CN102989533B - 高通量自动定量分配和混合的微流控芯片、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量自动定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其应用，所述微流控芯片为一种组合式微流控芯片，由一个微流控芯片主体和一个预脱气的PDMS泵体组合而成；该芯片利用脱气处理后的PDMS泵体对气体的高溶解特性，在封闭微管道体系中产生负压，形成流体驱动力，同时利用芯片微管道表面性质结合几何设计构建毛细阀，通过负压驱动和毛细阀的协调作用，实现微流控芯片主体中流体的自动填充、定量分配和混合。最后介绍了所述的微流控芯片用于蛋白质结晶条件的高通量筛选。

Description

高通量自动定量分配和混合的微流控芯片、方法及应用

技术领域

本发明涉及一种高通量自动定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其应用，可应用于化学、制药和生物领域，尤其是应用于化学合成和生化反应条件的高通量筛选。

背景技术

微流控芯片因其耗样少、分析速度快、可控性好、易集成等优点，近年来受到越来越多的关注和追捧。特别是集成高密度、阵列化微流体单元的微流控芯片，易于实现并行化和高通量反应和筛选，在化学和生物学领域具有重要的应用价值。大多数情况下，化学和现代生物学的实验都是在水相溶液状态下进行的，且往往需要经过定量取样、分配、混合、检测等多个步骤。普通实验室一般采用移液管、滴管、量筒等工具通过手工实现液样定量分配和混合操作，这种方式操作繁琐、效率低、人为误差大，另外，基于手工模式操控的流体体积至少是微升量级。而现代化学分析检测技术和生命科学研究一般可得样品极其有限，随着通量的上升和样品量的限制，研究体系必须采用更小的体积尺度，即微流体尺度，也就是通过微流控芯片技术进行更小尺度下的实验操作与分析。但是，如何在微米尺度下对流体样品进行精确、有效、可靠地操控和分析是微流控芯片技术面临的重大挑战。目前，在微流控芯片领域最常用的微流体操控方法是通过机械式的泵和阀来驱动和控制流体，从而实现充样、定量、分配、混合等操作[T.Thorsen,S.J.Maerkl,S.R.Quake,"Microfluidic Large Scale Integration",Science,2002,298:580-584.]。所用机械式的泵和阀大体分为集成式和分离式两类，集成式的泵和阀通常制造工艺较复杂、成本高、长期工作的可靠性较差；而分离式的泵和阀通常体积较大、接口复杂、消耗功率高、便携性差。因此，传统的微流控芯片设计和流体操控方法严重限制了微流控技术在实际中的广泛应用，迫切需要发展新的微流控芯片和流体操控技术以适应现代化学和生命科学研究对快速、高通量、低成本、自动化检测分析平台的需求。前期本申请的发明人之一也曾设计制作了基于毛细作用、离心力和毛细疏水阀协同作用的自定量分配和混合微流控芯片[G.Li,et al."A compact disk-like centrifugal microfluidic system forhigh-throughput nanoliter-scale protein crystallization screening",AnalyticalChemistry,2010,82(11):4362–4369.]，但是该芯片中的流体驱动仍然需要体积较为庞大的离心旋转平台等外置设备，大大限制了其便携式应用（如野外环境监测、床边诊断等）。因此需要发展更简单、廉价和紧凑的微流控芯片系统，以实现微流控技术的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高通量自动定量分配和混合的微流控芯片、使用方法及其应用，所提供的微流控芯片具有操作简单、使用成本低、自动化程度高、便携性好、易于实现高通量等特点，可望应用于化学合成、制药和生化反应条件的高通量筛选。

本发明提供的一种高通量自动定量分配和混合的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片为一种组合式微流控芯片，所述的组合式微流控芯片是由一个微流控芯片主体和一个预脱气的PDMS泵体组合而成；该芯片利用脱气处理后PDMS泵体对气体的高溶解特性，在封闭微管道体系中产生负压，形成流体驱动力，同时利用芯片表面疏水特性结合微管道几何设计形成芯片局部区域的毛细阀功能，通过负压驱动和毛细阀的协调作用，实现微流控芯片主体中流体的自动填充、定量分配和混合。

