CN104525286B - 基于t型通道实现液滴同步融合的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
基于T型通道实现液滴同步融合的微流控芯片，主体固体结构与底板上下键合在一起，底板置于主体固体结构之下，用以支撑芯片主体结构并提供液体流动的空间。左上游通道与右上游通道与圆弧腔结构相互连接，左、右流动区域的凹槽孔洞结构形状、大小与位置完全对称且以圆弧腔结构为中心相互对称。下游通道垂直于左上游通道与右上游通道。左上游通道、右上游通道与下游通道交叉处的圆弧腔结构相连。圆弧腔结构为两四分之一圆组成，局部扩大了基于T型通道的交汇处。本发明中圆弧腔结构的作用是为减缓液滴在此处的流动速度，为液滴融合提供足够的时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于T型通道实现液滴同步融合的微流控芯片，属于微流控芯片技术领域。
背景技术
对微流体进行有效的控制是发展微流动系统的关键技术，将液体分离成微小液滴或塞流来输运液体样本是当前研究的热点。液滴融合技术可以实现向液滴内引入目标样品，完成液滴内反应物的充分混合以及分析检测液滴所含物质等操作。
微液滴融合技术可应用于：试剂混合，粒子合成，DNA与血液分析等领域。化学反应往往涉及多种物料，向液滴内增添试剂用来引发、加速、减缓或终止化学反应等一系列操作都需要通过微液滴融合技术来实现。液滴融合分为主动融合与被动融合方式。被动融合方式不需额外能耗，不会破坏试剂的成分，通过通道的几何构型直接控制液滴行为。
运用T型交叉的微通道实现微液滴融合的基本原理是使两相向运动的微液滴在通道交叉处相遇，相互挤压使液膜破裂从而实现融合。微液滴碰撞时的接触时间很短，而实现融合的前提是接触的液滴中间的连续相液体要有足够的时间排出，因此使液滴同时到达在交汇处，延长接触时间是促进微液滴融合的必要条件。
发明内容
本发明是基于常用的微液滴融合结构——T型微通道，通过改变两液滴相遇位置处的通道结构，减缓相向流动的两液滴流动速度，从而使液滴同时到达指定位置发生融合。本发明在常用T型微通道的交叉处添加圆弧腔结构，圆弧腔结构可以改变内部流体流动状态，并减小流动速度，从而使液滴在腔体内有充分时间完成融合过程。
本发明所述微通道在常规微尺度通道的基础之上进行了结构上的改进，详见如下，弹性底面T形微通道芯片包括主体固体结构1、出口2、下游通道3、左连续相入口4、左离散相入口5、左侧通道6、左上游通道7、圆弧腔结构8、右上游通道9、右离散相入口10、右侧通道11、右连续相入口12、底板13；其中出口2、下游通道3、左连续相入口4、左离散相入口5、左侧通道6、左上游通道7、圆弧腔结构8、右上游通道9、右离散相入口10、右侧通道11、右连续相入口12为在主体固体结构1上的凹槽或洞孔结构，是芯片工作时液体流动的区域；主体固体结构1和底板13由PDMS(polydimethylsiloxane)材料制成。
主体固体结构1与底板13上下键合在一起，底板13置于主体固体结构1之下，用以支撑芯片主体结构并提供液体流动的空间。
其中左连续相入口4、左离散相入口5、右连续相入口12、右离散相入口10、出口2是主体固体结构1上的洞孔结构，下游通道3、左侧通道6、左上游通道7、圆弧腔结构8、右上游通道9、右侧通道11为主体固体结构1上的凹槽。
左离散相入口5与左侧通道6连接，形成提供左侧离散相液体流动的空间。左连续相入口4与左上游通道7连接，形成提供左侧连续相液体流动的空间。左侧通道6垂直连接于左上游通道7。左离散相入口5、左侧通道6、左连续相入口4、左上游通道7形成左流动区域。
