CN103285947A - 一种液滴微流控芯片及其操控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型的液滴微流控芯片及其操控方法，更确切地说，是一种集成电渗泵的液滴微流控芯片。该液滴芯片由样品池、微通道和微电渗泵构成，通过调节微电渗泵产生的负压控制下述内容之一或其组合：微液滴的生成、分裂或融合。液滴操控是在一种无电场环境下实现的。在此条件下，一方面，通过调节电渗泵压强可以精确操控液滴，另一方面，液滴的生成、分裂和融合条件温和，不受外加电场的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及微流控芯片应用技术，特别提供了一种基于电渗泵的微流控芯片液滴操控方法。
背景技术
现有技术中，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)是近年来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。因此在药物筛选、微纳米材料合成、酶反应分析检测等方面具有重要及广泛的应用前景。
液滴微流控技术主要包括液滴生成、融合与分裂、分选、内涵物分析等。其中，液滴的生成是依靠油水两相的剪切力和表面张力共同作用而实现；液滴分裂是指将一个液滴分裂成多个液滴的液滴操控技术，它不仅可在液滴生成后进一步调控液滴的体积及内涵物的浓度，而且可以获得高通量分析结果；液滴融合是将两个或多个液滴融合为一体，可以进行不同组分液滴之间的混合反应。因此，在液滴微流控芯片技术的应用中，液滴的生成、分裂和融合都是极为重要的液滴操控技术之一。
目前，液滴的分裂技术主要可以分为被动分裂与主动分裂两大类。其中，被动分裂主要是基于芯片微通道的设计而实现，即一个特定大小的液滴(母液滴)在微通道中流动，在分支通道结构处将发生分裂，分裂成两个体积比母液滴更小的液滴(子液滴)，子液滴的大小与两个分支通道的流阻密切相关。主动分裂则主要是通过对液滴施加一定外场，例如电场、热场、力场等，从而精确控制液滴在分支处的分裂过程与子液滴的大小。
与液滴分裂技术类似，目前液滴融合技术也主要分为被动融合与主动融合两大类。其中被动融合也是通过微通道的几何设计实现液滴的融合，而主动融合主要也是通过外电场加以控制实现液滴的有效分选。总体而言，被动方式虽然可以简便地实现液滴分裂或融合，但是在相同设计的微流控芯片中，只能获得一种分裂或融合的结果；通过高压电场或热场控制的液滴分裂与融合技术，虽然灵活而主动，但是所施加的高压电场或温度场容易影响液滴内含物的性质，这对于一些具有电荷相应或温度相应的生物化学分子，以及细胞等生物组织具有一定破坏性。
目前，人们主要使用机械泵阀系统，例如注射泵、蠕动泵等对液滴微流控芯片进行操控。但是上述系统中，一方面需要昂贵的仪器设备，另一方面，目前这些泵阀系统，获得的流场稳定性和均匀性交叉，难以实现精确操控。而外加的电场或温度场又对液滴具有一定破坏性。
综上所述，现有的液滴分裂与融合技术的研究中，人们迫切希望获得一种更为简便、操作条件温和、主动性强、灵活度高的液滴操控技术。
发明内容
针对上述液滴微流控芯片操控技术的不足之处，本发明提供一种新型的液滴微流控芯片及其操控方法，更确切地说，是一种集成电渗泵的液滴微流控芯片。该液滴芯片由样品池、微通道和微电渗泵构成，通过调节微电渗泵产生的负压控制下述内容之一或其组合：微液滴的生成、分裂或融合。
按照本发明所提供的一种液滴微流控芯片及其操控方法，所述的微流控芯片的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等，是通过现有的微加工技术进行加工制备的。
按照本发明所提供的一种液滴微流控芯片及其操控方法，所述的微电渗泵由两个Y型交叉的填充柱式通道和一个交汇缓冲区构成。所述的填充柱式通道内部充满填料。填料选用硅胶、离子交换树脂、高分子微球、无机球形或无定形填料、内成型填料中的一种，粒径为50～5000纳米。所述的两个Y型交叉的填充柱内的填料分别带相反的两种电荷。所述的交汇缓冲区可与微流控芯片上的液滴通道相连接，用于微流控芯片中的液滴操控。
按照本发明所提供的一种液滴微流控芯片及其操控方法，所述的微液滴的生成、分裂和融合是以电渗泵提供的负压为驱动力，结合微流控芯片上的通道几何形状而实现的。
按照本发明所提供的一种液滴微流控芯片及其操控方法，所述的微液滴可以是油包水型，也可以是水包油型。
按照本发明所提供的一种液滴微流控芯片及其操控方法，所述的液滴操控是在一种无电场环境下实现的。在此条件下，一方面，通过调节电渗泵压强可以精确操控液滴，另一方面，液滴的生成、分裂和融合条件温和，不受外加电场的干扰。
附图说明
图1.一种用于液滴生成的微流控芯片示意图。其中，a为水相入口及通道，b为油相入口及通道，c为液滴通道，d为电渗泵，e为微液滴。
图2.本发明中所用的电渗泵结构示意图。其中，f为交汇缓冲区，g为负电填充柱(连接外电场负极)，h为正电填充柱(连接外电场正极)。
图3.一种用于液滴分裂的微流控芯片示意图。其中，A为液滴生成通道，B为液滴分裂通道，C为电渗泵1，D为电渗泵2。
图4.一种用于液滴融合的微流控芯片示意图。其中，E为液滴生成通道1，F为液滴生成通道2，G为液滴融合通道，H为电渗泵。
具体实施方案
下面的实施例将结合说明书附图对本发明予以进一步的说明。
实施例1一种用于液滴生成的微流控芯片