具体而言，每个微管道网络包含一个主进样口、一条主进样微管道、一个主通气口/废液池和至少两个分支结构单元；其中每个分支结构单元包含一个分支进样口、一条分支进样微管道、一个分支通气口、两条定容微管道、两条一级连接微管道、一条混合微管道、一个微反应腔、一组二级连接微管道和一条通气微管道；分支结构单元中的一级连接微管道的横截面小于定容微管道的横截面，以实现毛细微阀功能；两条定容微管道通过一对一级连接微管道连接混合微管道，混合微管道另一端连接至微反应腔，且混合微管道和微反应腔均通过二级连接微管道与通气微管道相连，通气微管道另一端连接至分支通气口；分支结构单元中的微反应腔体积大于两个定容微管道体积之和。所述的微流控芯片主体微管道网络中泵腔形成的负压通过通气微管道施加于定容微管道中的液体，驱动其中的液体进入微反应腔，保证混合流体进入微反应腔后，通气微管道通过二级连接微管道与外界大气、环境相同，释放压强，从而使得混合液体驻留在微反应腔中。所述的微反应腔通过至少一个二级连接管道与通气管道相连，通气管道另一端与分支进样管道的通气口相连；每个分支进样管道通过至少一个二级连接管道与其对应通气口相连。为了实现液体样品在连接管道处的暂时停留（即微阀功能），必须使得微流控芯片主体微管道表面为疏水性，且一级连接微管道横截面面积小于定容管道横截面面积，二级连接微管道横截面面积小于一级连接管道横截面面积，这样通过几何截面的收缩改变前进液面的曲率，增大其因表面张力作用形成的附加反向压强，从而阻止液流的前进。芯片微管道表面的疏水性一方面可以通过采用疏水性材料制作芯片来实现，如PDMS（聚二甲基硅烷）、COC（环烯烃共聚物）等；另一方面也可以通过对基于亲水性材料如玻璃、硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PI（聚酰亚胺）、PA（聚对二甲苯）等制作的芯片进行表面疏水化处理（现有技术）来实现。

微流控芯片泵体由一个预脱气的PDMS块体构成，由于脱气PDMS块体对气体具有高溶解特性，当其贴附于微流体芯片微管道出口处，且所有进样口均以液体样品封闭时，则脱气后的PDMS块体会吸收微流体芯片微管道中的空气，导致封闭的微管道中气压降低，形成负压，从而产生可实现微流体芯片中的进样和液体泵运的驱动力。为了实现每个单元流体驱动控制的独立性，该泵体包含一组互不相通的微腔，微腔数目与微流控芯片主体中所含出气口数目相等，且位置一一对应；每个微腔中包含一组微柱阵列，设计微柱阵列的目的在于增加泵体的有效表面积，以加快气体吸收速率和管道中负压形成过程。另外，PDMS泵体的贴合面面积应小于微流控芯片主体贴合面面积，以保证组装后微流控芯片主体的各进样口不被PDMS泵体遮蔽，便于应用中的加样操作。

使用过程中，首先将PDMS泵体置于真空容器中进行至少40分钟脱气处理；然后进行组装，即将经脱气处理的PDMS泵体与微流控芯片主体对准贴合，组装过程中应保证PDMS泵体的各泵腔与微流控芯片主体的各通气口一一对应；完成组装后，在微流控芯片主体的各进样口滴加相应样品溶液。由于PDMS泵体通过各通气口吸收芯片管道空气，使其中形成负压，因此滴加在各进样口的样品溶液在此负压作用下自动充满微流体芯片主进样管道、各分支进样管道和各定容管道，完成芯片的进样步骤。脱气PDMS泵体吸收芯片微管道中空气的过程是一个缓慢持续的过程，因此微管道中的负压绝对值是呈对数增长的，在泵体吸收空气初期，管道中形成负压较小，此时负压仅可驱动液样在几何截面较大的管道中流动，即驱动液样进入并充满主进样管道、各分支进样管道和各定容管道。当液流前进至各定容管道与微反应腔连接处时，由于连接定容管道与微反应腔的一级连接管道横截面较小（即毛细微阀），导致该处液面表面张力产生的反向附加压强增加，大于微管道中的驱动负压，从而使定容管道中液流停止于毛细微阀处。而此时主进样管道和各分支进样管道中的液样由于没有微阀的阻挡，持续向出口处流动，直至进样口液滴全部进入微流体芯片并最终流向出口，使主进样管道和各分支进样管道中的液样被空气所替代，从而在各定容管道留下独立的液柱，完成芯片的定量步骤。随着脱气PDMS泵体持续吸收芯片微管道中空气，管道中的负压进一步增加，当负压值超过液面在毛细微阀处形成的反向附加压强时，定容管道中的液体克服毛细微阀的阻挡作用进入一级连接管道和混合管道。由于二级连接管道几何截面小于一级连接管道，基于液体表面张力，液面在二级连接管道处形成的反向附加压强大于此时微管道中的驱动负压，因此液体不会进入与混合管道相连的二级连接管道，而直接进入微反应腔中。另外，由于微反应腔体积大于与其相连的一对定容管道的体积，因此基于两段定容管道定量的液体混合进入微反应腔后，与微反应腔相连的混合管道则直接与外界大气压环境相通，由于泵腔通过通气管道和二级连接管道与混合管道相连，因此，混合液体进入微反应腔后，泵腔即与外界大气压环境相通，释放压强，微反应腔中的混合液体即停留于腔中，不会受负压驱动继续前进。从而完成微流控体系的混合和分配操作。