右离散相入口10与右侧通道11连接，形成提供右侧离散相液体流动的空间。右连续相入口12与右上游通道9连接，形成提供右侧连续相液体流动的空间。右侧通道11垂直连接于右上游通道9。右离散相入口10、右侧通道11、右连续相入口12、右上游通道9形成右流动区域。
左上游通道7与右上游通道9与圆弧腔结构8相互连接，左、右流动区域的凹槽孔洞结构形状、大小与位置完全对称且以圆弧腔结构8为中心相互对称。下游通道3垂直于左上游通道7与右上游通道9。左上游通道7、右上游通道9与下游通道3交叉处的圆弧腔结构8相连。圆弧腔结构为两四分之一圆组成，局部扩大了基于T型通道的交汇处。
常规T形微尺度通道不包含圆弧腔结构8，本发明中圆弧腔结构8的作用是为减缓液滴在此处的流动速度，为液滴融合提供足够的时间。
本装置的工作过程如下：离散相液体分别从左离散相入口5和右离散相入口10流入，经过左侧通道6和右侧通道11，与从左连续相入口4和右连续相入口12流入的连续相液体在左上游通道7和右上游通道9交汇，形成相向流动的离散相液滴，在连续相液体的带动下，向左上游通道7，右上游通道9与下游通道3交叉处的圆弧腔结构8流去。两液滴在圆弧腔结构8经过减速，碰撞，融合过程后流入下游通道3并从出口2流出。
本发明可以在不增加额外驱动或者控制装置的基础上，利用简单的圆弧腔结构使上游生成的相向流动的两液滴减速，并在进入下游通道前完成融合过程，确保液滴融合的完成。
附图说明
图1是本发明基于T形微通道实现液滴融合的微流控芯片的三维总体轮廓示意图。
图2是本发明基于T形微通道实现液滴融合的微流控芯片的工作过程示意图。
图中：1、主体固体结构，2、出口，3、下游通道，4、左连续相入口，5、左离散相入口，6、左侧通道，7、左上游通道，8、圆弧腔结构，9、右上游通道，10、右离散相入口，11、右侧通道，12、右连续相入口，13、底板。
具体实施方式
下面结合结构附图对发明的工作过程和效果进行进一步详细说明和验证。
图1为基于T形微通道的实现液滴融合的微流控芯片的三维总体轮廓示意图。
该T形微通道芯片包括主体固体结构1、出口2、下游通道3、左连续相入口4、左离散相入口5、左侧通道6、左上游通道7、圆弧腔结构8、右上游通道9、右离散相入口10、右侧通道11、右连续相入口12、底板13。
其中左连续相入口4、左离散相入口5、右连续相入口12、右离散相入口10、出口2是主体固体结构1上的洞孔结构，下游通道3、左侧通道6、左上游通道7、圆弧腔结构8、右上游通道9、右侧通道11为主体固体结构1上的凹槽。
底板13与主体固体结构1键合在一起，其中左连续相入口4、左离散相入口5、左侧通道6、左上游通道7、右连续相入口12、右离散相入口10、右侧通道11、右上游通道9、下游通道3、圆弧腔结构8、出口2形成芯片工作时液体流动的区域。
左上游通道7和右上游通道9为直通道，连续相液体通过左连续相入口4和右连续相入口12相向流入其中，与通过左离散相入口5、右离散相入口10和流进左侧通道6、右侧通道11的离散相液体在通道交接处交汇，形成离散相的液滴。
底板13支撑芯片主体结构1并与之中的凹槽、孔洞结构构成流体活动的空间。
在主体固体结构1上具有上下贯通的孔洞结构，形成左连续相入口4、左离散相入口5、右离散相入口10、右侧通道11与出口2。
主体固体结构。主体固体结构1、底板13由聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane,)材料制成。
图2是本发明基于T形微通道实现液滴融合的微流控芯片的工作过程示意图。两种流体在外力驱动下通过左右一对入口流入微流控芯片中，调整两种液体的流动速度，使其生成微液滴，并保持该流速一段时间使流动稳定，然后进行液滴在圆弧腔内停留时间的实验。为了验证该发明对于促进液滴融合的有效作用，利用相同结构的无圆弧腔的常规T型微通道微流控芯片进行了对比实验。两组实验结果如表1所示，可见本发明能够有效减缓两相向流动液滴相遇时的流动速度，并能有效促进融合。
