CN101718795A - 基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法 - Google Patents

基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法 Download PDF

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Abstract

基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：利用集成有气动微阀(1)的PDMS微流控芯片(2)作为平台，通过操作气动微阀(1)控制下述内容之一或其组合：微液滴的形成过程、液滴的大小、液滴的组成、液滴之间的融合过程。本发明首次将气动微阀用于微液滴的操控，通过调节气动微阀的开启和关闭时间就可以灵活地控制下述针对微液滴的操作：微液滴的形成及其大小、灵活控制微液滴的化学组成、多个微液滴融合。本发明采用在芯片末端抽真空或对样品池内液体施加气压的方法驱动液体在微通道内的流动，无需使用注射泵；具有结构简单，技术效果好的突出优点。其具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。

Description

基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术，特别提供了基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法。
背景技术
现有技术中，高通量筛选(HTS)日益成为化学和生物学寻找靶标分子的常规方法，已成为新药研发的主要方法。当前主流的高通量筛选平台是塑料微孔板，常用的有96、384和1536孔。基于微孔板的筛选过程在敞开的环境中进行，孔板中溶液的浓度受蒸发的影响很大，分析结果准确率低。开发通量高、结果准确的筛选平台已经成为一个迫切的需求。
微流控芯片是一个新兴的技术平台，在一块几平方厘米的芯片上，由网络化的微通道控制流体，完成常规化学或生物实验室的各种操作。微液滴(droplet)是新近在微流控芯片上发展起来的一种操控微小体积液体的技术，其原理为：将两种互不相溶的液体，以其中的一种为连续相，另一种为分散相，连续相和分散相同时进入微通道后，在微通道的作用下，分散相以微小体积(10-15L-10-9L)单元的形式分布于连续相中，形成一系列离散的微液滴，每个液滴作为一个微反应器，完成一组化学或生物反应。微液滴用于筛选具有如下优点：(1)样品消耗极微，大大降低筛选成本；(2)液滴被油包裹，与外界无物质交换，液滴内的反应条件稳定，结果可靠。目前将微液滴用于筛选在技术上还存在一些不足，主要体现在对微液滴的操控。在已有的方法中，油液(连续相)和水溶液(分散相)在注射泵的推动下进入“T”型或流动聚焦结构的微通道，在油/水两相之间表面张力和剪切力的相互作用下，形成液滴。液滴的形成速率和大小取决于油/水两相的流速，操作不灵活，不能准确控制单个液滴的大小和组成，而且难以同步形成多个具有不同组成的液滴，不符合高通量筛选的要求。
人们迫切希望获得一种将集成有气动微阀的微流控芯片用于控制微液滴的形成、大小、组成和融合的技术方案，尤其要求适用于高通量筛选研究的需要。
发明内容
本的目的是提供一种适于高通量研究要求的基于气动微阀的微流控芯片微液滴操控方法；具体涉及微液滴的形成、大小、组成和融合以及过程中的控制技术。
为解决上述问题，我们首次将集成有气动微阀1的PDMS微流控芯片2用于微液滴的形成和控制。通过对样品池中油液(连续相)和水溶液(分散相)施加气压或在芯片末端抽真空施加负压驱动液体流入微通道，通过气动微阀1的开启和关闭控制液滴的生成与否，通过调节气动微阀1的开启和关闭时间控制微液滴的生成频率和大小，通过选择性地开启多种样品溶液流路对应的气动微阀1，形成具有不同化学组成的微液滴。该芯片适用于高通量筛选研究，如酶的高通量筛选和蛋白质结晶条件的筛选。
本发明提供了一种基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：利用集成有气动微阀1的PDMS微流控芯片2作为平台，通过操作气动微阀1控制下述内容之一或其组合：微液滴的形成过程、液滴的大小、液滴的组成、液滴之间的融合过程。
所述集成有气动微阀1的PDMS微流控芯片2由液路层201、控制层202和基板203三部分封接而成；其中：
所述的液路层201中包含有液体流动所需通道，控制层202含有控制通道202a，液路层201和控制层202封接后与基板203封接；
所述的气动微阀1由液路层201和控制层202之间的PDMS薄膜构成；液路层201和控制层202之间只通过气动微阀1相联系，二者内部并不连通。
本发明所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，利用集成有气动微阀1的PDMS微流控芯片2作为平台，通过操作气动微阀1对液滴进行操控具体要求满足如下要求：
控制通道202a通过进气口202b与加压气体相连，加压气体的通或断由电磁阀控制；液体进入微通道后，通过电磁阀控制加压气体的通或断来控制气动微阀1即PDMS薄膜发生明显形变或基本不发生形变，以便关闭或连通水相所经由的液路通道，从而控制水相的流动与否。
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，液路层201中的液体流动通道具有多种结构，与气动微阀1对应处的液流通道的横截面为弧形结构，液流通道的其余部分的横截面均为矩形结构。