本发明相比现有的微流控芯片，结构简单，无需外接能源，也无需复杂机械驱动设备和特殊接口，简化了微流控芯片的操作流程，有利于微流控技术的推广应用。所述负压驱动由经过预脱气处理的PDMS材料吸收封闭管道中气体导致管道中气压降低而形成。所述毛细微阀由因管道截面几何收缩形成，当待驱动液体在非浸润固体管道内流动时，管道截面几何收缩引起前进液面的曲率变化，导致因表面张力所产生反向附加压强大于驱动压强，从而阻止液体流动。

附图说明

图1为本发明微流控芯片组装结构示意图。

图2为本发明微流控芯片主体结构平面示意图。

图3为本发明微流控芯片主体单个结构单元（6）的局部放大示意图。

图4为本发明微流控芯片泵体结构平面示意图。

图5为本发明微流控芯片中其中一个单元结构液体样品操控流程示意图。a.液体样品自动填充；b.液体样品自动定量；c.液体样品自动混合。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例1

如图1所示，本发明微流控芯片为一种组合式微流体芯片，该芯片由一集成有微管道网络且管道表面具有疏水特性的芯片主体（1）和另一集成有多个微腔且微腔中包含微柱阵列的PDMS泵体（2）组装构成；其中芯片主体（如图2所示）包含一个主进样口（3）、一条主进样微管道（4）、一个主通气口/废液池（5）和多个分支结构单元（6）；每个分支结构单元（6）（如图3所示）包含一个分支进样口（7）、一条分支进样微管道（8）、一个分支通气口（9）、两条定容微管道（10）、两条一级连接微管道（11）、一条混合微管道（12）、一个微反应腔（13）、一组二级连接微管道（14）和一条通气微管道（15）等结构；其中一级连接微管道（11）的横截面小于定容微管道（10）的横截面，保证液体前进至定容微管道（10）和一级连接微管道（11）连接处，前进液面表面张力形成的反向压强增大，暂时阻止流体的流动，以实现毛细微阀功能；定容微管道（10）通过一级连接微管道（11）和混合微管道（12）连接微反应腔（13），且混合微管道（12）和微反应腔（13）均通过二级连接微管道（14）与通气微管道（15）相连，由于微反应腔（13）体积大于两个定容微管道体积（10）之和，因此上述连接一方面保证泵腔形成的负压通过通气微管道（15）施加于定容微管道（10）中液体，驱动其中液体进入微反应腔（13），另一方面又保证混合流体进入微反应腔（13）后，通气微管道（15）通过二级连接微管道（14）与外界大气、环境相通，释放压强，从而使得混合液体驻留在微反应腔中，便于后续观察和分析。

