简化了微流控芯片系统的复杂度，提高了样品液体分配的定量精确度。而且，本发明装置结构简单，加工简便，便于操作，易于实现集成化和自动化。

附图说明

图1为本发明所提供的微流体自动定量分配装置结构示意图

图2为本发明的实施例1进行样品液体剪切时的示意图

图3为本发明的实施例1完成样品液体剪切后的结果示意图

图4为本发明的实施例2样品液体和与其不相溶的流体同时进行进样，并形成液滴的示意图

图5为本发明的实施例2进行样品液体剪切时的示意图

图6为本发明实施例2完成样品液体剪切后的结果示意图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

本发明根据微米尺度下液体表面张力占主导地位的特点，提供了一种微流体自动定量分配装置和使用方法，利用提供的装置使样品液体进入并充满微腔，然后利用另一互不相溶流体的流动剪切作用移除多余的样品液，使得微腔中充满样品液体，从而实现微腔对样品液体的定量和分配，为同时进行多次配样，可同时设置多个微腔，根据目的不同，这些微腔可以是相同体积的，也可以是不同体积的，该方法具体如下：

实施样品液体定量分配时，首先在微通道中充入待定量分配的水相样品液体，或者待定量分配水相样品液体在另一互不相溶流体的携带下，以分散液滴形式进入微通道。由于表面张力作用，水相样品液体或液滴进入微通道旁侧与之相通的微腔中。然后与水相样品液体互不相溶流体不断充入微通道中，从而使得微通道中多余水相样品液体被移除，微通道中与微腔中水相液体相连的多余悬挂样品液体也通过流体剪切作用切除，同时，由于微腔中液滴表面张力作用大于其所受微通道中互不相溶流体的剪切力作用，所以液滴保留在微腔中不动，且液滴的大小正好等于微腔的体积，从而可以利用不同体积微腔的设计实现不同量水相样品液体的定量分配。

实施例1.微流控自动定量分配的装置

1.1装置的结构

本发明所提供的一种用于实施上述微流体自动定量分配装置的结构如图1所示，由包括一个样品液体进口1、一个与样品液体不相溶流体进口2、一个流体出口3、一条微通道4和一组位于微通道旁侧且与微通道相通的微腔5的微流控芯片构成；其中，微腔深度大于微通道深度。

微通道横截面为矩形或扇形，横截面最大宽度为20～1000微米，横截面最大高度为2～500微米；其中微通道横截面宽度大于其高度。微腔形状为圆柱形、半球形或球形中的一种；其中微腔横截面直径为20～1000微米。

为保证水相样品液滴表面张力发挥作用以及不相溶液体能完全残留微管道中多余水相样品液体，所述微流控芯片采用疏水性材料制作或者其微通道表面进行疏水处理。其中疏水材料为SU-8、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯、全氟聚醚中的一种；疏水处理方法为采用硅烷化试剂、Teflon AF和CYTOP中的一种涂覆微流体通道表面。

1.2微流控芯片制作

a)清洗：将硅片置于Piranha洗液(H2SO4∶H2O2＝4∶1，v/v)中煮沸，去离子水冲洗干净，氮气吹干，并热烘去水汽。

b)光刻：在清洗后的硅基片表面甩涂SU-8光刻胶，并前烘、曝光、后烘，制得微芯片的第一层模具；然后在未显影的第一层模具上甩涂第二层SU-8光刻胶，并前烘、曝光、后烘、显影，最后硬烘。