为了取得更好的技术效果，所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中具体还包括以下内容：
向芯片的样品池(油相入口和水相入口)中加入油和水溶液后，在芯片末端的废液池抽真空，驱动油和水溶液在微通道内流动；液体的流速由施加的真空度的大小进行调节。
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中还包含有下述内容之一或其组合：
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，形成油包水(w/o)型微液滴的具体方法是：当水相和油相同时进入微通道时，首先打开水相通道的气动微阀1、持续一定时间之后关闭水相通道的气动微阀1；如此交替进行，即可在PDMS微流控芯片2的通道中形成油包水(w/o)型微液滴；
在所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，通过调节气动微阀1的开启时间的长短可以精确控制微液滴的大小；
在所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，通过增加水相通道数量并按一定顺序开启各水相通道对应的气动微阀1，可以生成具有多种化学组成的微液滴阵列；
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，在微流控芯片的不同部位同步形成两个液滴，使上述液滴同时进入汇合通道并相遇，可以控制液滴的融合。
本发明所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，所述气动微阀1具体为下压式(push down)或者上推式(push up)；其中：下压式(pushdown)即控制层在液路层之上；上推式(push up)即控制层在液路层之下。
在实际应用过程中，当水相和油相进入微通道后，将在两相通道相交汇处(“T”型区)形成微液滴；将加压空气与控制通道相连，采用电磁阀控制加压空气的供给与断开，进而控制微阀的开启和关闭。
本发明的优点：
1、本发明首次将气动微阀用于微液滴的操控，通过调节气动微阀的开启和关闭时间就可以灵活地控制微液滴的形成及其大小；
2、本发明只需选择性地开启不同溶液对应的气动微阀，就可以灵活地改变微液滴的化学组成；
3、本发明通过同时开启不同溶液对应的气动微阀，在芯片不同位置同步地形成多个微液滴，待其进入汇合通道后相遇融合；
4、本发明采用在芯片末端抽真空或对样品池内液体施加气压的方法驱动液体在微通道内的流动，无需使用注射泵。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为用于控制单种液滴形成的芯片示意图；
图2为控制单种液滴形成芯片的三层结构示意图；
图3为控制单种液滴形成芯片的微阀部位通道结构示意图；
图4为液滴形成过程示意图之一；
图5为液滴形成过程示意图之二；
图6为液滴形成过程示意图之三；
图7为液滴形成过程实物照片之一；
图8为液滴形成过程实物照片之二；
图9为液滴形成过程实物照片之三；
图10为用于控制多种(四种)液滴形成的芯片结构示意图；
图11为多种(四种)液滴形成过程示意图之一；
图12为多种(四种)液滴形成过程示意图之二；
图13为多种(四种)液滴形成过程示意图之三；
图14为多种(四种)液滴形成过程示意图之四；
图15为多种(四种)液滴形成过程示意图之五；
图16为多种(四种)液滴阵列实物照片；
图17为用于控制液滴融合的芯片结构示意图；
图18为液滴融合过程示意图之一；
图19为液滴融合过程示意图之二；
图20为液滴融合过程示意图之三；
图21为液滴融合过程示意图之四；
图22为液滴融合实物照片之一；
图23为液滴融合实物照片之二；
图24为液滴融合实物照片之三；
图25为液滴融合实物照片之四。
具体实施方式
实施例1单种组分液滴的形成
分别向图1所示芯片的油相和水相入口中加入10微升的矿物油(油相)和橘黄墨水溶液(水相)，芯片末端的废液池通过一段特氟龙管与一个100mL玻璃瓶相连，利用80mL注射器对玻璃瓶抽真空，瓶内真空度的大小由抽出空气的体积决定。矿物油和墨水溶液在芯片两端压力差的作用下流入微通道，在“T”型区相遇并形成液滴。将控制通道与加压空气相连，加压空气的开和关由电磁阀控制。操作墨水溶液流路的微阀可以控制墨水溶液的流动与否，从而自如地控制液滴的形成，微阀关闭，无墨水溶液流出，无液滴形成；微阀开启，墨水溶液流出，被矿物油包裹形成液滴，上述过程如图4～6所示。图7、8为液滴形成的实物照片，因液滴处于运动状态，故而液滴颜色与溶液略有不同。改变微阀开启的时间，可以灵活地改变生成液滴的大小，如图9所示。
实例2多种组分液滴的形成
分别向图10所示芯片的油相和水相入口1～4中加入一定体积的矿物油和橘黄、蓝、棕、绿四种颜色的墨水溶液，芯片末端由特氟龙管与一个具有一定真空度的玻璃瓶相连，控制通道与加压空气相连。矿物油和墨水溶液在压强差的作用下流入微通道，在“T”型区形成液滴。依次开启各路墨水溶液流路的微阀，可以形成具有不同组成的液滴阵列，其过程如图11～15所示。图16为由四种墨水溶液形成的液滴阵列。
实例3液滴的融合
分别向图17所示芯片的油相入口和水相入口1和2中加入矿物油和棕色、绿色两种颜色的墨水溶液，芯片末端由特氟龙管与一个具有一定真空度的玻璃瓶相连，控制通道与加压空气相连。矿物油和墨水溶液在压强差的作用下流入微通道，在“T”型区形成液滴。同时开启和关闭两路墨水溶液流路的微阀，在芯片的不同位置同时形成两个液滴，上述液滴对随着油相运动至汇合通道，在汇合通道中相遇后在表面张力的作用下融合，其过程如图18～21所示，图22～25为液滴融合的实物照片。