微流控芯片工作时，首先将PDMS泵体（2）置于真空容器中进行脱气预处理，预处理时间至少40分钟，真空容器的气压小于50kPa然后取出，并将PDMS泵体（2）的各泵腔（16）（如图4所示）与芯片主体的主通气口（5）和各分支通气口（9）一一对准，贴合组装；完成组装后，通过加样器在主进样口（3）和各分支进样口（7）中分别加入待反应的液体样品溶液（简称液样），液样封闭各进样口后，由于脱气的PDMS泵体（2）持续吸收芯片微管道网络中空气，使得的管道中形成负压，驱动液样自动填充进样管道，而定容管道中，液样因毛细微阀作用，停止于一级连接微管道（11）前（如图5a所示）。随着进样微管道中液样的不断流动，进样口的液样耗尽，空气进入微管道，并替代进样微管道中液体，使得定容微管道中留下一段液体，完成液样定量分配（如图5b所示）；由于脱气的PDMS泵体（2）各泵腔（16）持续吸收芯片微管道中空气，导致其中负压值不断上升，当负压值超过毛细微阀的阻挡力时，两段定容微管道中液体进入一级连接微通道，并通过混合微通道，最终进入微反应腔，完成反应（如图5c所示）。

实施例2

将实施例1制备的微流控芯片应用于蛋白质结晶条件的高通量筛选，其方式为：首先将预脱气处理的PDMS泵体（2）与芯片主体结构（1）对准组装，然后马上将各种不同配比和浓度的结晶剂加入各分支进样口（7），将待结晶蛋白液滴入主进样口（3），通过泵体（2）吸收管道中空气形成的负压驱动力和微管道网络中毛细微阀的设计的协同作用，将蛋白液和结晶剂分配至各微反应腔（13）中混合，之后移除PDMS泵体（2），并在各分支进样孔（7）中加入硅油，硅油在毛细力作用下将很快充满微管道网络，并封盖蛋白液与结晶剂的混合体系，从而防止混合体系中水分的挥发，最后将微流控芯片放置于4°C或25°C条件下进行结晶。并间隔一定时间后对微流控芯片中各反应腔结晶结果进行观察，以此确定合适的结晶条件。

Claims (5)

1.一种高通量自动定量分配和混合的微流控芯片，所述微流控芯片为一种组合式微流控芯片，由一个微流控芯片主体和一个预脱气的PDMS泵体组合而成；其中，

①微流控芯片主体由至少一个微管道网络构成，每个微管道网络包含一个主进样管道和至少两个分支进样管道；

②所述PDMS泵体的贴合面面积小于微流控芯片主体贴合面面积；整个泵体包含一组互不相通的微腔；微腔数目与微流控芯片主体中所含出气口数目相等，且位置一一对应；每个微腔中包含一组微柱阵列；

其特征在于每个微管道网络包含一个主进样口、一条主进样微管道、一个主通气口/废液池和至少两个分支结构单元；其中每个分支结构单元包含一个分支进样口、一条分支进样微管道、一个分支通气口、两条定容微管道、两条一级连接微管道、一条混合微管道、一个微反应腔、一组二级连接微管道和一条通气微管道；分支结构单元中的一级连接微管道的横截面小于定容微管道的横截面，以实现毛细微阀功能；两条定容微管道通过一对一级连接微管道连接混合微管道，混合微管道另一端连接至微反应腔，且混合微管道和微反应腔均通过二级连接微管道与通气微管道相连，通气微管道另一端连接至分支通气口；所述的微流控芯片主体微管道表面为疏水性。

2.按权利要求1所述的芯片，其特征在于所述的微流控芯片主体微管道网络中泵腔形成的负压通过通气微管道施加于定容微管道中的液体，驱动其中的液体进入微反应腔，保证混合流体进入微反应腔后，通气微管道通过二级连接微管道与外界大气、环境相同，释放压强，从而使得混合液体驻留在微反应腔中。

3.按权利要求1所述的芯片，其特征在于芯片主体微管道表面的疏水性通过采用PDMS或COC疏水性材料制作芯片实现或通过基于玻璃、硅、PMMA、PI或PA的亲水性材料制作的芯片进行表面疏水化处理来实现。

4.按权利要求1所述的芯片，其特征在于分支结构单元中的微反应腔体积大于两个定容微管道体积之和。

5.按权利要求1所述的芯片，其特征在于一级连接微管道横截面面积小于定容管道横截面面积，二级连接微管道横截面面积小于一级连接管道横截面面积。