c)浇注：将PDMS预聚体与固化剂按10∶1比例混合，真空脱气后，浇铸到SU-8模具上，然后高温(80℃，30min)固化。

d)键合：将固化后的PDMS基片从模具上剥离下来，得到具有微管道图形的PDMS基片，然后打孔，并通过氧等离子处理后与一平整PDMS基片键合，制成完整芯片。

实施例2.微流体自动定量分配装置的使用方法

实施例1中制作的微流体装置可以使用以下方法进行微流体样品定量分配：

首先，将待定量分配的水相样品液体8通过样品液体进口1充入微通道网络4中，样品液体将进入微通道网络4及与其相通的微腔5，待样品液体充满所有微腔后，样品液体进口1停止进样，从流体进口2以一定流速充入与水相样品液体互不相溶的流体9，利用流体9的剪切作用移除微通道中多余的样品液体10，其中流体9的流速不可过高，应保证其对微腔中样品液滴的剪切作用小于液滴本身的表面张力作用，这样微腔中的样品液体11可因其本身的表面张力作用而保留下来，从而实现与微腔等体积样品液体量的定量分配。根据不同目的，微腔中的样品液体11可以保留在原位，用于后续的反应和分析(如蛋白质结晶、微生物培养)，也可以通过再次高速通入互不相溶流体9，利用大的流体剪切作用力克服样品液滴11的表面张力作用，将其“拉出”微腔，移送至后续反应或分析点。

实施例3.微流体自动定量分配装置的使用方法

实施例1中制作的微流体装置还可以使用以下方法进行微流体样品定量分配：

将待定量分配的水相样品液体8和与其互不相溶的流体9通过样品液体进口1和流体进口2同时充入微通道网络4中，在微通道交叉7处样品液体8将因流体9的剪切作用而分散成液滴，液滴在流经微腔时，表面张力将使液滴进入微腔中直至微腔充满，多余悬出于微通道中的样品液体10将在流体9的剪切作用下被切除，从而只余留微腔中充满样品液体11，这样就实现了与微腔等体积样品液体量的定量分配。根据不同目的，微腔中的样品液体11可以保留在原位，用于后续的反应和分析(如蛋白质结晶、微生物培养)，也可以通过再次高速通入互不相溶流体9，利用大的流体剪切作用力克服样品液滴11的表面张力作用，将其“拉出”微腔，移送至后续反应或分析点。

本发明与目前常规的微流体定量分配方法相比，简化了微流控芯片系统的复杂度，提高了样品液体分配的定量精确度。而且，本发明装置结构简单，加工简便，便于操作，易于实现集成化和自动化。

Claims (7)

1.一种微流体自动定量分配装置，其特征在于：该装置由包含至少一个或二个流体入口、一个流体出口、一条微通道和一组微腔的微流控芯片构成；其中微腔位于微通道侧并与其相通，微腔深度大于微通道深度，流体入口与流体出口通过微通道连接；所述微通道横截面为矩形或扇形；所述微通道横截面的最大宽度为20～1000微米，横截面最大深度为2～500微米；其中微通道宽度大于其深度；所述微腔形状为圆柱形、半球形或球形；所述的微腔的横截面直径为20～1000微米。

2.按权利要求1所述的的微流体自动定量分配装置，其特征在于所述的装置采用疏水性材料制作或者在其微通道表面进行疏水处理。

3.按权利要求2所述的的微流体自动定量分配装置，其特征在于所述疏水材料为SU-8、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对二甲苯和全氟聚醚中的一种或多种。

4.按权利要求2所述的的微流体自动定量分配装置，其特征在于所述疏水处理是采用硅烷化试剂、Teflon AF和CYTOP中的一种涂覆在微通道表面。

5.使用如权利要求1～4中任一项所述的微流体自动定量分配装置的方法，其特征在于所述方法是利用微米尺度下占主导地位的液体表面张力，使样品液体进入并充满微腔，然后利用另一互不相溶流体的流动剪切作用多余样液，恰留微腔中充满样品液体，从而实现微腔对样品液体的定量和分配。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述的方法包括待定量分配的水相样品液体与样品液体互不相溶的流体通过不同的液体进口通式充入微通道的网络中，在微通道交叉处样品液体在不相溶的流体剪切作用下，形成液滴，在流经微腔时，表面张力使液滴进入微腔，直至使液滴充满微腔。

7.按权利要求5或6所述的微流体自动定量分配的方法，其特征在于所述的与样品液体互不相溶的流体为气相或油相。

Images