Claims (8)

1.基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：利用集成有气动微阀(1)的PDMS微流控芯片(2)作为平台，通过操作气动微阀(1)控制下述内容之一或其组合：微液滴的形成过程、液滴的大小、液滴的组成、液滴之间的融合过程。
2.按照权利要求1所述，其特征在于：所述集成有气动微阀(1)的PDMS微流控芯片(2)由液路层(201)、控制层(202)和基板(203)三部分封接而成；其中：
所述的液路层(201)中包含有液体流动所需通道，控制层(202)含有控制通道(202a)，液路层(201)和控制层(202)封接后与基板(203)封接；
所述的气动微阀(1)由液路层(201)和控制层(202)之间的PDMS薄膜构成；液路层(201)和控制层(202)之间只通过气动微阀(1)相联系，二者内部并不连通。
3.按照权利要求2所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：利用集成有气动微阀(1)的PDMS微流控芯片(2)作为平台，通过操作气动微阀(1)对液滴进行操控具体要求满足如下要求：
控制通道(202a)通过进气口(202b)与加压气体相连，加压气体的通或断由电磁阀控制；液体进入微通道后，通过电磁阀控制加压气体的通或断来控制气动微阀(1)即PDMS薄膜发生明显形变或基本不发生形变，以便关闭或连通水相所经由的液路通道，从而控制水相的流动与否。
4.按照权利要求3所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：
液路层(201)中的液体流动通道具有多种结构，与气动微阀(1)对应处的液流通道的横截面为弧形结构，液流通道的其余部分的横截面均为矩形结构。
5.按照权利要求1～4其中之一所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中具体还包括以下内容：
向芯片的样品池中加入油或/和水溶液后，对芯片末端的废液池抽真空，驱动油和水溶液在微通道内流动；液体的流速由施加的真空度的大小进行调节。
6.按照权利要求5所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特在于：所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中还包含有下述内容之一或其组合：
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，形成油包水(w/o)型微液滴的具体方法是：当水相和油相同时进入微通道时，首先打开水相通道的气动微阀(1)、持续一定时间之后关闭水相通道的气动微阀(1)；如此交替进行，即可在PDMS微流控芯片(2)的通道中形成油包水(w/o)型微液滴；
在所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，通过调节气动微阀(1)的开启时间的长短可以精确控制微液滴的大小；
在所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，通过增加水相通道数量并按一定顺序开启各水相通道对应的气动微阀(1)，可以生成具有多种化学组成的微液滴阵列；
所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，在微流控芯片的不同部位同步形成两个液滴，使上述液滴同时进入汇合通道并相遇，可以控制液滴的融合。
7.按照权利要求6所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：
在基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，所述气动微阀(1)具体为下压式或者上推式；其中：
下压式即控制层在液路层之上；上推式即控制层在液路层之下。
8.按照权利要求5所述基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法，其特征在于：
在基于气动微阀的微流控芯片液滴操控方法中，水相和油相进入微通道后，将在两相通道相交汇处形成微液滴；将加压空气与控制通道相连，采用电磁阀控制加压空气的供给与断开，进而控制微阀的开启和关闭。
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