一种用于液滴生成的微流控芯片结构如图1所示，微流控芯片采用玻璃为材质，通道a、b和c的宽度和深度分别为200微米和80微米。电渗泵d的结构组成如图2所示，电渗泵含有一个交汇缓冲区f和两个Y型交叉的填充柱通道g和h，两填充柱通道中分别填充粒径5微米的玻璃微球，表面分别修饰正电荷和负电荷。
实验时，首先将芯片内部通道全部充满0.1M硼砂缓冲液，电渗泵的填充柱g连接外加电场的负极，填充柱h连接外加电场的正极，在此条件下，电渗泵的流体方向为交汇缓冲区趋向Y型交叉通道的两端。因此，当电渗泵工作时，液滴芯片中的通道a、b、c中的流体均朝着电渗泵运行。在油相通道的入口加入十六烷。最终，在通道a和b交叉处，生成微液滴e。生成液滴的大小可以精确地通过电渗泵d的外加电场强度进行调节。
实施例2一种用于液滴分裂的微流控芯片
一种用于液滴分裂的微流控芯片结构如图3所示，微流控芯片采用聚碳酸酯为材质，芯片包含液滴生成通道A，液滴分裂通道B和两个电渗泵C和D。其中，液滴分裂通道B由两个分支通道构成，电渗泵C和D分别连接分裂通道B的两个分支通道。所有通道的宽度和深度为200微米和80微米。电渗泵C和D的结构组成如图2所示，电渗泵含有一个交汇缓冲区f和两个Y型交叉的填充柱通道g和h，两填充柱通道中分别填充粒径5微米的玻璃微球，表面分别修饰正电荷和负电荷。
实验时，首先将芯片内部通道全部充满0.1M硼砂缓冲液，电渗泵的填充柱g连接外加电场的负极，填充柱h连接外加电场的正极，在此条件下，电渗泵C和D的流体方向为交汇缓冲区趋向Y型交叉通道的两端。因此，当电渗泵工作时，液滴芯片中的流体均朝着电渗泵运行。在油相通道的入口加入十六烷。则在电渗泵作用下，液滴生成通道A处不断生成液滴，生成的液滴进一步运行至分裂通道B，最终，在通道分支口出发生分裂，生成两个子液滴。液滴的大小可以精确地通过电渗泵C的外加电场强度进行调节。
实施例3一种用于液滴融合的微流控芯片
一种用于液滴融合的微流控芯片结构如图4所示，微流控芯片采用聚二甲基硅氧烷为材质，芯片包含两个液滴生成通道E和F，一个液滴融合通道G和电渗泵H。其中，液滴融合通道G由两个通道交汇构成，电渗泵H连接融合通道的交汇通道。所有通道的宽度和深度为200微米和80微米。电渗泵C和D的结构组成如图2所示，电渗泵含有一个交汇缓冲区f和两个Y型交叉的填充柱通道g和h，两填充柱通道中分别填充粒径5微米的玻璃微球，表面分别修饰正电荷和负电荷。
实验时，首先将芯片内部通道全部充满0.1M硼砂缓冲液，电渗泵的填充柱g连接外加电场的负极，填充柱h连接外加电场的正极，在此条件下，电渗泵H的流体方向为交汇缓冲区趋向Y型交叉通道的两端。因此，当电渗泵工作时，液滴芯片中的流体均朝着电渗泵运行。在油相通道的入口加入十六烷。则在电渗泵作用下，液滴生成通道E和F处不断生成液滴，生成的两个液滴进一步运行至融合通道G，最终，在融合通道交汇处发生融合，生成一个液滴。液滴的大小可以精确地通过电渗泵H的外加电场强度进行调节。
采用本发明提供的液滴微流控电泳芯片及其操控方法，由于在通道中集成了填充柱式电渗泵，同时在液滴的操控通道中，液滴处于无电场环境。在此条件下，不仅可以精确地对液滴的生成、分裂和融合进行调控，而且操作条件温和，不会对液滴的内涵物产生不利影响。
Claims (10)
1.一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，该液滴芯片由样品池、微通道和微电渗泵构成，通过调节微电渗泵产生的负压控制下述内容之一或其组合：微液滴的生成、分裂或融合。
2.按照权利要求1所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的液滴微流控芯片的材料为玻璃、石英、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷等。
3.按照权利要求1所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的微电渗泵由两个Y型交叉的填充柱式通道和一个交汇缓冲区构成。
4.按照权利要求1和4所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的填充柱式通道内部充满填料。
5.按照权利要求1和5所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的填充柱内的填料选用硅胶、离子交换树脂、高分子微球、无机球形或无定形填料、内成型填料中的一种，粒径为50～5000纳米。
6.按照权利要求1和5所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的两个Y型交叉的填充柱内的填料分别带相反的两种电荷。
7.按照权利要求1和4所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的交汇缓冲区可与微流控芯片上的液滴通道相连接，用于微流控芯片中的液滴操控。
8.按照权利要求1所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的微液滴的生成、分裂和融合是以电渗泵提供的负压为驱动力，结合微流控芯片上的通道几何形状而实现的。
9.按照权利要求1所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的微液滴可以是油包水型，也可以是水包油型。
10.按照权利要求1所述的一种液滴微流控芯片及其操控方法，其特征在于，所述的液滴操控是在一种无电场环境下实现的。
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