注：由于微通道尺寸较小，用实际尺寸表示微流控芯片时不能有效表征微流控芯片流道部分的结构，因此附图使用的是微流道结构相对放大的芯片示意图。
表1本发明芯片与对比芯片的液滴交汇处平均停留时间
注：离散相流速为5μl/min，所有微通道宽度为500μm，高度300μm，圆弧腔的圆形半径为1000μm。每组实验观察次数100。
Claims (3)
1.基于T型通道实现液滴同步融合的微流控芯片，其特征在于：该芯片包括主体固体结构(1)、出口(2)、下游通道(3)、左连续相入口(4)、左离散相入口(5)、左侧通道(6)、左上游通道(7)、圆弧腔结构(8)、右上游通道(9)、右离散相入口(10)、右侧通道(11)、右连续相入口(12)、底板(13)；其中出口(2)、下游通道(3)、左连续相入口(4)、左离散相入口(5)、左侧通道(6)、左上游通道(7)、圆弧腔结构(8)、右上游通道(9)、右离散相入口(10)、右侧通道(11)、右连续相入口(12)为在主体固体结构(1)上的凹槽或洞孔结构，是芯片工作时液体流动的区域；
主体固体结构(1)与底板(13)上下键合在一起，底板(13)置于主体固体结构(1)之下；
其中左连续相入口(4)、左离散相入口(5)、右连续相入口(12)、右离散相入口(10)、出口(2)是主体固体结构(1)上的洞孔结构，下游通道(3)、左侧通道(6)、左上游通道(7)、圆弧腔结构(8)、右上游通道(9)、右侧通道(11)为主体固体结构(1)上的凹槽；
左离散相入口(5)与左侧通道(6)连接，形成提供左侧离散相液体流动的空间；左连续相入口(4)与左上游通道(7)连接，形成提供左侧连续相液体流动的空间；左侧通道(6)垂直连接于左上游通道(7)；左离散相入口(5)、左侧通道(6)、左连续相入口(4)、左上游通道(7)形成左流动区域；
右离散相入口(10)与右侧通道(11)连接，形成提供右侧离散相液体流动的空间；右连续相入口(12)与右上游通道(9)连接，形成提供右侧连续相液体流动的空间；右侧通道(11)垂直连接于右上游通道(9)；右离散相入口(10)、右侧通道(11)、右连续相入口(12)、右上游通道(9)形成右流动区域；
左上游通道(7)与右上游通道(9)与圆弧腔结构(8)相互连接，左、右流动区域的凹槽孔洞结构形状、大小与位置完全对称且以圆弧腔结构(8)为中心相互对称；下游通道(3)垂直于左上游通道(7)与右上游通道(9)；左上游通道(7)、右上游通道(9)与下游通道(3)交叉处的圆弧腔结构(8)相连；圆弧腔结构为两四分之一圆组成，局部扩大了基于T型通道的交汇处。
2.根据权利要求1所述的基于T型通道实现液滴同步融合的微流控芯片，其特征在于：离散相液体分别从左离散相入口(5)和右离散相入口(10)流入，经过左侧通道(6)和右侧通道(11)，与从左连续相入口(4)和右连续相入口(12)流入的连续相液体在左上游通道(7)和右上游通道(9)交汇，形成相向流动的离散相液滴，在连续相液体的带动下，向左上游通道(7)、右上游通道(9)与下游通道(3)交叉处的圆弧腔结构(8)流去；两液滴在圆弧腔结构(8)经过减速，碰撞，融合过程后流入下游通道(3)并从出口(2)流出。
3.根据权利要求1所述的基于T型通道实现液滴同步融合的微流控芯片，其特征在于：主体固体结构(1)和底板(13)由PDMS材料制成。
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